專利名稱：檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用薄膜體聲波諧振器(film-bulk acoustic waveresonator)振蕩器檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
電容壓力傳感器在本領(lǐng)域中是公知的。典型的壓力傳感器包括一個(gè)固定的元件，該固定元件具有形成基本平行的平板電容器的一個(gè)極板的剛性平面導(dǎo)電表面。可移位(相對(duì)于固定元件)導(dǎo)電構(gòu)件(例如金屬膜片)或者鍍膜非導(dǎo)電構(gòu)件(例如金屬化陶瓷膜片)形成該電容器的另一個(gè)極板。
膜片沿邊緣得到支撐，以使中央部分基本平行于固定極板，并且與該固定極板相對(duì)。因?yàn)閭鞲衅饕话憔哂衅桨咫娙萜鞯男问?，所以該傳感器的特征電容C可由下述公式近似C＝(ε*A)/d，其中ε是平行極板之間的材料的介電常數(shù)，A是平行極板的表面積，d表示極板之間的間隔。注意，該特征電容與膜片中央部分和固定元件的導(dǎo)電表面之間的間隔成反比。為了允許在膜片兩側(cè)形成壓力差，膜片一側(cè)的區(qū)域通常與相對(duì)側(cè)的區(qū)域密封開(kāi)。
膜片的彈性被選擇為使膜片兩側(cè)在感興趣的特定范圍內(nèi)的壓力差導(dǎo)致該膜片的中央部分產(chǎn)生位移。這些壓力差所引起的位移導(dǎo)致兩個(gè)電容器極板之間的間隔d產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而使傳感器電容器產(chǎn)生電容變化。為了得到相對(duì)較高的靈敏度，這種傳感器要求響應(yīng)于相對(duì)較小的間隔改變而產(chǎn)生較大的電容改變。
在一種現(xiàn)有方法中，由固定導(dǎo)電表面和膜片形成的傳感器電容器通過(guò)導(dǎo)體被電耦合到振蕩器電路。振蕩器電路一般包括電感器，該電感器與傳感器電容器一起形成儲(chǔ)能電路。該LC儲(chǔ)能電路向振蕩器電路提供參考頻率；振蕩器電路的輸出頻率是儲(chǔ)能電路的諧振頻率的直接函數(shù)。儲(chǔ)能電路的諧振頻率又是電感器的電感L和傳感器電容器的電容C的直接函數(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，簡(jiǎn)單LC儲(chǔ)能電路的諧振頻率(ω0)由下述公式給出ω0=1LC.]]>只要電感器和電容器的值都保持固定，則振蕩器電路的輸出頻率保持恒定。但是，由于傳感器電容器的電容作為施加到膜片的壓力的函數(shù)而變，所以振蕩器電路的輸出頻率也作為所施加的壓力的直接函數(shù)而變。這種配置所產(chǎn)生的信號(hào)的頻率表示出施加到遠(yuǎn)程傳感器的壓力。
利用這種配置的電容壓力傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是振蕩器電路工作的諧振頻率較低。利用這種配置的電容壓力傳感器的另一個(gè)缺點(diǎn)是傳感器電容器和振蕩器電路的制造通常很復(fù)雜。
現(xiàn)有電容壓力傳感器的又一個(gè)缺點(diǎn)是所得到的傳感器電容器和振蕩電路常常體積龐大，空間利用率低。因此，這些現(xiàn)有電容壓力傳感器不能滿足便攜式應(yīng)用或其他緊湊應(yīng)用苛刻的尺寸和空間要求。
基于前述原因，需要克服了上述缺點(diǎn)的裝置和方法，用于檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，描述了利用薄膜體聲波諧振器振蕩器檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)的裝置和方法。包括第一薄膜體聲波諧振器(FBAR)的第一FBAR振蕩器生成第一頻率，其中第一FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)。包括第二薄膜體聲波諧振器(FBAR)的第二FBAR振蕩器生成第二頻率，其中第二FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)。耦合到第一FBAR振蕩器和第二FBAR振蕩器的電路基于第一頻率和第二頻率確定目標(biāo)環(huán)境變量(例如TEV的改變)。


在附圖中示例性而非限制性地示出了本發(fā)明，其中相似的標(biāo)號(hào)表示類似的元素。
圖1根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了利用FBAR振蕩器的目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置。
圖2根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例更詳細(xì)地示出了圖1的目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置的示例性實(shí)現(xiàn)方式。
圖3根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)方式。
圖4根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的第一示例性實(shí)現(xiàn)方式，其中組件形成在第一晶片上。
圖5根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的第二示例性實(shí)現(xiàn)方式，其中組件形成在第二封裝晶片(encapsulating wafer)上。
圖6的流程圖根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了利用FBAR振蕩器檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)的方法。
圖7的流程圖根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了用于制造目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置的方法。
圖8根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了示例性壓力檢測(cè)裝置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明描述了利用薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)的裝置和方法。在下面的描述中，出于解釋目的，闡述了大量具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚，可以在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其他實(shí)例中，以框圖形式示出了公知的結(jié)構(gòu)和器件，以免不必要地混淆了本發(fā)明。
目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置圖1根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了利用FBAR振蕩器110、120的目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置100。目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置100(下文中稱作“TEV檢測(cè)裝置”)受到目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)104(在這里也稱作“目標(biāo)環(huán)境因素(TEF)”)和至少一個(gè)非目標(biāo)環(huán)境變量(NTEV)108(這里也稱作“非目標(biāo)環(huán)境因素(NTEF)”)的影響，目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)104是當(dāng)前正被裝置100檢測(cè)或測(cè)量的變量，而非目標(biāo)環(huán)境變量(NTEV)108可以是不感興趣的或未被檢測(cè)的任何環(huán)境變量。
目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)104可以包括但不限于壓力、溫度、濕度、加速度、振動(dòng)和聲音(例如麥克風(fēng)應(yīng)用)。NTEV 108也可以包括但不限于壓力、溫度、濕度、加速度、振動(dòng)和聲音，只要該變量或因素未被測(cè)量或不對(duì)其感興趣。
TEV檢測(cè)裝置100包括生成第一頻率信號(hào)(f_1)118的第一薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器110、生成第二頻率信號(hào)(f_2)128的第二薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器120、以及信號(hào)處理機(jī)構(gòu)130。第一FBAR振蕩器110包括對(duì)TEV 104的第一響應(yīng)114，第二FBAR振蕩器120包括對(duì)TEV 104的第二響應(yīng)124，該響應(yīng)不同于第一響應(yīng)114。在一個(gè)示例中，TEV 104改變FBAR諧振器的諧振屬性。這些諧振屬性可以包括但不限于諧振的諧振頻率或品質(zhì)因子(Q)。信號(hào)處理機(jī)構(gòu)130基于第一頻率信號(hào)118和第二頻率信號(hào)128生成TEV代表信號(hào)(TRS)138。
在替換實(shí)施例中，信號(hào)處理機(jī)構(gòu)130可以設(shè)置得遠(yuǎn)離第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120。例如，數(shù)字信息可以被調(diào)制到載波上，并傳輸?shù)叫盘?hào)處理機(jī)構(gòu)130。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120并排布置，在后文中將參考圖3對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
注意，第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120被如此配置，以使第一FBAR振蕩器110對(duì)TEV 104的響應(yīng)和第二FBAR振蕩器120對(duì)TEV 104的響應(yīng)不同。換言之，使一個(gè)FBAR(例如第一FBAR振蕩器110)對(duì)TEV 104敏感，而另一個(gè)FBAR(例如第二FBAR振蕩器120)對(duì)TEV 104不敏感，或者在程度或量上不與第一FBAR振蕩器110同樣敏感。
將在下文中更詳細(xì)描述的各種裝置和技術(shù)被用來(lái)使第一FBAR振蕩器110對(duì)TEV 104的響應(yīng)114與第二FBAR振蕩器120對(duì)TEV 104的響應(yīng)124不同。但是，同時(shí)，第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120被配置為使第一FBAR振蕩器110對(duì)非目標(biāo)環(huán)境變量(NTEV)108的響應(yīng)和第二FBAR振蕩器120對(duì)非目標(biāo)環(huán)境變量(NTEV)108的響應(yīng)大約相同。
第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120作為具有共模和差模的差分對(duì)而工作。在共模中，由于第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120彼此接近之類的因素，第一FBAR振蕩器110對(duì)NTEV 108的響應(yīng)和第二FBAR振蕩器120對(duì)NTEV 108的響應(yīng)被消除。換言之，第一FBAR振蕩器110和第二FBAR振蕩器120對(duì)NTEV 108的響應(yīng)的相似之處被抵消掉或消除。在差模中，第一FBAR振蕩器110對(duì)TEV 104的響應(yīng)和第二FBAR振蕩器120對(duì)TEV 104的響應(yīng)之間的差被增強(qiáng)。
TEV檢測(cè)裝置100可以可選地包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)160，其接收作為模擬信號(hào)的TRS 138，然后生成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)(例如數(shù)字TRS信號(hào)139)。
注意，TEV檢測(cè)裝置100可以包括一個(gè)或多個(gè)可以用來(lái)讀取TRS的觸盤(pán)(contact pad)。例如，TEV檢測(cè)裝置100可以包括觸盤(pán)180，可以用來(lái)讀取或者以其他方式訪問(wèn)數(shù)字TRS 139。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以提供另一個(gè)觸盤(pán)(未示出)以用于訪問(wèn)或讀取TRS 138。
TEV檢測(cè)裝置100還可以可選地包括發(fā)射機(jī)170，其通過(guò)無(wú)線鏈路(例如射頻(RF)通信鏈路)將數(shù)字TRS 139發(fā)射到接收機(jī)(未示出)。
TEV檢測(cè)裝置100的示例性實(shí)現(xiàn)方式圖2根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例更詳細(xì)地示出了圖1的目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置100的示例性實(shí)現(xiàn)方式。第一FBAR振蕩器110包括第一FBAR 210和第一增益元件214。第二FBAR振蕩器120包括第二FBAR 220和第二增益元件224。第一增益元件214和第二增益元件224例如可以是雙極型晶體管增益元件或場(chǎng)效應(yīng)晶體管增益元件。在下文中將參考圖3更詳細(xì)地描述第一FBAR 210和第二FBAR 220的示例性實(shí)施例。
信號(hào)處理機(jī)構(gòu)130可以是基于第一頻率信號(hào)(f_1)118和第二頻率信號(hào)(f_2)128生成TEV代表信號(hào)(TRS)138的電路230。電路230例如可以是包絡(luò)檢波器230，其生成頻率和(例如f_1+f_2)及頻率差(例如(Δf)＝f_1-f_2)。電路230可以是生成頻率和及頻率差(Δf)的任何裝置。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一振蕩器110和第二振蕩器120的載波頻率差(Δf)足夠低或者說(shuō)足夠小，以至于可以用廉價(jià)的電子設(shè)備測(cè)出。由于TEV 104的改變而產(chǎn)生拍頻(beat frequency)改變(或差頻改變)，經(jīng)修改的或被敏感化的FBAR(第一FBAR 210或第二FBAR 220)被配置來(lái)檢測(cè)或感測(cè)所述TEV 104的改變。通過(guò)測(cè)量拍頻改變或差頻改變，可以檢測(cè)出TEV 104改變。
其他電路250可以包括將正改變的“拍”頻(由于被測(cè)TEV所致)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路。然后，這些數(shù)字信號(hào)可被讀出到外部電路，直接輸入到處理器(例如計(jì)算機(jī))，或者通過(guò)無(wú)線鏈路(例如通過(guò)RF鏈路)發(fā)射到接收設(shè)備(例如基站或其他接收機(jī))。
第一頻率信號(hào)118在這里也稱作第一FBAR振蕩器110的第一載波頻率信號(hào)118。類似地，第二頻率信號(hào)128在這里也稱作第二FBAR振蕩器120的第二載波頻率信號(hào)128。在一個(gè)實(shí)施例中，第一載波頻率信號(hào)118和第二載波頻率信號(hào)128之間的差(Δf)遠(yuǎn)小于第一載波頻率信號(hào)118或第二載波頻率信號(hào)128。例如，第一頻率118和第二頻率123的差(Δf)可以在第一載波頻率信號(hào)118或第二載波頻率信號(hào)128的約1％到約10％范圍內(nèi)。當(dāng)f_1或f_2大約為2GHz時(shí)，該頻率差(Δf)例如可以為大約2MHz或大約20MHz。
TEV檢測(cè)裝置100的另一個(gè)示例性實(shí)現(xiàn)圖3根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的檢測(cè)裝置100的示例性實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的制造工藝，第一FBAR 320和第二FBAR 340形成在FBAR晶片310上。例如，美國(guó)專利No.6,060,8185,873,153描述了制造FBAR的方法。一般來(lái)說(shuō)，每個(gè)FBAR包括兩個(gè)導(dǎo)體層(例如兩個(gè)金屬層)，其間夾有例如用氮化鋁(AlN)制成的壓電(PZ)層。例如，第一FBAR 320包括底電極326(例如第一導(dǎo)電層)、頂電極322(例如第二導(dǎo)電層)和AlN層324。類似地，第二FBAR 340包括底電極346(例如第一導(dǎo)電層)、頂電極342(例如第二導(dǎo)電層)和壓電(PZ)層344(例如AlN層)。頂電極和底電極可以包括鉬或其他導(dǎo)電材料。
第一FBAR 320和第二FBAR 340在聲學(xué)上與下面的FBAR晶片310隔離開(kāi)。通過(guò)如圖3所示將FBAR諧振器320、340設(shè)置在空腔或氣隙上方，可以實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隔離?；蛘呖梢栽贔BAR諧振器的下面制作聲學(xué)反射器(例如Bragg聲學(xué)反射器)。該聲學(xué)反射器可以用一層或多層材料(例如具有高折射率的固體剛性材料層)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，用交替的高聲速層和低聲速層來(lái)實(shí)現(xiàn)Bragg聲學(xué)反射器。例如，Bragg聲學(xué)反射器可以包括六對(duì)交替的高聲速層和低聲速層。
注意，第二FBAR 340可以具有與第一FBAR 320不同的厚度。這種厚度差可以用來(lái)使FBAR之一對(duì)TEV敏感，而另一個(gè)FBAR對(duì)TEV較不敏感。這種FBAR的厚度差可以通過(guò)對(duì)FBAR之一加載質(zhì)量(massloading)而不對(duì)另一個(gè)FBAR加載質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)示例中，加載質(zhì)量后，第一FBAR具有第一厚度而第二FBAR具有第二厚度。
使一個(gè)FBAR比第二FBAR對(duì)環(huán)境變量更敏感的其它方法包括但不限于改變有源元件的面積來(lái)影響電容負(fù)載或阻抗的改變，改變頂電極、底電極或壓電層的材料密度，應(yīng)用可變電容來(lái)稍微改變或調(diào)整諧振器之一的頻率。
TEV檢測(cè)裝置100可以包括第一增益元件330、第二增益元件350、包絡(luò)檢波器360和其他電路370。在一個(gè)實(shí)施例中，這些制造在FBAR晶片310上的元件(例如320、330、340、350、360和370)可以用第二晶片380封裝。這種覆蓋晶片380對(duì)制造在FBAR晶片310上的晶片進(jìn)行封裝，以保護(hù)那些組件免受破壞。覆蓋晶片(也稱作微覆蓋(microcap))的制造和使用例如在美國(guó)專利No.6,228,675、No.6,265,246和No.6,376,280中作了描述。在本實(shí)施例中，第二晶片380可以與FBAR晶片310分開(kāi)制造。
在替換實(shí)施例中，以這樣的靈活方式制造或制作覆蓋晶片380，以使覆蓋晶片380可以相對(duì)于FBAR諧振器320、340之一或二者變形或移動(dòng)。在這種方式中，外部壓力的改變使FBAR諧振器的諧振頻率改變。換言之，F(xiàn)BAR諧振器的諧振頻率由TEV改變。
并排FBAR振蕩器結(jié)構(gòu)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的TEV檢測(cè)裝置(例如壓力傳感器、麥克風(fēng)、加速度計(jì)或振動(dòng)計(jì))。
由于FBAR諧振器是甚高Q諧振器，因此FBAR諧振器的諧振頻率的基礎(chǔ)相位噪聲(fundamental phase noise)非常低。這一低的基礎(chǔ)相位噪聲允許根據(jù)本發(fā)明的TEV檢測(cè)裝置檢測(cè)非常小的諧振頻率改變，該改變對(duì)應(yīng)于目標(biāo)環(huán)境變量的改變(例如正被測(cè)量的因素的改變)，所述目標(biāo)環(huán)境變量例如是壓力、加速度或其他環(huán)境因素。
具有兩個(gè)并排FBAR振蕩器的實(shí)施例在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的TEV檢測(cè)裝置包括以并排配置方式配置或布置的第一FBAR振蕩器和第二FBAR振蕩器。通過(guò)利用兩個(gè)FBAR振蕩器，不希望的信號(hào)(例如噪聲、由于漂移所致的不希望的影響、其他工藝變量、以及與測(cè)量目標(biāo)環(huán)境變量的測(cè)量不相關(guān)的其他信號(hào)(例如壓力、加速度等))被差分抵消，從而剩下更準(zhǔn)確地代表被測(cè)因素的輸出信號(hào)。
具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了以并排配置方式配置或布置的第一FBAR振蕩器和第二FBAR振蕩器。第一FBAR振蕩器具有第一諧振頻率，第二FBAR振蕩器具有第二諧振頻率。通過(guò)觀測(cè)兩個(gè)振蕩器(例如第一和第二FBAR振蕩器)的拍頻，可以檢測(cè)出目標(biāo)環(huán)境變量。
例如，處于第一FBAR振蕩器的諧振頻率的第一信號(hào)可以與處于第二FBAR振蕩器的諧振頻率的第二信號(hào)混頻，以檢測(cè)TEV的變化。以這種方式，可以檢測(cè)到振蕩器之一(例如第一FBAR振蕩器)的諧振頻率的極小改變。
本實(shí)施例相對(duì)于只包括單個(gè)FBAR振蕩器的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)FBAR振蕩器類似地漂移，使得在來(lái)自這兩個(gè)FBAR的信號(hào)被混頻到一起時(shí)將由于漂移(例如非目標(biāo)環(huán)境變量或因素改變)所導(dǎo)致的任何FBAR諧振頻率的改變以差分方式抵消掉?？梢岳眠@種并排配置抵消掉的漂移類型包括工藝漂移(例如制造時(shí)的工藝變動(dòng)和隨晶片的工藝變動(dòng))和長(zhǎng)期漂移(例如諧振器物理性能惡化或老化)。
在一個(gè)實(shí)施例中，由于并排(例如差分的)振蕩器的近似性，所以二者都觀測(cè)到相同的溫度漂移，并且都觀測(cè)到相同的可能隨管芯、晶片和批次而發(fā)生的工藝變動(dòng)。當(dāng)來(lái)自一對(duì)振蕩器或三個(gè)振蕩器的信息分別被轉(zhuǎn)換為兩個(gè)或三個(gè)拍頻時(shí)，通過(guò)將對(duì)頻率標(biāo)準(zhǔn)的絕對(duì)頻率漂移(或者三個(gè)振蕩器的第三拍頻)相比較，可以提取出兩個(gè)或三個(gè)振蕩器的局部溫度。通過(guò)獲知頻率的溫度系數(shù)(TCF)，然后可以提取出由TEV振蕩器和一個(gè)或多個(gè)相鄰控制振蕩器所觀測(cè)到的局部溫度。
應(yīng)用三個(gè)振蕩器提供的優(yōu)點(diǎn)在于石英諧振器可以用作頻率標(biāo)準(zhǔn)。石英諧振器工作在約5到50MHz。三個(gè)振蕩器可以用來(lái)創(chuàng)建三個(gè)拍頻。一個(gè)拍頻可設(shè)置為接近石英諧振器頻率，另一拍頻可以用來(lái)提取壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，第一振蕩器是TEV振蕩器，并且工作在1.00GHz。第二振蕩器是控制振蕩器，工作在1.02GHz(20MHz偏移)。注意，拍頻包含壓力信息和溫度信息。第三振蕩器設(shè)置為工作在1.07GHz。假定石英參考頻率設(shè)置為50MHz?，F(xiàn)在來(lái)自這三個(gè)振蕩器的拍頻為20MHz，50MHz和70MHz。
在過(guò)濾出50MHz后，70MHz拍頻被與50MHz(即，石英振蕩器生成的頻率標(biāo)準(zhǔn))相比較。當(dāng)頻率改變(Δ_freq)(例如70MHz-50MHz_quartz)從20MHz增加到21MHz時(shí)，確定出溫度已降低。當(dāng)TCF為-100ppm/℃，并且Δ_freq從20增加到21MHz時(shí)，溫度已降低[1MHz/1000MHz/-100ppm/℃＝-10℃]。注意，該計(jì)算可以應(yīng)用校準(zhǔn)點(diǎn)(例如25℃時(shí)諧振器的頻率)。
注意，F(xiàn)BAR振蕩器的并排配置(差分)除了提供關(guān)于TEV的信息外還可以提供關(guān)于溫度的局部信息。該信息可以無(wú)線發(fā)射到遠(yuǎn)程站點(diǎn)，該遠(yuǎn)程站點(diǎn)接著可以使用頻率標(biāo)準(zhǔn)、TCF和在預(yù)定校準(zhǔn)溫度(例如25℃)時(shí)振蕩器的頻率提取出TEV和溫度。
目標(biāo)環(huán)境變量檢測(cè)裝置的第一示例性實(shí)現(xiàn)方式圖4根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的TEV檢測(cè)裝置的第一示例性實(shí)現(xiàn)方式，其中多個(gè)組件形成在第一晶片上。目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置400包括第一晶片410和可選的第二晶片480，其中第一晶片410例如是FBAR晶片，第二晶片480耦合到第一晶片410。例如，可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的晶片對(duì)晶片接合技術(shù)將第一晶片410和第二晶片480耦合到一起。
第二晶片480可以是對(duì)第一晶片410和制造在第一晶片410上的組件進(jìn)行封裝的封裝晶片。例如，第二晶片480可以是微覆蓋晶片。
在第一晶片410上制造有多個(gè)電路組件。這些組件包括但不限于第一FBAR 420、第一增益元件430、第二FBAR 440、第二增益元件450、包絡(luò)檢波器460(例如二極管)和其他電路470。其他電路470可以包括通過(guò)無(wú)線鏈路(例如射頻(RF)通信鏈路)將代表TEV的信號(hào)發(fā)射到接收設(shè)備的電路，或者將模擬TEV代表信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字TEV代表信號(hào)的電路。
目標(biāo)環(huán)境變量檢測(cè)裝置的第二示例性實(shí)現(xiàn)方式圖5根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了圖1的TEV檢測(cè)裝置的第二示例性實(shí)現(xiàn)方式，其中多個(gè)組件形成在第二封裝晶片上。
目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)檢測(cè)裝置500包括第一晶片510和第二晶片580，其中第一晶片510例如是FBAR晶片，第二晶片580耦合到第一晶片510。例如，可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的晶片對(duì)晶片接合技術(shù)將第一晶片510和第二晶片580耦合到一起。第二晶片580可以是對(duì)第一晶片510和制造在第一晶片510上的組件進(jìn)行封裝的封裝晶片。例如，第二晶片580可以是微覆蓋晶片。
在第一晶片510上制造有多個(gè)電路組件。這些組件包括但不限于第一FBAR 520和第二FBAR 440。另外，在第二晶片580上制造有多個(gè)電路組件。這些組件包括但不限于第一增益元件530、第二增益元件550、包絡(luò)檢波器560(例如二極管)和其他電路570。其他電路570可以包括通過(guò)無(wú)線鏈路(例如射頻(RF)通信鏈路)將代表TEV的信號(hào)發(fā)射到接收設(shè)備的電路，或者將模擬TEV代表信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字TEV代表信號(hào)的電路。
利用FBAR振蕩器確定目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)的方法圖6的流程圖根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了利用FBAR振蕩器檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的方法。在步驟610中，包括有第一FBAR的第一薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器被用來(lái)生成第一頻率，其中，第一FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)。在步驟620中，包括有第二FBAR的第二薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器被用來(lái)生成第二頻率，其中，第二FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)。在步驟630中，基于第一頻率和第二頻率檢測(cè)出或確定出目標(biāo)環(huán)境變量。在一個(gè)實(shí)施例中，該確定或檢測(cè)步驟包括測(cè)量目標(biāo)環(huán)境變量或者檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的改變。
制造目標(biāo)環(huán)境變量檢測(cè)裝置的方法圖7的流程圖根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例示出了制造目標(biāo)環(huán)境變量檢測(cè)裝置的方法。在步驟710中，在第一晶片(例如FBAR晶片)上形成第一薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器，其中該振蕩器具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)，并且生成第一頻率。步驟710可以包括在第一晶片中形成第一FBAR的步驟和在第一晶片中形成第一增益元件的步驟。在步驟720中，在第一晶片上形成第二薄膜體聲波諧振器(FBAR)振蕩器，其中該振蕩器具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)，并且生成第二頻率。步驟720可以包括在第一晶片中形成第二FBAR的步驟和在第一晶片中形成第二增益元件的步驟。注意，第一和第二增益元件也可以形成在第二晶片上(例如微覆蓋晶片)。然后，可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)將第二晶片接合到第一晶片。在步驟730中，形成這樣的電路，該電路接收第一頻率和第二頻率，并且生成代表目標(biāo)環(huán)境變量的差頻。例如，在步驟730中形成的電路可以形成在FBAR晶片上或在微覆蓋晶片上。注意，還可以包括其他處理步驟，例如封裝第一晶片(例如形成微覆蓋晶片并將該微覆蓋晶片接合到FBAR晶片)、形成其他電路(例如包絡(luò)檢波器360、發(fā)射機(jī)以及其他電路370)。
示例性壓力檢測(cè)裝置800圖8根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例圖示了示例性壓力檢測(cè)裝置800。壓力檢測(cè)裝置800包括一對(duì)差分FBAR，即第一FBAR 810和第二FBAR 820。壓力檢測(cè)裝置800包括第一晶片830(例如FBAR晶片或襯底)和第二晶片840(例如封裝晶片或微覆蓋晶片)，其中FBAR 810和820形成在第一晶片830上。第一FBAR 810包括游泳池(swimming pool)812、第一電極814(下文也稱作“第一FBAR的底電極”)、壓電(PZ)層816和第二電極818(下文也稱作“第一FBAR的頂電極”)。第二FBAR 820包括游泳池822、第一電極824(下文也稱作“第二FBAR的底電極”)、壓電(PZ)層826和第二電極828(下文也稱作“第二FBAR的頂電極”)。
第一FBAR 810由微覆蓋晶片840封裝，從而不暴露于大氣。第二FBAR 820暴露于大氣，以便檢測(cè)壓力改變。例如，設(shè)置在第二FBAR 820上方的微覆蓋晶片840的一部分向上對(duì)大氣開(kāi)口。
從而，這兩個(gè)振蕩器產(chǎn)生差頻。在一個(gè)實(shí)施例中，這兩個(gè)振蕩器工作在約2GHz的工作頻率，差頻大約為2MHz或者約為工作頻率的1/1000(即，差頻等于工作頻率除以一個(gè)因子，例如1000)。
在一個(gè)實(shí)施例中，相對(duì)于FBAR 810、820之一或二者形成平行電容器。在本示例中，相對(duì)于第二FBAR 820形成平行電容器。注意，平行電容器可以相對(duì)于暴露于大氣的FBAR(例如第二FBAR 820)、相對(duì)于不暴露于大氣的FBAR(例如第一FBAR 810)或相對(duì)于FBAR 810和820二者形成。
一種實(shí)現(xiàn)平行電容器的示例性方式是在游泳池822的底部添加或形成第三電極850(例如用導(dǎo)電材料制成的電極)，并且將該第三電極850通過(guò)導(dǎo)電路徑854耦合到第二FBAR的頂電極828。這樣，頂電極828電耦合到第三電極850來(lái)實(shí)現(xiàn)平行電容器。以類似的方式，第三電極860(例如用導(dǎo)電材料制成的電極)可以可選地形成在游泳池812的底部，并且第三電極860可以可選地通過(guò)導(dǎo)電路徑864耦合到第一FBAR的頂電極818。這樣，頂電極818電耦合到第三電極860來(lái)實(shí)現(xiàn)第一FBAR 810中的平行電容器。
隨著底電極824、壓電(PZ)層826和頂電極828(下文中總稱為“膜片”870)響應(yīng)于壓力改變而移動(dòng)，平行電容也改變。例如，圖8示出了壓力814可以如何使膜片870撓曲或彎曲，從而導(dǎo)致平行電容改變。該電容改變導(dǎo)致受該壓力影響的第二FBAR 820(例如暴露于大氣或向上對(duì)大氣開(kāi)口的FBAR)的頻率改變。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，TEV檢測(cè)設(shè)備還包括低功率無(wú)線電設(shè)備。注意，可以利用與用來(lái)制造至少應(yīng)用一個(gè)FBAR振蕩器的TEV檢測(cè)裝置的制作工藝相同的制作工藝來(lái)制造低功率無(wú)線電設(shè)備(例如低功率發(fā)射機(jī))。通過(guò)將低功率無(wú)線電設(shè)備與TEV檢測(cè)裝置集成，可以利用查詢?cè)O(shè)備遠(yuǎn)程查詢根據(jù)本發(fā)明的TEV檢測(cè)裝置。在響應(yīng)中，TEV檢測(cè)裝置可以將TEV代表信號(hào)(TRS)(例如所檢測(cè)到的頻率漂移)發(fā)射給該查詢?cè)O(shè)備。由于FBAR無(wú)線電設(shè)備相對(duì)緊湊，并且應(yīng)用FBAR振蕩器的TEV檢測(cè)裝置也相對(duì)緊湊，所以根據(jù)本發(fā)明的無(wú)線電設(shè)備和測(cè)量設(shè)備的整個(gè)外封裝(package)也相對(duì)緊湊。
根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用FBAR振蕩器的TEV檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)在其中要求精確可靠的環(huán)境變量測(cè)量的各種不同的客戶應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用和軍事應(yīng)用中。這些應(yīng)用包括汽車氣囊和安全應(yīng)用、汽車安全性應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用、電子剎車系統(tǒng)、精密導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備穩(wěn)定性補(bǔ)償、生理監(jiān)控(醫(yī)學(xué)儀器/診斷設(shè)備)以及天線系統(tǒng)的穩(wěn)定/傾斜校正。
在前述說(shuō)明中，已參考本發(fā)明的特定實(shí)施例描述了本發(fā)明。但是，應(yīng)當(dāng)清楚，在不脫離本發(fā)明的更廣范圍的情況下，可以對(duì)其作出各種修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為說(shuō)明書(shū)和附圖是說(shuō)明性的，而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的裝置，包括第一薄膜體聲波諧振器振蕩器，其包括具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)的第一薄膜體聲波諧振器，其中所述第一薄膜體聲波諧振器振蕩器生成第一頻率；第二薄膜體聲波諧振器振蕩器，其包括具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)的第二薄膜體聲波諧振器，其中所述第二薄膜體聲波諧振器振蕩器生成第二頻率；以及電路，其基于所述第一頻率和所述第二頻率檢測(cè)所述目標(biāo)環(huán)境變量的改變。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一薄膜體聲波諧振器振蕩器和所述第二薄膜體聲波諧振器振蕩器檢測(cè)所述第一薄膜體聲波諧振器對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的響應(yīng)和所述第二薄膜體聲波諧振器對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的響應(yīng)的差，并且消除影響所述第一薄膜體聲波諧振器和所述第二薄膜體聲波諧振器的非目標(biāo)環(huán)境變量所導(dǎo)致的對(duì)所述第一薄膜體聲波諧振器的響應(yīng)和所述第二薄膜體聲波諧振器的響應(yīng)的影響。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述電路測(cè)量所述第一頻率和所述第二頻率之間的差。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一薄膜體聲波諧振器包括薄膜體聲波諧振器晶片；形成在所述薄膜體聲波諧振器晶片中并包括一個(gè)表面的聲學(xué)反射器；形成在所述聲學(xué)反射器的表面上的第一電極，其中所述第一電極包括一個(gè)表面；形成在所述第一電極的表面上的壓電層，其中所述壓電層包括一個(gè)表面；以及形成在所述壓電層的表面上的第二電極。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第二薄膜體聲波諧振器包括形成在所述薄膜體聲波諧振器晶片中并且包括一個(gè)表面的第二聲學(xué)反射器；形成在所述第二聲學(xué)反射器的表面上的第三電極，其中所述第三電極包括一個(gè)表面；形成在所述第三電極的表面上的第二壓電層，其中該壓電層包括一個(gè)表面；以及形成在所述第二壓電層的表面上的第四電極。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一薄膜體聲波諧振器和所述第二薄膜體聲波諧振器利用不同的加載質(zhì)量制造，其中所述不同的制造導(dǎo)致所述第一薄膜體聲波諧振器和所述第二薄膜體聲波諧振器對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量作出不同的響應(yīng)，并且生成由所述加載質(zhì)量控制的偏移頻率。
7.一種用于檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量的方法，包括利用包括第一薄膜體聲波諧振器的薄膜體聲波諧振器振蕩器生成第一頻率，其中所述第一薄膜體聲波諧振器具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)；利用包括第二薄膜體聲波諧振器的薄膜體聲波諧振器振蕩器生成第二頻率，其中所述第二薄膜體聲波諧振器具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)；以及基于所述第一頻率和所述第二頻率檢測(cè)所述目標(biāo)環(huán)境變量的改變。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括應(yīng)用所述第一薄膜體聲波諧振器振蕩器和所述第二薄膜體聲波諧振器振蕩器來(lái)檢測(cè)所述第一薄膜體聲波諧振器對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的響應(yīng)和所述第二薄膜體聲波諧振器對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的響應(yīng)的差，并且消除影響所述第一薄膜體聲波諧振器和所述第二薄膜體聲波諧振器的非目標(biāo)環(huán)境變量所導(dǎo)致的對(duì)所述第一薄膜體聲波諧振器的響應(yīng)和所述第二薄膜體聲波諧振器的響應(yīng)的共模影響。
9.一種用于制造目標(biāo)環(huán)境變量檢測(cè)裝置的方法，包括在第一晶片上形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)的第一薄膜體聲波諧振器振蕩器，以生成第一頻率；在所述第一晶片上形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)的第二薄膜體聲波諧振器振蕩器，以生成第二頻率；以及形成接收所述第一頻率和所述第二頻率并且生成代表所述目標(biāo)環(huán)境變量的頻率差的電路。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在第一晶片上形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)的第一薄膜體聲波諧振器振蕩器以生成第一頻率的步驟包括形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)的第一薄膜體聲波諧振器；以及形成耦合到所述第一薄膜體聲波諧振器的第一增益元件。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，在第一晶片上形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)的第二薄膜體聲波諧振器振蕩器以生成第二頻率的步驟包括形成具有對(duì)所述目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)的第二薄膜體聲波諧振器；以及形成耦合到所述第二薄膜體聲波諧振器的第二增益元件。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括形成微覆蓋晶片；以及將所述微覆蓋晶片接合到所述第一晶片。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括下述步驟用封裝晶片對(duì)所述第一晶片進(jìn)行封裝。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第一增益元件、所述第二增益元件和所述生成頻率差的電路中的至少一個(gè)形成在所述封裝晶片上。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，用封裝晶片對(duì)所述第一晶片進(jìn)行封裝的步驟包括形成微覆蓋晶片；以及將所述微覆蓋晶片接合到所述第一晶片。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述目標(biāo)環(huán)境變量包括壓力、加速度、溫度、濕度和其他環(huán)境變量之一。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于檢測(cè)目標(biāo)環(huán)境變量(TEV)的裝置和方法。包括第一薄膜體聲波諧振器(FBAR)的第一FBAR振蕩器生成第一頻率，其中第一FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第一響應(yīng)。包括第二薄膜體聲波諧振器(FBAR)的第二FBAR振蕩器生成第二頻率，其中第二FBAR具有對(duì)目標(biāo)環(huán)境變量的第二響應(yīng)。耦合到第一FBAR振蕩器和第二FBAR振蕩器的電路基于第一頻率和第二頻率確定目標(biāo)環(huán)境變量(例如TEV的改變)。
文檔編號(hào)G01D5/00GK1854689SQ20051012430
公開(kāi)日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者理查德·C·魯比, 格雷厄姆·M·弗勞爾, 約翰·D·拉森三世, 馬克·A·安奎茨 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司