一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法和電路的製作方法

2023-09-17 20:36:10 1

專利名稱：一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法和電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子領域，尤其涉及一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移 補償方法和電^^。
背景技術：
薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由於其高工作頻率，高靈#文度，優良濾 波特性，低插入損耗，高功率承載能力，與集成電路工藝良好的兼容等特 性，近年來被廣泛應用於無線通信系統中，如無線通信射頻前端的雙工器、 振蕩器、諧振器及其他頻率相關組件。另外，FBAR因為其高質量變化靈 敏度，易於封裝，而且製造成本低等特點也越來越廣泛地用做微質量傳感 器，應用於化學和生物領域。
大多數FBAR器件具有由中心頻率表徵的帶通特性頻率響應，其頻率 響應特性由諧振頻率表徵。FBAR的在無線通信和質量傳感方面的應用就 主要基於其頻率特性。但FBAR的工作頻率往往受溫度影響而產生漂移， 其中以氮化鋁(A1N)作為壓電材料，以鉬(Mo)作為電極材料，工作在 2GHz左右的FBAR器件實用實施例中，FBAR的諧 振頻率具有從約 -2(^ 01/1:到約-35 111廠0的溫度係數。這樣的溫度係數降低了 FBAR器件 能滿足其通帶寬度規定的溫度範圍，還會降低製造產量，例如移動終端應 用中，由於溫度導致的頻率漂移，要求通帶窗的設計比應該的頻帶大，以 確保FBAR在其整個工作溫度範圍內能滿足帶寬規定，這往往引起降低插 入損耗，提高工藝要求，從而降低生產率。目前，也出現了針對FBAR在高GHz如C波段(4-8GHz)、 X波段 (8-12GHz)等無線系統中的應用的研究。其中，溫度對FBAR的諧振工作 頻率仍然有很大的影響。有文獻報導，對於基於A1N的，工作在8GHz左 右的FBAR,其頻率溫度係數大概為-18ppm廠C。
目前已經開發出多種技術用於提供薄膜體聲波諧振器FBAR溫度漂移 的補償。在美國專利US7,408,428，B2中公開了 一種克服FBAR裝置溫度 漂移的方法。在該文獻中，通過向FBAR的結構中增加與FBAR相反溫度 係數的溫度補償層，來進行FBAR的溫度補償。這種方法需要對FBAR的 工藝進行改進，增加FBAR製程步驟，而且對補償層材料的電學及化學性 能要求較高。
美國專利US 10/882,510中，在FBAR附近i丈置一個測量溫度的溫度傳 感器，檢測到的溫度變化後，根據計算送到一個電壓控制器，電壓控制器 根據溫度的升降，提供與溫度？ 1起FBAR的頻率漂移相反方向的偏壓引起 的頻率漂移，從而進行溫度補償。該方法的缺點在於需要為FBAR振蕩 器配備專門的溫度傳感器和相應的傳感驅動電路，另外還需電壓控制器， 電路複雜，集成實現難度大。
因此，存在對提供FBAR溫度漂移補償的簡單方法和電路的需求。

發明內容
本發明提供一種薄膜體聲波振蕩器(FBAR)的溫度漂移補償方法和 電路，解決了現有的FBAR振蕩器，特別是工作在C波段和X波段的FBAR 振蕩器因在不同溫度下的頻率漂移而引起的各種系統誤差的問題，提高在 無線通信和質量傳感方面的應用效果和產品生產率。
一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法，設置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩壓源，所述的電橋的兩個輸出端分 別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的 上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度係數"與頻率電壓系
數/ 之比為t/。；i，其中f/。為所述的直流穩壓源的直流電壓，A為電橋的電
阻溫度係數的參考值，其正負極性與所應用於的FBAR的頻率電壓係數的 正負極性有關。
義反映了在所述的電橋的工作電壓t/。一定時，電橋的輸出電壓(向薄
膜體聲波振蕩器輸出)隨溫度變化的係數。
所述的電橋由等效的四個電阻構成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、 第四電阻和第三電阻依次首尾相接成環，第 一 電阻和第三電阻相接端點接 所述的直流穩壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩 壓源的負極，第 一 電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器 接到薄膜體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述 的第二高阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓r。=o，在溫度為r時輸出
的偏置電壓r為
F = [/i 2(i + A2Ar)___i 4(i + 24Ar)
一 0 i ,(i + ;i,Ar) + i 2(i + ;i2Ar) i 3(i + /i3Ar) + i 4(i + ;i4Ar)
其中
f/。為電橋直流供電電壓； △r = r - r。為溫度變化量；
i ,、 &、 t 3、 A分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；
A、 A2、 4、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度係數，且至少有一個不為0。作為4尤選，所述的^=/ 2 = 7 3=/ 4 , /1, =—A = —A3 =/14 = A-0 。 本發明還提供了 一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償電路，所述的
流穩壓源構成，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第 二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲 波振蕩器的頻率溫度係數"與頻率電壓係數P之比為f/。/i，其中t/。為所述 的直流穩壓源的直流電壓，義為電橋的電阻溫度係數參考值，其正負極性
與所應用於的FBAR的頻率電壓係數的正負極性有關。
所述的電橋由等效的四個電阻構成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、 第四電阻和第三電阻依次首尾相接成環，第 一電阻和第三電阻相接端點接 所述的直流穩壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩 壓源的負極，第 一 電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器 接到薄膜體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述 的第二高阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓K(^0,在溫度為r時輸出 的偏置電壓r為
—0 、 (i +義,Ar) + (i +義2厶r) — / 3 (i +義3厶r) + (i +義4厶r)
其巾 (9)
—i (i + ;la:t) + _義Ar) i (i — /1Ar) + +義Ar)
簡化得
r 仏/iAr (10)綜合(2)、 (10)計算得
2 = "0;i (11) 々
選擇電橋直流供電電壓t/。，電橋中各等效電阻及對應溫度係數滿足以 上等式，即可實現FBAR振蕩器的無偏溫度補償。 一般情況下，FBAR的 頻率溫度係數為負，電橋供電電壓t/。為正。所以，若補償電路所應用的 FBAR頻率電壓係數為正，則電橋的電阻溫度係數參考值;i為負；反之， 若補償電路所應用的FBAR頻率電壓係數為負，則電橋的電阻溫度係數參 考值/l為正。電橋中各電阻所選溫度係數可據此得出。
本發明薄膜體聲波振蕩器(FBAR)的溫度漂移補償方法及電路，可 以應用於無線通信、質量傳感等多種領域，而無線通信射頻前端的雙工器、 振蕩器、諧振器及其他頻率相關組件常常由一組FBAR構成，因此該本發 明振蕩電路還包括可操作地連接的兩個或多個所述薄膜體聲波諧振器。單 一 FBAR振蕩器的實現方式有多種，比如，Colpitts結構，共基極結構， 電流重利用交叉耦合結構等等。
本發明具備的有益效果在於對薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由於溫 度引起的頻率偏差進行了有效補償，也可以達到完全的無偏補償，從而克 服由於溫度變化引起的各種系統誤差的問題，提高了 FBAR在無線通信和 質量傳感方面的應用效果和產品生產率。本發明結構簡單，實現方式靈活。


圖1是本發明接入FBAR正反饋振蕩器的溫度漂移補償電路示意圖2是溫度導致的FBAR頻率漂移示意圖3是DC偏壓導致的FBAR頻率漂移示意圖4是對FBAR進行溫度補償過後的頻率漂移示意圖。
ii
具體實施例方式
薄膜體聲波振蕩器(FBAR)是一個由壓電薄膜層和上、下極板構成 的三明治結構，可被用作振蕩器、濾波器、質量傳感器等。
FBAR振蕩電路一般包括FBAR裝置和射頻電壓源。射頻電壓源向 FBAR的上電極和下電極施加RF電壓，FBAR即產生振蕩，其諧振頻率 由壓電薄膜的厚度確定，計算公式為
, 丄 (1) 2d
其中F為FBAR諧振頻率，
v為壓電層的聲速，
d為壓電層的厚度。
圖1以一個FBAR的簡單振蕩電路20為例，整體上由未加溫度補償 電路時的FBAR振蕩電路14、溫度補償電路15以及為溫度補償電路15 供電的直流電源7構成。
FBAR振蕩電路14由放大器11,耦合電容12和薄膜體聲波振蕩器 IO構成，溫度補償電路15部分為由第一電阻1、第二電阻2、第四電阻4 和第三電阻3依次首尾相接構成一個電源對稱電橋，其中第一電阻1和第 三電阻3相接端點接直流穩壓源7正極，第二電阻2和第四電阻4相接端 點接直流電源7負極，第一電阻1和第二電阻2相接於端點5,然後通過 第一高阻抗電阻器8接到FBAR IO的上電極，第四電阻4和第三電阻3 相接於端點6，然後通過第二高阻抗電阻器9接到FBAR 10的下電極。
本實施例中，
薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度係數"為-18ppm廠C 薄膜體聲波振蕩器的頻率電壓係數p為Wppm/V直流穩壓源的直流電壓f/。為25V
電橋的電阻溫度係數;i為-i x io'2;
第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的阻值^、 / 2、 i 3、及4分 別為5K(這裡電阻越大，偏置電路的能耗越小，^旦電路面積也會相應增 大，所以根據經驗權衡)
第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的的溫度係數4、 ^、 4、 義4分別為-1 x 10-2、 1 x l(T2、 lxio-2、 -lxio-2;
薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度係數"與頻率電壓係數/ 之比為f/。義， 通過對薄膜體聲波振蕩器施加DC偏壓提供相反方向的頻率漂移，以補償 溫度變化導致薄膜體聲波振蕩器的頻率漂移。若溫度升高，則FBAR頻率 降低，為了補償頻率隨溫度的漂移，加在FBAR兩端的直流補償電壓應該 減小；反之，應該增力口。
參見圖2、 3， FBAR具有負的頻率溫度係數，對於工作在8.5GHz 左右的基於A1N壓電薄膜的FBAR,其頻率溫度係數大約為-18ppm廠C。 圖2圖解溫度對FBAR諧振頻率的影響。由圖可見，在溫度10。C到9(TC 之間，頻率隨溫度的升高而降低，大概成一個線性關係。
對於工作在8.5GHz左右的基於A1N壓電薄膜的FBAR，頻率電壓系 數約為72ppm/V。圖3圖解偏壓對FBAR諧振頻率的影響。由圖可見，在 40V到40V的直流電壓範圍內，頻率隨電壓的升高而線性升高。
參見圖4,採用本發明方法對薄膜體聲波振蕩器進行溫度漂移補償， 0 90度範圍內，薄膜體聲波振蕩器的振蕩頻率隨溫度變化減小，進行溫 度漂移補償後振蕩電路的頻率溫度係數約為-1.5ppm廠C,有了明顯改善， 保證了電路的穩定工作。
1權利要求
1、一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法，其特徵在於，設置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩壓源，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度係數α與頻率電壓係數β之比為U0λ，其中U0為所述的直流穩壓源的直流電壓，λ為電橋的電阻溫度係數參考值。
2、 如權利要求1所述的溫度漂移補償方法，其特徵在於，所述的電 橋由等效的四個電阻構成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、第四電阻和 第三電阻依次首尾相接成環，第 一電阻和第三電阻相接端點接所述的直流 穩壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩壓源的負 極，第 一電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一高阻抗電阻器接到薄膜 體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述的第二高 阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
3、 如權利要求2所述的溫度漂移補償方法，其特徵在於，所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓r廣o,在溫度為r時輸出的偏置電壓r 為k = u r i 2(i + a2Ar)___i 4(i + A4Ar)—0 、(l + ;i,Ar) + i 2(i +義2Ar) w3(i + /L3Ar) + i 4(i + ;i4Ar)其中t/Q為電橋直流供電電壓； Ar:r-ro為溫度變化量；i ,、 w2、 i 3、 ^分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；A、 ^、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度係數，且至少有一個不為0。
4、 如權利要求3所述的溫度漂移補償方法，其特徵在於，所述的i i-及2-7 3-及4 ， A,=—義2 =—義3 =;i4 =;i#o。
5、 一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償電路，其特徵在於，所述直流穩壓源構成，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第 一 高阻抗電阻器和 第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體 聲波振蕩器的頻率溫度係數"與頻率電壓係數p之比為"。/i,其中"。為所 述的直流穩壓源的直流電壓，/1為電橋的電阻溫度係數參考值。
6、 如權利要求5所述的溫度漂移補償電路，其特徵在於，所述的電 橋由等效的四個電阻構成，四個電阻中第一電阻、第二電阻、第四電阻和 第三電阻依次首尾相接成環，第 一電阻和第三電阻相接端點接所述的直流 穩壓源的正極，第二電阻和第四電阻相接端點接所述的直流穩壓源的負 極，第 一電阻和第二電阻相接端點通過所述的第 一 高阻抗電阻器接到薄膜 體聲波振蕩器的上電極，第三電阻和第四電阻相接端點通過所述的第二高 阻抗電阻器接到薄膜體聲波振蕩器的下電極。
7、 如權利要求6所述的溫度漂移補償電路，其特徵在於，所述的電橋在溫度為常溫r。時輸出偏置電壓^=0，在溫度為r時輸出的偏置電壓r 為formula see original document page 3其中C/Q為電4喬直法b供電電壓； △『=r-7;為溫度變化量；i 2、 i 3、及4分別為電橋中第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四 電阻的阻值；4、 ^、 4、義4分別為第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻的 的溫度係數，且至少有一個不為0。
8、如權利要求7所述的溫度漂移補償電路，其特徵在於，所述的《m ， & =—義,=-h;l#o。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜體聲波振蕩器的溫度漂移補償方法及電路，主要是設置一含溫度敏感電阻的電橋以及為所述的電橋供電的直流穩壓源，所述的電橋的兩個輸出端分別通過第一高阻抗電阻器和第二高阻抗電阻器連接薄膜體聲波振蕩器的上電極和下電極，其中薄膜體聲波振蕩器的頻率溫度係數α與頻率電壓係數β之比為U0λ，其中U0為所述的直流穩壓源的直流電壓，λ為電橋的電阻溫度係數參考值。本發明對薄膜體聲波振蕩器(FBAR)由於溫度引起的頻率偏差進行了有效補償，也可以達到完全的無偏補償，從而克服由於溫度變化引起的各種系統誤差的問題，提高了FBAR在無線通信和質量傳感方面的應用效果和產品生產率。本發明結構簡單，實現方式靈活。
文檔編號H03H9/60GK101594140SQ20091009955
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月18日 優先權日2009年6月18日
發明者張慧金, 程維維, 董樹榮, 趙士恆, 雁 韓 申請人:浙江大學