专利名称：一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法和电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种薄膜体声波振荡器的温度漂移 补偿方法和电^^。
背景技术：
薄膜体声波振荡器(FBAR)由于其高工作频率，高灵#文度，优良滤 波特性，低插入损耗，高功率承载能力，与集成电路工艺良好的兼容等特 性，近年来被广泛应用于无线通信系统中，如无线通信射频前端的双工器、 振荡器、谐振器及其他频率相关组件。另外，FBAR因为其高质量变化灵 敏度，易于封装，而且制造成本低等特点也越来越广泛地用做微质量传感 器，应用于化学和生物领域。
大多数FBAR器件具有由中心频率表征的带通特性频率响应，其频率 响应特性由谐振频率表征。FBAR的在无线通信和质量传感方面的应用就 主要基于其频率特性。但FBAR的工作频率往往受温度影响而产生漂移， 其中以氮化铝(A1N)作为压电材料，以钼(Mo)作为电极材料，工作在 2GHz左右的FBAR器件实用实施例中，FBAR的谐 振频率具有从约 -2(^ 01/1:到约-35 111厂0的温度系数。这样的温度系数降低了 FBAR器件 能满足其通带宽度规定的温度范围，还会降低制造产量，例如移动终端应 用中，由于温度导致的频率漂移，要求通带窗的设计比应该的频带大，以 确保FBAR在其整个工作温度范围内能满足带宽规定，这往往引起降低插 入损耗，提高工艺要求，从而降低生产率。目前，也出现了针对FBAR在高GHz如C波段(4-8GHz)、 X波段 (8-12GHz)等无线系统中的应用的研究。其中，温度对FBAR的谐振工作 频率仍然有很大的影响。有文献报道，对于基于A1N的，工作在8GHz左 右的FBAR,其频率温度系数大概为-18ppm厂C。
目前已经开发出多种技术用于提供薄膜体声波谐振器FBAR温度漂移 的补偿。在美国专利US7,408,428，B2中公开了 一种克服FBAR装置温度 漂移的方法。在该文献中，通过向FBAR的结构中增加与FBAR相反温度 系数的温度补偿层，来进行FBAR的温度补偿。这种方法需要对FBAR的 工艺进行改进，增加FBAR制程步骤，而且对补偿层材料的电学及化学性 能要求较高。
美国专利US 10/882,510中，在FBAR附近i丈置一个测量温度的温度传 感器，检测到的温度变化后，根据计算送到一个电压控制器，电压控制器 根据温度的升降，提供与温度？ 1起FBAR的频率漂移相反方向的偏压引起 的频率漂移，从而进行温度补偿。该方法的缺点在于需要为FBAR振荡 器配备专门的温度传感器和相应的传感驱动电路，另外还需电压控制器， 电路复杂，集成实现难度大。
因此，存在对提供FBAR温度漂移补偿的简单方法和电路的需求。
发明内容
本发明提供一种薄膜体声波振荡器(FBAR)的温度漂移补偿方法和 电路，解决了现有的FBAR振荡器，特别是工作在C波段和X波段的FBAR 振荡器因在不同温度下的频率漂移而引起的各种系统误差的问题，提高在 无线通信和质量传感方面的应用效果和产品生产率。
一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法，设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分 别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的 上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数"与频率电压系
数/ 之比为t/。；i，其中f/。为所述的直流稳压源的直流电压，A为电桥的电
阻温度系数的参考值，其正负极性与所应用于的FBAR的频率电压系数的 正负极性有关。
义反映了在所述的电桥的工作电压t/。一定时，电桥的输出电压(向薄
膜体声波振荡器输出)随温度变化的系数。
所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、 第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第 一 电阻和第三电阻相接端点接 所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳 压源的负极，第 一 电阻和第二电阻相接端点通过所述的第 一 高阻抗电阻器 接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述 的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。
所述的电桥在温度为常温r。时输出偏置电压r。=o，在温度为r时输出
的偏置电压r为
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/。为电桥直流供电电压； △r = r - r。为温度变化量；
i ,、 &、 t 3、 A分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四 电阻的阻值；
A、 A2、 4、义4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的 的温度系数，且至少有一个不为0。作为4尤选，所述的^=/ 2 = 7 3=/ 4 , /1, =—A = —A3 =/14 = A-0 。 本发明还提供了 一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿电路，所述的
流稳压源构成，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第 二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声 波振荡器的频率温度系数"与频率电压系数P之比为f/。/i，其中t/。为所述 的直流稳压源的直流电压，义为电桥的电阻温度系数参考值，其正负极性
与所应用于的FBAR的频率电压系数的正负极性有关。
所述的电桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、 第四电阻和第三电阻依次首尾相接成环，第 一电阻和第三电阻相接端点接 所述的直流稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳 压源的负极，第 一 电阻和第二电阻相接端点通过所述的第 一 高阻抗电阻器 接到薄膜体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述 的第二高阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。
所述的电桥在温度为常温r。时输出偏置电压K(^0,在温度为r时输出 的偏置电压r为
—0 、 (i +义,Ar) + (i +义2厶r) — / 3 (i +义3厶r) + (i +义4厶r)
其巾 (9)
—i (i + ;la:t) + _义Ar) i (i — /1Ar) + +义Ar)
简化得
r 仏/iAr (10)综合(2)、 (10)计算得
2 = "0;i (11) 々
选择电桥直流供电电压t/。，电桥中各等效电阻及对应温度系数满足以 上等式，即可实现FBAR振荡器的无偏温度补偿。 一般情况下，FBAR的 频率温度系数为负，电桥供电电压t/。为正。所以，若补偿电路所应用的 FBAR频率电压系数为正，则电桥的电阻温度系数参考值;i为负；反之， 若补偿电路所应用的FBAR频率电压系数为负，则电桥的电阻温度系数参 考值/l为正。电桥中各电阻所选温度系数可据此得出。
本发明薄膜体声波振荡器(FBAR)的温度漂移补偿方法及电路，可 以应用于无线通信、质量传感等多种领域，而无线通信射频前端的双工器、 振荡器、谐振器及其他频率相关组件常常由一组FBAR构成，因此该本发 明振荡电路还包括可操作地连接的两个或多个所述薄膜体声波谐振器。单 一 FBAR振荡器的实现方式有多种，比如，Colpitts结构，共基极结构， 电流重利用交叉耦合结构等等。
本发明具备的有益效果在于对薄膜体声波振荡器(FBAR)由于温 度引起的频率偏差进行了有效补偿，也可以达到完全的无偏补偿，从而克 服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了 FBAR在无线通信和 质量传感方面的应用效果和产品生产率。本发明结构简单，实现方式灵活。
图1是本发明接入FBAR正反馈振荡器的温度漂移补偿电路示意图2是温度导致的FBAR频率漂移示意图3是DC偏压导致的FBAR频率漂移示意图4是对FBAR进行温度补偿过后的频率漂移示意图。
ii
具体实施例方式
薄膜体声波振荡器(FBAR)是一个由压电薄膜层和上、下极板构成 的三明治结构，可被用作振荡器、滤波器、质量传感器等。
FBAR振荡电路一般包括FBAR装置和射频电压源。射频电压源向 FBAR的上电极和下电极施加RF电压，FBAR即产生振荡，其谐振频率 由压电薄膜的厚度确定，计算公式为
, 丄 (1) 2d
其中F为FBAR谐振频率，
v为压电层的声速，
d为压电层的厚度。
图1以一个FBAR的简单振荡电路20为例，整体上由未加温度补偿 电路时的FBAR振荡电路14、温度补偿电路15以及为温度补偿电路15 供电的直流电源7构成。
FBAR振荡电路14由放大器11,耦合电容12和薄膜体声波振荡器 IO构成，温度补偿电路15部分为由第一电阻1、第二电阻2、第四电阻4 和第三电阻3依次首尾相接构成一个电源对称电桥，其中第一电阻1和第 三电阻3相接端点接直流稳压源7正极，第二电阻2和第四电阻4相接端 点接直流电源7负极，第一电阻1和第二电阻2相接于端点5,然后通过 第一高阻抗电阻器8接到FBAR IO的上电极，第四电阻4和第三电阻3 相接于端点6，然后通过第二高阻抗电阻器9接到FBAR 10的下电极。
本实施例中，
薄膜体声波振荡器的频率温度系数"为-18ppm厂C 薄膜体声波振荡器的频率电压系数p为Wppm/V直流稳压源的直流电压f/。为25V
电桥的电阻温度系数;i为-i x io'2;
第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值^、 / 2、 i 3、及4分 别为5K(这里电阻越大，偏置电路的能耗越小，^旦电路面积也会相应增 大，所以根据经验权衡)
第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的的温度系数4、 ^、 4、 义4分别为-1 x 10-2、 1 x l(T2、 lxio-2、 -lxio-2;
薄膜体声波振荡器的频率温度系数"与频率电压系数/ 之比为f/。义， 通过对薄膜体声波振荡器施加DC偏压提供相反方向的频率漂移，以补偿 温度变化导致薄膜体声波振荡器的频率漂移。若温度升高，则FBAR频率 降低，为了补偿频率随温度的漂移，加在FBAR两端的直流补偿电压应该 减小；反之，应该增力口。
参见图2、 3， FBAR具有负的频率温度系数，对于工作在8.5GHz 左右的基于A1N压电薄膜的FBAR,其频率温度系数大约为-18ppm厂C。 图2图解温度对FBAR谐振频率的影响。由图可见，在温度10。C到9(TC 之间，频率随温度的升高而降低，大概成一个线性关系。
对于工作在8.5GHz左右的基于A1N压电薄膜的FBAR，频率电压系 数约为72ppm/V。图3图解偏压对FBAR谐振频率的影响。由图可见，在 40V到40V的直流电压范围内，频率随电压的升高而线性升高。
参见图4,采用本发明方法对薄膜体声波振荡器进行温度漂移补偿， 0 90度范围内，薄膜体声波振荡器的振荡频率随温度变化减小，进行温 度漂移补偿后振荡电路的频率温度系数约为-1.5ppm厂C,有了明显改善， 保证了电路的稳定工作。
1权利要求
1、一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法，其特征在于，设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U0λ，其中U0为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值。
2、 如权利要求1所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的电 桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和 第三电阻依次首尾相接成环，第 一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流 稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负 极，第 一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第 一高阻抗电阻器接到薄膜 体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高 阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。
3、 如权利要求2所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的电桥在温度为常温r。时输出偏置电压r广o,在温度为r时输出的偏置电压r 为k = u r i 2(i + a2Ar)___i 4(i + A4Ar)—0 、(l + ;i,Ar) + i 2(i +义2Ar) w3(i + /L3Ar) + i 4(i + ;i4Ar)其中t/Q为电桥直流供电电压； Ar:r-ro为温度变化量；i ,、 w2、 i 3、 ^分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四 电阻的阻值；A、 ^、义4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的 的温度系数，且至少有一个不为0。
4、 如权利要求3所述的温度漂移补偿方法，其特征在于，所述的i i-及2-7 3-及4 ， A,=—义2 =—义3 =;i4 =;i#o。
5、 一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述直流稳压源构成，所述的电桥的两个输出端分别通过第 一 高阻抗电阻器和 第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体 声波振荡器的频率温度系数"与频率电压系数p之比为"。/i,其中"。为所 述的直流稳压源的直流电压，/1为电桥的电阻温度系数参考值。
6、 如权利要求5所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的电 桥由等效的四个电阻构成，四个电阻中第一电阻、第二电阻、第四电阻和 第三电阻依次首尾相接成环，第 一电阻和第三电阻相接端点接所述的直流 稳压源的正极，第二电阻和第四电阻相接端点接所述的直流稳压源的负 极，第 一电阻和第二电阻相接端点通过所述的第 一 高阻抗电阻器接到薄膜 体声波振荡器的上电极，第三电阻和第四电阻相接端点通过所述的第二高 阻抗电阻器接到薄膜体声波振荡器的下电极。
7、 如权利要求6所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的电桥在温度为常温r。时输出偏置电压^=0，在温度为r时输出的偏置电压r 为<formula>formula see original document page 3</formula>其中C/Q为电4乔直法b供电电压； △『=r-7;为温度变化量；i 2、 i 3、及4分别为电桥中第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四 电阻的阻值；4、 ^、 4、义4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的 的温度系数，且至少有一个不为0。
8、如权利要求7所述的温度漂移补偿电路，其特征在于，所述的《m ， & =—义,=-h;l#o。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜体声波振荡器的温度漂移补偿方法及电路，主要是设置一含温度敏感电阻的电桥以及为所述的电桥供电的直流稳压源，所述的电桥的两个输出端分别通过第一高阻抗电阻器和第二高阻抗电阻器连接薄膜体声波振荡器的上电极和下电极，其中薄膜体声波振荡器的频率温度系数α与频率电压系数β之比为U<sub>0</sub>λ，其中U<sub>0</sub>为所述的直流稳压源的直流电压，λ为电桥的电阻温度系数参考值。本发明对薄膜体声波振荡器(FBAR)由于温度引起的频率偏差进行了有效补偿，也可以达到完全的无偏补偿，从而克服由于温度变化引起的各种系统误差的问题，提高了FBAR在无线通信和质量传感方面的应用效果和产品生产率。本发明结构简单，实现方式灵活。
文档编号H03H9/60GK101594140SQ20091009955
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者张慧金, 程维维, 董树荣, 赵士恒, 雁 韩 申请人:浙江大学