[发明专利]一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法

说明书

本发明公开一种用于薄膜体声波压力传感器的无线无源温度补偿方法。一方面，将现有发射机的薄膜体声波传感器替换为一对并联的密封和非密封薄膜体声波器件；另一方面，将现有的有线有源的温度补偿的方法替换为无线无源的温度补偿的方法。相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，拥有高灵敏度和高分辨率，且通过频率的形式变现出来，具有受电磁干扰等影响较小的特点。

技术领域

本发明涉及声波传感器技术领域，具体涉及一种用于薄膜体声波(FBAR)压力传感器的无线无源温度补偿方法。

背景技术

高温环境以及复杂环境下温度、压力等参数的检测是石油、化工、汽车、航天、军事等工业和国防领域的一项重要任务。薄膜体声波(FBAR)振荡器由于其高工作频率、高灵敏度、优良的特性、低插入损耗、高功率承载能力、集成电路工艺兼容、易于封装、制造成本低等特性，近来被广泛应用于各个领域中。但薄膜体声波(FBAR)的工作频率往往受到温度影响而产生漂移。首先，在多种复杂环境下，往往检测其中一个参数会掺杂着其他参数(尤其是环境温度)对传感器的影响，大大降低了传感器检测的精度。其次，在一些特殊的场合，例如不易测量的场合、高温情况下电池不能使用等等，在这些场合下，严重制约了常规等有线有源传感器的使用范围。因此研究基于薄膜体声波(FBAR)的无线无源温度补偿压力传感器是非常有意义的。

现有在解决薄膜体声波(FBAR)压力传感器的温度补偿方法大致分为如下几种。

2015年，Manohar B.Nagaraju等在ISSCC上发表了一篇“A 0.8mm³±0.68psiSingle-Chip Wireless Pressure Sensor for TPMS Applications”。在该论文里面，作者提出了一种采用有线有源方式来达到薄膜体声波压力传感器的温度补偿的效果。该论文薄膜体声波压力传感器首先将两片薄膜体声波传感器封装在一块底板上；其次，在其中一片薄膜体声波传感器下面开一个凹槽，使传感器底面暴露在空气中；然后，通过振荡电路激励两片薄膜体声波传感器工作；最后通过对两个输出的频率先分频再进行温度补偿。该方案，一方面受到有源的影响，限制了使用场合和传输距离；另一方面，薄膜体声波传感器的频率输出与温度补偿均在同一电路中，降低了整体结构的鲁棒性。

2017年，贾英茜等在半导体技术(刊号TN713)期刊上发表了，一种以二氧化硅材料作为温度补偿的S波段温度补体声波谐振器。研究了二氧化硅层厚度对FBAR温度漂移特性的影响，对不同厚度二氧化硅层的温度补偿特性进行仿真。采用MEMS工艺制备了温度补偿型FBAR谐振器，在三温下(常温25℃、高温85℃、低温-55℃)对谐振器进行S参数进行了测试。结果比未加入温度补偿的谐振器相比频率温度系数改善明显。

2014年，中国工程物理研究院电子工程研究所申请的专利201410430093.1，公开了具有温度补偿和谐振频率修调功能的FBAR及滤波器，其中FBAR包括衬底、温度补偿和谐振频率修调层、支撑层、底电极、顶电极和压电薄膜；温度补偿和谐振频率修调层的底部中间设置有凹槽，衬底设置于凹槽两边的下面，衬底和温度补偿和谐振频率修调层的底面形成有一空腔；支撑层设置于温度补偿和谐振频率修调层的上面；底电极与顶电极之间设置压电薄膜；该FBAR及滤波器能够有效降低由于负温度系数压电薄膜造成的温度-频率漂移，从而提高FBAR的温度稳定性；在后处理工艺中，通过控制FBAR叠层中温度补偿和谐振频率修调层的刻蚀时间来调整其厚度，能有效降低由于工艺误差造成的频率漂移。

2009年，在全国半导体集成电路硅材料学术会议上，赵士恒、董树荣等研究还发现，薄膜体声波FBAR工作的偏置电压也能引起其工作频率的变化。即利用此特性，创新性地设计了含特定温度敏感电阻的惠斯通电桥，一方面对FBAR的工作温度进行检测，一方面输出偏置电压施于FBAR的上下电极，该电压会使FBAR产生与温度引起的FBAR的频率漂移相反方向的频率变化，从而完成频率漂移的自动补偿。