專利名稱：聲波諧振器及在溫度變化時運(yùn)行其以保持諧振的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般地說本發(fā)明涉及聲波諧振器，更具體地說涉及控制該聲波諧振器的諧振頻率的方法。
背景技術(shù)：
由薄膜形成的聲波諧振器應(yīng)用在要求精確地控制頻率的許多應(yīng)用場合中。薄膜體聲波諧振器(FBAR)或?qū)盈B薄膜體聲波諧振器(SBAR)都可以用作在蜂窩電話或其它裝置中作為濾波器，在這些裝置中尺寸、成本和頻率穩(wěn)定性都是重要的因素。
FBAR包括在兩個導(dǎo)電電極之間的壓電材料的薄膜，同時SBAR還包括壓電材料的附加層，每個層將兩個電極分開。雖然固定安裝的諧振器是公知的，但是通常還是通過周邊支撐該層將FBAR或SBAR的有效層懸浮在空氣中。在疊層的兩側(cè)空氣/諧振器的界面部分地俘獲在操作的過程中產(chǎn)生的能量。
當(dāng)通過在由壓電層間隔開的兩個電極之間施加信號產(chǎn)生時變的電場時，壓電材料將一些電能轉(zhuǎn)換為以聲波形式的機(jī)械能量。聲波在與電場相同的方向上傳播并在空氣/諧振器界面上反射。為了正確地制造FBAR或SBAR，聲波具有特定的機(jī)械諧振。
如上文所示，由于當(dāng)FBAR或SBAR在其機(jī)械諧振頻率運(yùn)行時它可以起電諧振器的作用，因此它可以用作濾波器。在這種機(jī)械諧振頻率上，對于在壓電材料中的聲的給定的相位速度，穿過諧振器的聲波的半波長大致等于諧振器的總的厚度。聲波諧振器可以獨(dú)立使用或組合使用。例如，通過電連接幾個諧振器形成帶通濾波器來提供所需的濾波響應(yīng)。有幾種濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是可能的。一種有利的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半梯狀結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中諧振器串聯(lián)連接(串聯(lián)諧振器)，并在串聯(lián)諧振器中間是接地的并聯(lián)諧振器。在制造串聯(lián)諧振器時使其諧振頻率大致高于并聯(lián)諧振器的3％。由于可以使串聯(lián)和并聯(lián)的諧振器的壓電層的厚度相同，因此通過在諧振器之間“共享”壓電沉積層。
已經(jīng)證明聲波諧振器的重要特性是它能夠保持諧振。由于如果溫度的變化(ΔT)導(dǎo)致了諧振器的一個或多個層的波速的變化(ΔV)和/或厚度的變化(Δt)則產(chǎn)生頻移(Δf)，因此當(dāng)將聲波諧振器放置在溫度有變化的環(huán)境中時，已經(jīng)證明存在問題。具體地說，諧振頻率f0和頻率的溫度系數(shù)分別定義如下f0＝V/2t0(1)Δf/f0＝ΔV/V-Δt/t0(2)這里V是穿過聲波諧振器的聲波的速度，t0是諧振器的厚度。根據(jù)聲波的波長如下定義厚度t0＝λ/2 (3)這里λ是聲波在它所穿過的介質(zhì)中的聲波的波長。在用于制造諧振器的材料中，厚度t0通常隨著正的溫度變化ΔT而增加。在另一方面，穿過材料的波的速度通常隨著正的溫度變化而降低。這兩個系數(shù)相結(jié)合以形成一種稱為負(fù)頻率溫度系數(shù)的現(xiàn)象。從等式(1)和(2)中可知，聲波諧振器的諧振頻率f0通常隨著溫度的增加而降低。這種諧振波動通常是一種不理想的特性。
補(bǔ)償溫度的變化的一種公知的方法是并入頻率穩(wěn)定電路。然而，蜂窩電話以及類似的裝置的有限的空間限制了輔助電路的使用。在題為“Thin Film Resonators and Filters”(K.M.Lakin著，1999IEEE Ultrasonics Symposium June 1，1999)的論文中描述了另一種方法。這第二種方法應(yīng)用于固體安裝的諧振器(SMR)，該諧振器沿著支撐表面安裝而不是通過外圍支撐從支撐表面懸掛。通過SMR和基片之間形成反射體(通常為Bragg反射體)來實(shí)現(xiàn)在SMR和在其間形成諧振器的基片之間的聲隔離。反射體是一種具有高指數(shù)和低指數(shù)的材料的交替的疊層，每層的厚度大約為SMR的諧振頻率的波長的四分之一。根據(jù)第二種方法，如果應(yīng)用二氧化硅(SiO2)來形成一特定指數(shù)的層，將根據(jù)SiO2的溫度系數(shù)的結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。然而，存在的問題是SiO2是親水性的，因此SMR的性能可以受到潮濕的大氣的損害。另一個問題是由于SiO2是作為四分之一波長層形成，因此目標(biāo)諧振頻率部分地確定了補(bǔ)償水平。
因此需要一種聲波諧振器和應(yīng)用該聲波諧振器的方法以在溫度變化時保持諧振。

發(fā)明內(nèi)容
一種聲波諧振器包括具有負(fù)頻率溫度系數(shù)的電極壓電疊層，通過將補(bǔ)償器聲耦合到電極壓電疊層來至少部分地補(bǔ)償該疊層。該補(bǔ)償器由這樣的一種材料形成，該材料具有使補(bǔ)償器抵消溫度引起效應(yīng)對諧振的作用的特性，在此通過溫度變化將這種作用感應(yīng)到電極壓電疊層。
在一個實(shí)施例中，補(bǔ)償器是由鐵磁材料形成。在更為可取的實(shí)施例中，該材料是鎳鐵合金，在一種最為可取的實(shí)施例中該合金由大約35％的鎳和大約65％的鐵組成。該補(bǔ)償器應(yīng)該具有正頻率系數(shù)。作為采用補(bǔ)償器的結(jié)果，選擇補(bǔ)償器的厚度以使對諧振作用的溫度引起效應(yīng)的幅值等于電極壓電疊層的負(fù)頻率溫度系數(shù)對諧振的溫度引起效應(yīng)的幅值。作為一種實(shí)例，如果鎳鐵合金補(bǔ)償器的厚度為3320埃，并且該疊層包括在厚度為15,200埃的鋁氮層的對面上的厚度為1100埃的鉬電極，則相信可以實(shí)現(xiàn)0ppm/℃的復(fù)合系數(shù)。
鐵磁材料具有的缺點(diǎn)是在微波頻率上具有較大的電極損耗。為防止這一點(diǎn)，應(yīng)用鉬鍍層(flash layer)來包圍鐵磁合金并轉(zhuǎn)移在其周圍的電流。例如，可以在與電極壓電疊層相對的補(bǔ)償器的一側(cè)上形成鉬薄層(例如，200埃)。雖然可以應(yīng)用其它的材料，但是在一優(yōu)選實(shí)施例中其鍍層材料與電極材料相同。
進(jìn)一步參考優(yōu)選實(shí)施例，補(bǔ)償器和電極壓電疊層都懸浮在基片的表面上。因此，它不需要包括Bragg反射體或其它的機(jī)構(gòu)以使諧振層與基片接觸。
相對于已有的通過電極壓電疊層通常所具有的負(fù)頻率溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的補(bǔ)償器的厚度是獨(dú)立于所需的目標(biāo)諧振頻率的波長。這就是說，不是選擇等于在Bragg反射器內(nèi)的四分之一波長層的厚度，而是可以選擇補(bǔ)償器的厚度以適應(yīng)補(bǔ)償器的補(bǔ)償能力。本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償器由金屬形成，因此電極的電阻并不嚴(yán)重受到影響。然而另一個優(yōu)點(diǎn)是可以應(yīng)用與常規(guī)的用于構(gòu)造電極的相同的濕蝕刻來蝕刻優(yōu)選的鎳鐵合金。此外，補(bǔ)償器不是親水性的，因此它不會在潮濕的環(huán)境中受到損害。


附圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的聲波諧振器的側(cè)面剖視圖；附圖2所示為在附圖1中所示的連接到電壓源的聲波諧振器的側(cè)面剖視圖；附圖3所示為依據(jù)本發(fā)明在晶片上形成在附圖1所示的聲波諧振器的側(cè)面剖視圖；以及附圖4所示為依據(jù)本發(fā)明的變型實(shí)施例在附圖3中所示的聲波諧振器的側(cè)面剖視圖。
發(fā)明實(shí)施方式參考附圖1，聲波諧振器10的實(shí)例性的實(shí)施例包括一對相對的電極12和14。在正對的電極12和14之間是形成電極壓電疊層18的壓電體16。疊層18通常稱為薄膜體聲波諧振器(FBAR)。
在疊層18附近設(shè)置補(bǔ)償器殼體20，該補(bǔ)償器殼體20有利于在溫度變化時穩(wěn)定聲波諧振器10的諧振頻率。這可以通過從具有正頻率溫度系數(shù)的一種或多種材料形成補(bǔ)償器殼體20來實(shí)現(xiàn)。正頻率溫度系數(shù)補(bǔ)償形成電極壓電疊層18的材料的負(fù)頻率溫度系數(shù)。
通常，壓電體18由能夠提供合理的更高的電機(jī)耦合常數(shù)和較低的介電常數(shù)的任何壓電材料形成?？梢詰?yīng)用的電介質(zhì)材料的實(shí)例有ZnO、AIN和鋯鈦酸鉛。電極12和14由導(dǎo)電材料構(gòu)成，比如鋁、金、鉬、鈦、鎢等。形成壓電體18和電極12和14的材料的特性隨溫度的變化而改變。這就導(dǎo)致諧振器10的諧振頻率隨著溫度的增加而降低。具體地說，這些材料的速度特性隨著溫度的增加而降低，因此穿過疊層的聲波的速度降低。此外，該材料的厚度隨著溫度增加而增加。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在諧振中對溫度的變化起主要作用的是形成疊層的材料的速度特性的變化。因此，選擇補(bǔ)償器殼體20以得到一種速度特性，這種速度特性隨著溫度的變化正向地變化。因此，可取地是由基本為大致35％的鎳和65％的鐵的金屬合金形成補(bǔ)償器殼體20。這種合金是由International Nickel Company公司以INVAR的商標(biāo)出售的。這種合金形成了相對于溫度的變化厚度基本恒定的層。然而，速度特性隨著溫度的變化而進(jìn)行正變化。在題為“Zero Sound Anomalyin a Ferromagnetic INVAR Alloy(INVAR合金中零聲音異常)”(由Endoh等人著，Journal of the Physical Society of Japan，Vol.46，No.3，1979年3月，第806-814頁)的論文中，給出的數(shù)據(jù)表明INVAR具有的+170ppm/℃的頻率的溫度系數(shù)。作為對比，在LIManosa等人的題為“Acoustic-mode Vibrational AnharmonicityRelated to the Anomalous Thermal Expansion of INVAR IronAlloys(INVAR鐵合金的異常熱擴(kuò)散有關(guān)的聲波模式振動非諧性)”(Physical Review B，The American Physical Society，Volume45，No.5,1 1992年二月，第2224-2236)所給出的數(shù)據(jù)中表明INVAR的頻率的溫度系數(shù)大致為+239ppm/℃。通過適當(dāng)選擇補(bǔ)償器殼體20的厚度，可以形成基本等于零的復(fù)合的頻率溫度系數(shù)的諧振器10?？商鎿Q的是，可以將頻率的復(fù)合溫度系數(shù)的幅值設(shè)置為正或負(fù)值，因此諧振的變化與溫度的變化成正比例或反比例。在這種方式中，根據(jù)具體的應(yīng)用，諧振器10可以實(shí)際上具有任何所需的頻率的熱系數(shù)。
參考附圖12，電壓源22連接在電極12和14之間。通過電壓源22在電極12和14之間產(chǎn)生的電場在壓電體16內(nèi)產(chǎn)生聲波24。聲波在平面26和28之間傳播。平面26表示補(bǔ)償器殼體20和周邊環(huán)境的交界面。平面28表示電極14和周邊環(huán)境的交界面。
如上文所指出，聲波諧振器的每個層都具有隨著溫度變化的波速(V)和厚度(t)。還可以知道在聲波諧振器內(nèi)在平面26和28之間傳播的聲波的相位(φ)以聲波諧振器的頻率的函數(shù)進(jìn)行變化。具體地說，在附圖1和2的諧振器10內(nèi)傳播的聲波的相位是φ＝2πf(t1/V1+t2/V2+t3/V3+t4/V4)(4)這里t1和V1是關(guān)于底部電極14的特性，t2和V2是關(guān)于壓電體16的特性，t3和V3是關(guān)于頂部電極12的特性，t4和V4是關(guān)于補(bǔ)償器殼體20的特性。當(dāng)φ＝π并在等式(4)中的括弧內(nèi)的系數(shù)之總和固定時實(shí)現(xiàn)頻率的穩(wěn)定。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過使第四個系數(shù)(即，t4/V4)與其它的三個系數(shù)之和(即，t1/V1+t2/V2+t3/V3)反比例地變化來保持這個總和基本固定。
隨著諧振器10的溫度的增加，在壓電體16中的聲波24的速度V2降低而厚度t2增加。此外，當(dāng)聲波在電極12和14之間傳播時聲波速度如V1和V3所示分別降低而厚度t1和t3增加。然而，通過補(bǔ)償器殼體20補(bǔ)償所降低的聲波的速度。具體地說在補(bǔ)償器殼體20中的聲波的速度V4隨著溫度的增加而增加。如果在補(bǔ)償器殼體中的溫度引起的變化幅值等于在電極壓電疊層中的這種變化的幅值，則在平面26和28之間傳播的聲波的總的相位φ中將不存在明顯的變化。因此，在溫度出現(xiàn)變化時仍然維持諧振器10的諧振頻率。
參考附圖3，在特定的實(shí)施例中，應(yīng)用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝制造諧振器110。因此將諧振器110制造在硅晶片130上，該硅晶片130具有一個經(jīng)蝕刻而形成腔132的表面。這通常應(yīng)用KOH來除去幾微米的硅來實(shí)現(xiàn)，在此稱其為預(yù)開槽。選擇通過KOH除去的硅的量以避免在隨后的處理中對晶片130的結(jié)構(gòu)損失。將含磷的硅酸鹽玻璃134淀積在該腔體中并通過公知的機(jī)械裝置磨平。在美國專利US6,060,181(Ruby等人，轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人)中描述了淀積和隨后的除去玻璃的過程。
在腔體132中形成玻璃134之后，將一個電極114設(shè)置在晶片130的表面上。在本實(shí)例中，應(yīng)用濺射電極技術(shù)以形成大約1100埃厚度的鉬層來制造電極114。這就得到了具有大約-45ppm/℃的負(fù)頻率熱系數(shù)的電極114。
通過在電極114附近淀積一層厚度大約為15200埃的AIN 116來形成壓電體。這就產(chǎn)生了具有大約-25ppm/℃的負(fù)頻率熱系數(shù)的電極114。
然后將也是由鉬形成的附加電極112淀積在AIN層116附近并淀積到大約1100埃。應(yīng)用濺射淀積技術(shù)在電極112附近形成補(bǔ)償器殼體120并形成到大約3320埃的厚度。補(bǔ)償器殼體具有大約170ppm/℃的正頻率溫度系數(shù)。在制造的過程中，對元件112、116和120的邊沿進(jìn)行光刻蝕刻以使其彼此一致并與腔體132的邊沿重合。因此，懸浮疊層的所有的點(diǎn)都具有相同的諧振頻率f0。結(jié)果，可以防止由空間質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)產(chǎn)生的接近的寄生諧振。
在淀積電極112和補(bǔ)償器殼體120之后，在諧振器結(jié)構(gòu)中蝕刻含磷的硅酸鹽玻璃134以完成腔體132的構(gòu)造。這可以通過應(yīng)用稀的氫氟酸溶液實(shí)現(xiàn)。除去剩余的玻璃部分后剩下電極114堅固的部分，因此將諧振器10與晶片130間隔開。
這樣，形成了具有大約0 ppm/℃的頻率溫度系數(shù)的諧振器110。因此，對于在-30℃到85℃的范圍中的溫度變化，在本實(shí)例中可以制造諧振器110以保持在大約1.9GHz的恒定的諧振頻率。應(yīng)用這種技術(shù)以形成從0.4至10GHz任何頻率的諧振器。
參考附圖4，所示的諧振器210的另一個實(shí)施例包括覆蓋補(bǔ)償器殼體220的鍍層230。形成補(bǔ)償器220的優(yōu)選的材料是鐵磁材料，這種材料具有較大的電損耗。這種損耗降低了諧振器的質(zhì)量因子并且是有害的。包括鍍層230以在補(bǔ)償器殼體220周圍形成較低損耗電流通路。鍍層230覆蓋補(bǔ)償器殼體220所暴露的區(qū)域即沒有設(shè)置在電極212附近的區(qū)域。雖然鍍層230可以由任何導(dǎo)電材料形成，但是鍍層230優(yōu)選由與電極212和214相同的材料形成。對鍍層進(jìn)行光刻蝕刻構(gòu)圖以使在電極212的邊沿上的鍍層230的外部質(zhì)量在硅基片232之上。這能夠有效地阻止任何寄生諧振。
鍍層230和電極212和214都由Mo形成并且每個的厚度大約1100埃。壓電體216由具有大約-25ppm/℃的負(fù)頻率熱系數(shù)的AIN形成。因此，理想的是如果諧振器210具有大約0ppm/℃的頻率溫度系數(shù)，則補(bǔ)償器殼體220必須具有足夠的厚度以提供偏移的正頻率溫度系數(shù)。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，硅晶片232的諧振器210將使諧振器具有在200MHz至10GHz范圍內(nèi)所選擇的恒定的諧振頻率，并可承受在-30℃至85℃的溫度變化。
從前文的描述和附圖中可看出本發(fā)明的各種改型對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員是顯然的。例如，上文的討論涉及FBAR技術(shù)。然而，本發(fā)明可等效地應(yīng)用到SBAR技術(shù)。此外，已示出的補(bǔ)償器殼體是在與基片相對著的電極壓電疊層的側(cè)面上。但是補(bǔ)償器殼體還可以直接形成在基片上或與該基片相接觸的鍍層上。因此，本發(fā)明并不限于上文所描述的示例性的說明，而是由附加的權(quán)利要求及其等效權(quán)利要求的整個范圍來確定。
權(quán)利要求
1.一種聲波諧振器(10；110；210)，包括基片(130；和232)；和疊層(18)，將該疊層集成到所說的基片以使所說的疊層包括懸浮區(qū)域，所說的懸浮區(qū)域包括壓電體(16；116和216)和電極(12和14；112和114；和212和214)，設(shè)置所說壓電體和電極以將電場施加到在所說的壓電體中，所說的壓電體和電極具有一定的諧振頻率和負(fù)頻率溫度系數(shù)；以及補(bǔ)償器(20；120和220)，該補(bǔ)償器聲耦合到所說的壓電體和電極，所說的補(bǔ)償器殼體由具有這樣的特性的材料制成通過該特性所說的補(bǔ)償器至少部分地補(bǔ)償對于所說的諧振的溫度所引起的效應(yīng)，其中所說的溫度引起的效應(yīng)是所說的負(fù)頻率溫度系數(shù)的函數(shù)。
2.權(quán)利要求1所述的聲波諧振器，其中所說的補(bǔ)償器(20；120和220)是鐵磁層，并通過所說的電極(12；112；和212)中的一個電極將其與壓電體(16；116；和216)間隔開，所說的鐵磁層具有相關(guān)的正頻率溫度系數(shù)。
3.權(quán)利要求1或2所述的聲波諧振器，其中所說的疊層(18)包括與所說的基片相接觸的周圍區(qū)域以支撐所說的懸浮區(qū)域，所說的補(bǔ)償器(20；120和220)是一層鎳鐵合金。
4.權(quán)利要求1所述的聲波諧振器，其中所說的疊層進(jìn)一步包括在所說的補(bǔ)償器(220)的一側(cè)上與所說的電極(212和214)和所說的壓電體(216)相對的金屬鍍層(230)。
5.權(quán)利要求1、2、3或4所述的聲波諧振器，其中所說的疊層(18)是薄膜體型諧振器(FBAR)疊層。
6.權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的聲波諧振器，其中所說的補(bǔ)償器(20；120和220)是由具有正頻率溫度系數(shù)的材料形成并具有一定的厚度以使由所說的補(bǔ)償器在對所說的諧振作用感應(yīng)的溫度的幅值類似于作為所說的負(fù)頻率溫度系數(shù)的函數(shù)對所說的諧振作用的所說的溫度感應(yīng)的幅值。
7.權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的聲波諧振器，其中所說的基片(130；和132)是硅基片，以及其中所說的電極(12和14；112和114；和212和214)和補(bǔ)償器(20；120和220)都是金屬層。
8.一種制造聲波諧振器(10；110和210)的方法，包括如下的步驟提供基片(130；和232)；和在所說的基片上形成隔膜以使至少一部分所說的隔膜與基片懸浮接觸，該隔膜包括(a)形成具有負(fù)頻率溫度系數(shù)的電極壓電疊層(18)，和(b)在所說的電極壓電疊層附近形成補(bǔ)償器層(20；120和220)，包括選擇具有正頻率溫度系數(shù)的材料。
9.權(quán)利要求8所述的方法，其中包括選擇所說的材料的所說的步驟(b)包括選擇鎳鐵合金。
10.權(quán)利要求8或9的方法，其中所說的步驟(b)包括選擇這樣的厚度的層使通過運(yùn)行所說的電極壓電疊層(18)對諧振作用的溫度引起效應(yīng)幅值與作為所說的補(bǔ)償器層(20；120和220)的結(jié)果對所說的諧振作用的溫度引起效應(yīng)幅值相匹配。
11.權(quán)利要求8、9或10的方法，其中所說的形成所說的隔膜的步驟進(jìn)一步包括(c)在與所說的電極壓電疊層(18)相對的所說的補(bǔ)償器層(20；120；和220)的一側(cè)上形成金屬鍍層(230)。
全文摘要
聲諧振器(10;110;和210)包括至少部分地補(bǔ)償通過電極壓電疊層(18)引入的溫度感應(yīng)效應(yīng)的鐵磁補(bǔ)償器(20;120;和220)。該補(bǔ)償器具有正頻率溫度系數(shù),而疊層具有負(fù)頻率溫度系數(shù)。通過正確選擇補(bǔ)償器的厚度,可以抵消對諧振作用的感應(yīng)溫度?？商鎿Q的是,可以選擇該厚度以提供所需的正或負(fù)的復(fù)合頻率溫度系數(shù)。在優(yōu)選的實(shí)施例中,補(bǔ)償器由鎳鐵合金形成,在最為優(yōu)選的實(shí)施例中該合金為大約35%的鎳和大約65%的鐵。為了防止在鐵磁補(bǔ)償器中的過度的電磁損耗,可以加入金屬鍍層(230)以至少部分地包圍補(bǔ)償器。
文檔編號H03H9/17GK1340915SQ01122139
公開日2002年3月20日 申請日期2001年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月31日
發(fā)明者J·D·拉森三世 申請人:安捷倫科技有限公司