專利名稱：具有壓電聲學(xué)共振元件的裝置及其制造方法以及輸出取決于共振頻率的信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括至少一個壓電聲學(xué)共振元件的裝置，該共振元 件具有壓電層和兩個設(shè)置在壓電層上的電極，其中該壓電聲學(xué)共振元件行體振動來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明還涉及制造這種裝置的方法以及輸出取決于 共振頻率的信號的方法。
背景技術(shù)：
這種類型的壓電聲學(xué)共振元件，其中通過施加交變電壓場而激勵壓電聲學(xué)層以共振頻率縱振動(Dickenschwingung )， 即整體振動 (Koerpervolumenschwingung )， 稱為"體聲波(Bulk Acoustic Wave, BAW)壓電共振器，，，并且首先是為通信電子的高頻應(yīng)用而開發(fā)的。用于實(shí)現(xiàn)BAW共振器的最簡單的配置是由壓電材料制成的層，該壓 電材料在合適的結(jié)晶方向情況下(例如c軸垂直于電極面)以三明治結(jié) 構(gòu)設(shè)置在兩個電極之間。在圖1和圖2中示意性示出BAW共振器的兩個基本類型，如在M. Dubois 的介紹性文章 "Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview", Tagung MEMS窗E 03， Toulouse, France, July 2-4， 2003中所示。圖1A在此示意性示出所謂"薄膜體聲波共振器(FBAR)"的例子。 壓電AIN層300敷設(shè)在Si晶片400形式的栽體襯底上。在壓電層的底 面和正面敷設(shè)了電極100和200。如果通過電極100/200向壓電層300 施加電交變場，則由于反向的壓電效應(yīng)會出現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。所 產(chǎn)生的聲波體振動在壓電層內(nèi)傳播，其中其前進(jìn)方向平行于電場，而且 聲波在電極/空氣的界面上被反射。如果共振器的層結(jié)構(gòu)的厚度等于輸 入信號波長的一半，則實(shí)現(xiàn)共振振動。為了避免在載波襯底中的聲學(xué)損 失，在壓電層的底面設(shè)置一個空腔，從而聲波可以在電極/空氣的界面上被反射。圖IB示出BAW共振器作為所謂的穩(wěn)固安裝的共振器(Solidly Mounted Resonator, SMR)的結(jié)構(gòu)。與圖l的結(jié)構(gòu)不同，在此為了避免 在栽體襯底方向上的聲學(xué)損失，在下電極300和襯底400之間設(shè)置聲波 反射鏡(布拉格反射鏡)500。該聲波反射鏡由多個具有極為不同的聲 阻抗的層組成，這些層以交替的順序設(shè)置，例如W/Si02層或A1/A1N層 等。層厚是X/4。與已經(jīng)作為濾波器元件廣泛應(yīng)用于高頻技術(shù)的所謂表面波共振器 (Surface Acoustic Wave (SAW) Resonator)相比，存在原理上的差異， 即在BAW共振器的情況下激勵起壓電層的縱振動(體振動)，這與表面 波共振器中的表面波相反。體振動(整體振動)的激勵通過合適的電極 布置結(jié)合壓電層的合適結(jié)晶方向進(jìn)行。根據(jù)不同的配置，壓電聲學(xué)共振 元件的被激勵的體振動可以是縱向振動或者體剪切振動 (Dickenscherschwingung )。表面波共振器(SAW共振器)和體聲波共振器(BAW共振器)之間 的原理性差異根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ考碾娞匦援a(chǎn)生很大的影響。例 如，在采用BAW共振器作為高頻區(qū)域的濾波器元件時，由于在兩個電極之間產(chǎn)生的電場而僅發(fā)生與金屬表面之外的電場的最小耦合。此外， FBAR濾波器或BAW濾波器在通帶區(qū)域展現(xiàn)出比0FW濾波器更小的電損 耗，而且比OFW濾波器的功率兼容性更高。特別的優(yōu)點(diǎn)還參照制造工藝給出，因為BAW共振器能以簡單方式用 標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝(例如CMOS、 BiC-M0S等)集成在作為載體襯底的半 導(dǎo)體芯片上。原則上，作為BAW共振器的制造工藝不僅可以考察厚層技術(shù)，這種 技術(shù)基本上基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)并且尤其適用于〉100nm的結(jié)構(gòu)，而且還 可以考察薄層技術(shù)，如通過CVD/PVD方法從蒸鍍階段分離?；谕ㄟ^薄層技術(shù)可以獲得尺寸范圍明顯低于10nm直至亞pm范圍 的結(jié)構(gòu)，隨著集成的要求逐漸增多以及不同部件的微型化不斷發(fā)展該薄 層技術(shù)尤其是提供了很好的機(jī)會。例如，在開始引用的文獻(xiàn)Marc-Alexandre Dubois, Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview: A Technology Overview, MEMS WAVE 03， Toulouse, France, July 2—4， 2003中，作為BAW共振器的制造工藝描述了反應(yīng)濺射作為制造過程，用于在相應(yīng) 的電極上生長鋁氮化物層作為壓電層。從而如在該文獻(xiàn)中描述的那樣可 以通過反應(yīng)濺射產(chǎn)生1.8nin厚的A1N層，其中壓電系數(shù)d33,f為 5. 3±0. 22pm/V，這證明這種通過濺射過程產(chǎn)生的A1N層具有很高的質(zhì) 量。除了 A1N之外，原則上還可以采用例如Zn0、 PZT(鋯鈦酸鉛)或者 鈮酸鋰作為壓電層，但是A1N就其化學(xué)特性、電特性和機(jī)械特性來說是 很有利的，尤其是已經(jīng)提到的在半導(dǎo)體芯片上的集成。如開頭所述，BAW共振器最初是作為無源部件為高頻技術(shù)，尤其是 目標(biāo)范圍從l到10GHz的系統(tǒng)開發(fā)的。作為應(yīng)用實(shí)例，尤其是制造壓控 振蕩器(Voltage Controlled Oscillator, VC0 )或者放大器(Low Noise Amplifier, LNA)。除了用作高頻技術(shù)的部件之外，BAW共振器還被推薦用作傳感器。 例如，本申請人的申請WO2004/017063 A2描述了一種用于獲取特定物 質(zhì)在BAW共振器的表面上的沉積的傳感器。通過這種方式可以識別所涉 及的物質(zhì)。沉積在此可以表示吸附和/或吸收。在結(jié)構(gòu)方面共振器為此具有敷設(shè)在共振器的一個電極上的靈敏涂 層，例如以聚合膜的形式。在該聚合膜上可以吸收待檢測的不同物質(zhì)， 如碳?xì)浠衔?。待檢測的物質(zhì)位于流體(氣體或液體)中，該流體用作 測量介質(zhì)。為了測量將該傳感器與該測量介質(zhì)接觸，該測量介質(zhì)包含可 以沉積在靈敏涂層上的物質(zhì)。通常采用具有測量單元的微型射流計 (Mikrofluidik)，通過該微型射流計測量介質(zhì)流過傳感器的所涉及的 表面段。傳感器的被沉積了所涉及物質(zhì)的表面段在很多情況下根據(jù)待檢測特定物質(zhì)。例如，上述專利申^描述了借助一種傳感器來檢測D:A片段， 該傳感器在電極的表面段上具有包含所選擇的DNA序列的涂層，該涂層 使得可以根據(jù)鑰匙-鎖原理沉積匹配的DNA序列。在檢測DNA時，重要的是可以區(qū)分具有一元或多元錯配的分支 (Strang)與一次完美的匹配(互補(bǔ)分支)。按照相應(yīng)的方式，這取決 于DNA分支在表面段上的解吸附平衡狀態(tài)。該解吸附平衡狀態(tài)由相應(yīng)系 統(tǒng)的給定參數(shù)，如涂層的類型、參與核素的濃度、溫度等等來確定。通過在共振器上沉積一種物質(zhì)，共振頻率隨著所沉積物質(zhì)的質(zhì)量而 改變。因此通過測量共振頻率可以推斷出物質(zhì)的沉積。所涉及的特征值 是共振器的質(zhì)量靈敏度，該質(zhì)量靈敏度與共振器共振頻率的平方成正 比。在所述專利申請中，描述了壓電層在從O.lnm到20inm的范圍內(nèi)的 非常小的層厚的積極影響，這基于質(zhì)量靈敏度和共振頻率之間的所述關(guān) 系而對傳感器的檢測靈敏度產(chǎn)生積極的影響。此外，在集成厚度和微型 化方面非常有利，尤其是在包含多個這種傳感器元件的傳感器陣列中。由于壓電聲學(xué)共振器的共振頻率在一定的界限內(nèi)是與溫度有關(guān)的， 因此由具有BAW共振器的濾波器或傳感器輸出的信號不期望地與溫度有 關(guān)。為了解決該問題，建議以合成物的形式采用具有正或負(fù)溫度系數(shù)的 不同材料，以通過這種方式用補(bǔ)償來平衡溫度漂移。該解決方案例如在 文獻(xiàn) K. M. Ukin ， K. T. McCarron , J.F.McDonald 和 J.Belsick "Temperature Coefficient and Aging of BAW Composit Materials", 2001， Frequency Control Symp. Proc" 605-608頁中描述。在K. M. Lakin的Thin Film Resonator Technology, IEEB 2003， FCS-IFTF Paper WelA， May 5-8， 2003中，描述了參照溫度變化過程 補(bǔ)償?shù)墓舱衿鳎渲胁捎肁1N作為壓電層，采用Si02來進(jìn)行補(bǔ)償。基于 Si02的正溫度系數(shù)+85ppm/。C與A1N的-25ppm/。C的比例，通過連續(xù)提高 Si02的含量實(shí)現(xiàn)對溫度漂移的補(bǔ)償。但是該解決方案存在固有的缺陷，因為它帶來了關(guān)于所要使用的材 料組成或元件的整體結(jié)構(gòu)方面的限制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種改進(jìn)的、包括至少一個開頭所 述類型的壓電聲學(xué)共振元件的裝置，該裝置解決了共振頻率取決于溫度 的問題，而且提供一種用于制造這種裝置的筒單和廉價的方法。本發(fā)明 要解決的技術(shù)問題尤其在于提供一種實(shí)施為用于檢測物質(zhì)的傳感器的 裝置，其具有更高的測量精度和更寬的使用范圍。此外本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種優(yōu)化的、用于輸出取 決于壓電聲學(xué)共振器的共振頻率的信號的方法。該技術(shù)問題通過一種具有權(quán)利要求1特征的、具有壓電聲學(xué)共振元件的裝置，以及具有權(quán)利要求18的制造方法解決。用于輸出取決于壓 電聲學(xué)共振器的共振頻率的信號的方法在權(quán)利要求19中給出。根據(jù)本發(fā)明，具有一種與壓電聲學(xué)共振元件集成的溫度獲取裝置， 該溫度獲取裝置用于獲取所述裝置的工作溫度。在本發(fā)明中，所述裝置的工作溫度可以是壓電聲學(xué)共振元件的溫 度。但是本發(fā)明不限于此。該裝置的工作溫度的位置可以是該裝置本身 的任意片段，和/或該裝置附近的環(huán)境片段。尤其是在將裝置實(shí)施為用于檢測物質(zhì)的傳感器時，工作溫度可以涉 及被沉積了待檢測物質(zhì)的表面段。含有該物質(zhì)的測量介質(zhì)的溫度也可以 是本發(fā)明含義下的裝置工作溫度。為了向溫度獲取裝置集成壓電聲學(xué)共振元件，溫度獲取裝置的測量 元件優(yōu)選實(shí)施為層。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，該層基本上由也可以實(shí)施為 用于加熱該裝置的電阻加熱器的材料構(gòu)成。優(yōu)選的，溫度元件的層厚位于低于25inm的區(qū)域內(nèi)，尤其優(yōu)選的是 層厚〈10nm，最佳的是層厚"nm。很小的層厚有利于利用薄層工藝的方 法將加熱元件與壓電聲學(xué)共振元件集成起來，如通過PVD/CVD過程的分 離方法。由此可以用特別簡單的方式將溫度獲取裝置與用層技術(shù)實(shí)施的 壓電聲學(xué)共振元件一起加工。在本發(fā)明裝置的一種簡單實(shí)施方式中，實(shí)施為層的溫度獲取裝置與 壓電聲學(xué)共振元件一并設(shè)置在栽體襯底上，該載體襯底可以是半導(dǎo)體襯 底'在此，可以在層狀的測量元件和栽體襯底之間設(shè)置中間層。例如， 壓電聲學(xué)共振元件和測量元件可以用層技術(shù)設(shè)置在中間層上，該中間層 用作聲波反射鏡(布拉格反射器)，這種聲波反射鏡將減小襯底方向上 的聲波損失。在特別簡單和有利的實(shí)施方式中，所述載體襯底實(shí)施為例如通過對 具有Si02或Si3N4層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行背面蝕刻而可以制造為蝕刻阻擋 層的膜。替換的，該膜可以覆蓋載體襯底中的空腔，即實(shí)施為表面顯微 結(jié)構(gòu)，如在圖1A中所示。除了測量元件之外，溫度獲取裝置通?？梢园ǔＲ姷墓δ茉?， 如具有外部電壓源的連接件。優(yōu)選的，測量元件和壓電聲學(xué)共振器的壓電層之間的間距小于250nm，優(yōu)選小于150nm，最好的是小于50,。這產(chǎn)生很小的、位于十 分之幾或更小開氏溫度范圍內(nèi)的溫度偏差。原則上，根據(jù)本發(fā)明壓電聲學(xué)共振元件本身的電極用作溫度測量元件。測量元件可以通過厚層工藝的常用技術(shù)制造。但是，通過采用例如 由半導(dǎo)體技術(shù)公知的、用于制造在亞^m區(qū)域直至nm區(qū)域的層厚的薄層 工藝，可以改善集成和微型化。該薄層工藝可以是常用的PVD/CVD方法。涉及測量元件的材料優(yōu)選采用可以用作金屬電阻溫度計的材料。在 這種情況下該測量元件也可以作為加熱元件運(yùn)行，其中所述裝置不僅用 于從溫度測量元件的電阻值中確定溫度，而且通過加熱控制所述裝置的 溫度。在這種關(guān)系下，尤其是采用鉑，鉑的電阻溫度系數(shù)在-^0到+850。C 的使用范圍內(nèi)是3. 85.10_3/°C。如果待測量的溫度不超過150°C，也可以 采用鎳。鎳尤其是在價格方面要比鉑便宜。通過將所述裝置的溫度獲取裝置(微型傳感器)和加熱裝置實(shí)施為 一個部件，使得可以閉合地調(diào)節(jié)壓電聲學(xué)共振元件的工作溫度，該閉合 的溫度調(diào)節(jié)包括通過加熱裝置控制溫度，通過溫度獲取裝置獲取所達(dá)到 的工作溫度，以及接著依據(jù)所獲取的溫度調(diào)節(jié)工作溫度。通過這種方式例如可以對共振頻率進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償，其中保證 所述裝置在預(yù)定的溫度下運(yùn)行。本發(fā)明的將溫度傳感器與壓電聲學(xué)共振元件集成起來的裝置，可以 包括分析裝置，該分析裝置具有存儲裝置，在該存儲裝置中存儲針對給 定材料的電阻與溫度的依賴關(guān)系的相應(yīng)特征曲線，而且還具有讀取裝 置，用于讀取取決于所獲取的電阻值的溫度值。具有讀取裝置的分析裝 置可以是外部設(shè)備的組件，該外部設(shè)備按照合適的方式與溫度獲取裝置 電連接。本發(fā)明中，電連接也可以是常見的無線連接，而不限于傳統(tǒng)的 連線連接。在特別有利的實(shí)施方式中，分析裝置所需要的電子部件一起集成在 壓電聲學(xué)共振元件的載體襯底中，以進(jìn)一步增大集成密度。相應(yīng)的方法和為此所需要的工藝由電子部件集成領(lǐng)域公知。但是所述分析裝置還可以實(shí)施為外部設(shè)備。除了這種用于從溫度獲取裝置提供的測量值中確定溫度的分析裝置外，還可以在壓電聲學(xué)共振元件中集成另一個用于確定共振器的共振頻率的分析裝置。該另一個分析裝置例如可以是高頻電路，其中共振器 確定頻率。這種用于確定共振頻率的分析裝置可以按照公知方式例如通過CM0S、雙極或BIC-M0S工藝集成在半導(dǎo)體村底中。此外，所述裝置可以包括校正裝置，用于根據(jù)所確定的溫度校正壓 電聲學(xué)共振元件的輸出信號。為此可以在相應(yīng)的裝置中存儲壓電聲學(xué)共 振元件的共振頻率的溫度變化過程作為特征曲線。該校正裝置也可以是 集成部件或外部部件。本發(fā)明裝置實(shí)施為用于檢測物質(zhì)的傳感器的情況是特別有利的，因 為通過控制溫度可以有針對性地控制待檢測物質(zhì)在壓電聲學(xué)共振元件 的表面段上的沉積的平衡條件。通過這種方式，可以根據(jù)不同的待檢測物質(zhì)提高測量值獲取的精度。同時可以擴(kuò)大傳感器的使用范圍，因為可 以有針對性地調(diào)整吸附條件，該吸附條件除了溫度之外還通過測量介質(zhì)(氣體、液體)、通過待檢測物質(zhì)以及其它可能位于測量介質(zhì)中的物質(zhì) 來確定。通過這種方式，可以檢測例如僅在預(yù)定溫度時才沉積在傳感器 的表面段上的物質(zhì)。在本發(fā)明的含義中，"物質(zhì)的檢測，，在此可以用于 識別一種物質(zhì)。傳感器也可以實(shí)施為用于確定沉積量的質(zhì)量傳感器。在用于檢測物質(zhì)的傳感器的實(shí)施方式中，有利的是，溫度獲取裝置 位于傳感器元件的這樣一個位置上，即該位置保證測量元件與測量介質(zhì) 接觸。由此例如還可以獲取測量介質(zhì)的發(fā)熱，該測量介質(zhì)例如流過傳感 器的流動單元(Flusszelle)。本發(fā)明還包括用于制造本發(fā)明裝置的制造方法。在這種方法中，載 體襯底被涂以金屬層。接著通過對該金屬層形成顯微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生壓電聲 學(xué)共振元件的電極和測量元件。在此重要方面在于，通過在工作進(jìn)程中 僅對一個金屬層形成顯微結(jié)構(gòu)，可以制造一部分壓電聲學(xué)共振元件和整 個測量元件。尤其適用于形成顯微結(jié)構(gòu)的是照相平版印刷方法，這種方 法原則上由半導(dǎo)體技術(shù)公開。本發(fā)明的方法使得制造過程更為合理，因為附加費(fèi)用非常少，而且 基本上限于對布局的匹配。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，例如通過從蒸鍍階段分離出來而將鉑敷 設(shè)在村底上。鉑由于其電阻與溫度的依賴關(guān)系也適用作電阻溫度計，從 而在一個方法步驟中共振元件的電極、加熱裝置的加熱元件以及溫度獲 取裝置的測量元件可以通過對所敷設(shè)的層形成顯微結(jié)構(gòu)來制造。所有三個功能元件，即加熱元件、測量元件和電極在此可以通過相同的層片段 實(shí)現(xiàn)，但是該層片段將受到不同的控制。共振器和測量元件可以通過載體村底與無源的高頻部件接觸，如用倒裝焊芯片(Flip Chip)技術(shù)通過接合焊盤(bond pad)與LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics,低溫共燒陶資)襯底接觸，從而形成 一個模塊。這有助于改善高頻部件的電特性，因為可以避免相應(yīng)的連接 線之間的電感。此外，倒裝焊芯片技術(shù)還可以提高不同部件的包裝密度， 由此有助于明顯改善在制造整個高頻模塊時的集成度和微型化。本發(fā)明還涉及一種用于輸出取決于共振頻率的信號的方法，具有步驟獲取一個裝置的壓電聲學(xué)共振元件的工作溫度，該裝置包括至少一 個具有壓電層和兩個與該壓電層電接觸的電極的壓電聲學(xué)共振元件，其 中壓電聲學(xué)共振元件這樣制造，通過用電極在壓電層上施加交變電壓， 激勵壓電層以共振頻率進(jìn)行聲學(xué)體振動，通過測量元件激勵壓電聲學(xué)共 振元件的壓電層以共振頻率進(jìn)行聲學(xué)體振動，輸出取決于所測得的溫度 的輸出信號。在本發(fā)明方法的特別優(yōu)選的實(shí)施例中，該方法是用于檢測物質(zhì)的方 法，該方法優(yōu)選采用本發(fā)明的裝置執(zhí)行。該方法包括步驟將流體和壓 電聲學(xué)共振元件組合在一起，使得物質(zhì)可以被共振器的一個片段吸收和/或吸附，確定該共振器的共振頻率，其中可以從該共振頻率中推斷出 物質(zhì)沉積在表面段上的量。在本發(fā)明的方法中，在確定共振頻率的頻率 之前獲取具有壓電聲學(xué)共振元件的裝置的工作溫度。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選另外控制具有相應(yīng)壓電聲學(xué)共振元件的裝 置的工作溫度。這以特別簡單的方式通過上述裝置進(jìn)行，其中同時將溫 度測量元件和加熱元件集成在該裝置中。該方法在此可以包含調(diào)整工作 溫度的步驟，即根據(jù)所測得的溫度進(jìn)行控制，通過這種方式，可以根據(jù)待檢測的不同物質(zhì)明顯提高傳感器的精 度。此外該方法還可以檢測特定的、例如無法在室溫下檢測到的物質(zhì)。本發(fā)明尤其是具有以下優(yōu)點(diǎn)-通過很少的附加費(fèi)用和處理，可以將測量元件與其它需要的元件 一并集成在載體襯底(芯片)上。-尤其是在極度微型化的系統(tǒng)中首先考慮到集成。-與分散的解決方案相反，該測量元件非?？拷趬弘娐晫W(xué)共振元 件，從而產(chǎn)生相應(yīng)的測量精度。-尤其是在使用鉑時，同時可以提供加熱元件。由此可以實(shí)現(xiàn)完全 的溫度調(diào)節(jié)。-通過獲得壓電聲學(xué)共振元件的工作溫度，可以考慮共振頻率的溫 度變化過程。本發(fā)明提供了一種簡單組裝的壓電聲學(xué)共振器，而且該壓電聲學(xué)共振器相對于目前的已知BAW共振器提供可相對于由裝置的溫度變化產(chǎn)生 的背景信號完全區(qū)分開來的輸出信號。為此所需要的、在工作條件下的 共振器元件的鄰環(huán)境中的溫度信息通過溫度獲取裝置提供，該溫度獲 取裝置直接設(shè)置在共振器元件附近。這通過在利用原理公知的工藝的條 件下將壓電聲學(xué)共振元件與溫度獲取裝置集成在一起來實(shí)現(xiàn)，該工藝?yán)?如由薄層技術(shù)和/或厚層技術(shù)公開。通過這種方式提供一種廉價的、包括壓電聲學(xué)共振元件的裝置，該 裝置例如可以用作高頻應(yīng)用中的濾波器元件、用作傳感器(生物傳感器) 或用作執(zhí)行元件(混合器，泵)。除了具有溫度獲取裝置的壓電聲學(xué)共 振元件之外，本發(fā)明的裝置還可以包括多種分析裝置，用于從溫度獲取 裝置提供的測量值中確定溫度和/或用于確定共振頻率。此外，可以設(shè) 置校正裝置，其可以借助預(yù)定的特征參照在各工作情況中給定的溫度對 該裝置的輸出值進(jìn)行校正。通過這種方式，可以相對于傳統(tǒng)的這種裝置 明顯改善裝置的精度。


下面參照附圖借助不同的實(shí)施例描述本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)和其它細(xì)節(jié)。圖1A和1B以截面圖示意性示出FBAR共振器和SMR共振器的結(jié)構(gòu)作為BAW共振器的例子，它們是現(xiàn)有技術(shù)公知的。圖2示意性示出本發(fā)明裝置的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，圖3以截面圖示出集成在載體村底上的壓電聲學(xué)共振元件和溫度獲取裝置的實(shí)施方式，圖4示出用于制造本發(fā)明裝置的方法的實(shí)施例的流程圖，圖5示出用于輸出取決于共振頻率的信號值的本發(fā)明方法的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施方式
圖2示出本發(fā)明裝置的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。據(jù)此本發(fā)明的裝置1包括壓 電聲學(xué)共振元件2、溫度獲取裝置3、用于確定壓電聲學(xué)共振元件2的 共振頻率的分析裝置4，以及用于從溫度獲取裝置3提供的測量值中確 定溫度的分析裝置5。在本實(shí)施例中，該測量值是溫度獲取裝置3的電 阻。但是本發(fā)明不限于此。而是可以采用現(xiàn)有技術(shù)公開的任意溫度測量 器或類似的用于測量溫度的裝置，只要它們可以按照工藝與壓電聲學(xué)共 振元件集成在一起。在圖2的實(shí)施例中用于確定共振頻率的分析裝置4集成在裝置1中， 但是本發(fā)明不限于該實(shí)施方式。用于確定共振頻率的分析裝置也可以是 外部裝置，裝置1與該分析裝置電連接。用于確定溫度的分析裝置5盡 管在該實(shí)施例中是裝置1的集成部件，但是也可以設(shè)置在外部。例如，在本發(fā)明裝置的簡單和合適的實(shí)施方式中，用于確定溫度的 分析裝置5是外部存儲裝置，在該存儲裝置中存儲了溫度獲取裝置3的 電阻的溫度變化過程。借助該分析裝置可以從溫度獲取裝置的電阻值中 推斷出溫度。兩個分析裝置4和5的原理部件根據(jù)不同的應(yīng)用情況(頻率，溫度 等)設(shè)計，并且本身作為電子部件公知。裝置1與用于依據(jù)所確定的溫度校正共振頻率的裝置6連接。校正 裝置6實(shí)施為外部裝置并且包括存儲元件7，在該存儲元件7中存放了 共振頻率的溫度變化過程。此外，校正裝置6還包括用于借助存儲在存 儲元件7中的值校正共振頻率的裝置8。校正裝置8用于輸出經(jīng)過校正 的共振頻率作為輸出值。圖3示出本發(fā)明裝置30的示意結(jié)構(gòu)，其中壓電聲學(xué)共振元件和溫 度傳感器相互集成在栽體襯底上。壓電聲學(xué)共振元件31包括由ZnO組 成的壓電層32、在其底面上的第一鉑電極33以及在其正面上的第二鉑 電極34。下鉑電極33敷設(shè)在硅載體襯底35上。在壓電聲學(xué)共振元件 31和栽體村底35之間設(shè)置可以防止襯底35方向上的聲波損失的聲波反 射鏡36。Pt電極33、 34的厚度在250nm的范圍內(nèi)。壓電層(ZnO )的厚度是400nm。制造圖3的所示陣列通過用于對涂有鉑層的Si晶片結(jié)構(gòu)化的照 相平版印刷方法制造。在半導(dǎo)體襯底35上與壓電聲學(xué)共振元件31 —起還敷設(shè)了溫度獲取 裝置。溫度獲取裝置具有由鉑制成的、層厚為lnm的層37,該層用作 溫度獲取裝置的測量元件。鉑層37通過由人1203組成的隔離層38而與 壓電聲學(xué)共振元件31隔離開來。下面參照圖4描述用于制造本發(fā)明裝置的方法的實(shí)施例。在步驟41中設(shè)置Si晶片元件，其覆蓋層由硅氧化物(SixOy/Si02) 組成，該Si晶片元件通過濺射而具有Pt層。在步驟42中，通過形成顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓電聲學(xué)共振元件的電極以 及溫度測量元件。用于組裝BAW共振器的步驟43原則上由現(xiàn)有技術(shù)公開，因此在此 不需要詳細(xì)解釋。例如，可以通過對襯底的背面蝕刻而產(chǎn)生一個膜，在 該膜上設(shè)置了共振元件和溫度獲取裝置。其它方法步驟包括分離出壓電 層，敷設(shè)第二電極以及使這些元件相應(yīng)接觸，從而產(chǎn)生所述裝置。如上所述，特別有利的是下電極或上電極以及測量元件都通過對同 一個Pt層形成顯微結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生。通過這種方式不僅可以由一層產(chǎn)生電 極和測量元件，而且還可以另外產(chǎn)生加熱裝置的加熱元件。在特別優(yōu)選 的實(shí)施方式中，還可以由一個層片段形成電極、加熱元件和溫度傳感器 的測量元件，該層片段根據(jù)期望的功能而受到不同的控制。參照圖5描述用于輸出取決于共振頻率的信號的方法的實(shí)施例。在步驟51中，利用溫度獲取裝置獲取具有壓電聲學(xué)共振元件的裝 置的工作溫度。在步驟52中，通過在壓電聲學(xué)共振元件的壓電層的電極上施加交 變電壓來激勵具有共振頻率的縱振動(即體振動)。在步驟53中，依據(jù)所測得的溫度校正所測得的共振頻率。在步驟54中，輸出取決于該校正值的輸出信號。特別有意義的是，本發(fā)明的方法實(shí)施為用于檢測物質(zhì)的方法。在此， 該方法包括附加步驟將壓電聲學(xué)共振元件的用于吸附物質(zhì)的表面段與 包含所要檢測的物質(zhì)的流體組合在一起。在沉積了該物質(zhì)之后，測量取 決于所沉積的物質(zhì)的質(zhì)量的共振頻率。在此，該測量可以是差分測量， 即在沉積物質(zhì)之前和之后對共振頻率的測量。從測得的共振頻率可以推斷出所涉及物質(zhì)在該流體中的沉積。通過獲取該裝置的工作溫度，可以 確定特定物質(zhì)的選擇性沉積，該物質(zhì)僅在預(yù)定的溫度時才沉積。該實(shí)施及輸出值的步驟。上述實(shí)施例的各個結(jié)構(gòu)特征可以按照任意方式彼此組合，以提供其 它對相應(yīng)的應(yīng)用情況最佳的實(shí)施方式。只要這樣的修正對本領(lǐng)域技術(shù)人 員是顯而易見的，它們就應(yīng)當(dāng)是由上述實(shí)施例的描述隱含公開的，而不 必詳細(xì)描述全部組合。
權(quán)利要求
1.一種包括至少一個壓電聲學(xué)共振元件(2)的裝置，該壓電聲學(xué)共振元件具有壓電層(32)和兩個與該壓電層(32)電接觸的電極，其中壓電聲學(xué)共振元件(2)這樣實(shí)現(xiàn)，通過用電極在壓電層(32)上施加電壓，激勵壓電層(32)以共振頻率進(jìn)行聲學(xué)體振動，其特征在于，具有與該壓電聲學(xué)共振元件(2)集成的溫度獲取裝置(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述溫度獲取裝置(3 ) 包括實(shí)施為薄層的測量元件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，層厚〈25pm。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述溫度獲取 裝置(3 )與壓電聲學(xué)共振元件(2 )以層技術(shù)設(shè)置在共同的栽體襯底(35 ) 上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述壓電聲學(xué)共振元 件(2)的電極和溫度獲取裝置(3)作為層設(shè)置在載體襯底(35)上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述載體襯底(35 ) 由半導(dǎo)體材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的裝置，其特征在于，所述測 量元件實(shí)施為金屬線路。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述測量元件 基本上由鉑制成。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，在載體襯底 (35 )和壓電聲學(xué)共振元件(2 )之間設(shè)置聲波反射鏡(36 )，該聲波反射鏡由多個層組成。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所迷的裝置，其特征在于，加熱元件和 壓電聲學(xué)共振器(32)之間的橫向間距小于100nm。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所迷的裝置，其特征在于，所述壓電聲學(xué)共振元件(2)實(shí)施為陣列，包括多個具有相應(yīng)電極的壓電層(32) 和至少一個溫度獲取裝置(3)。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所迷的裝置，其特征在于，具有與所述 壓電聲學(xué)共振元件(2)集成的加熱裝置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述裝置實(shí)施為使得所述溫度獲取裝置(3)的測量元件也能作為所述加熱裝置的加熱元 件運(yùn)行。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，具有外部的 或者集成在該裝置中的分析裝置(4 )，該分析裝置用于從測量元件的依 據(jù)溫度的電阻變化中確定溫度。
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，包括校正裝 置(8)，用于根據(jù)由所述溫度獲取裝置(3)所確定的值校正壓電聲學(xué) 共振元件(2)的共振頻率。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，該裝置實(shí)施 為采用壓電聲學(xué)共振元件(2)檢測物質(zhì)的傳感器元件，其中該壓電聲 學(xué)共振元件(2)具有用于吸附該物質(zhì)的表面段，并且該壓電聲學(xué)共振 元件(2)的輸出信號取決于該物質(zhì)的沉積。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述溫度獲取裝置 (3)位于傳感器元件的這樣一個位置上，即使得該溫度獲取裝置(3)在傳感器元件的測量過程中與含有待檢測物質(zhì)的測量介質(zhì)接觸。
18. —種用于制造權(quán)利要求1至17中任一項所述裝置的方法，具有 步驟在載體襯底(35)上敷設(shè)金屬層，對該金屬層形成顯微結(jié)構(gòu)以從 該層中產(chǎn)生壓電聲學(xué)共振元件(2)的電極和溫度獲取裝置(3)的測量 元件。
19. 一種用于輸出取決于共振頻率的信號的方法，其特征在于具有 步驟通過溫度獲取裝置(3)獲取根據(jù)權(quán)利要求1前序部分、尤其是根 據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項的裝置的壓電聲學(xué)共振元件(2)的工作溫 度，激勵該壓電聲學(xué)共振元件(2)的壓電層(32)以共振頻率進(jìn)行體 振動，輸出取決于所測得的工作溫度的輸出信號。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，包括步驟輸出取 決于所測得的共振頻率的輸出值。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，該方法實(shí)施 為用于檢測物質(zhì)的方法，包括步驟將壓電聲學(xué)共振元件(31)的用于沉積物質(zhì)的表面段和包含待檢測物質(zhì)的流體組合在一起，依據(jù)該物質(zhì)所沉積的量來測量共振頻率。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項所述的方法，其特征在于包括 步驟控制所述壓電聲學(xué)共振元件(2)的工作溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括至少一個壓電聲學(xué)共振元件(2)的裝置，該壓電聲學(xué)共振元件具有壓電層(32)和兩個與該壓電層(32)電接觸的電極，其中壓電聲學(xué)共振元件(2)這樣實(shí)現(xiàn)，通過用電極在壓電層(32)上施加電壓，激勵壓電層(32)以共振頻率進(jìn)行聲學(xué)體振動。按照本發(fā)明，該裝置具有與該壓電聲學(xué)共振元件(2)集成的溫度獲取裝置(3)，該溫度獲取裝置具有實(shí)施為薄層的測量元件(37)。
文檔編號H03H9/05GK101258676SQ200680032859
公開日2008年9月3日 申請日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者M·施雷特, R·加布爾 申請人:西門子公司