(57)【要約】【課題】温度ドリフトに対して周波数安定性を有するＦＢＡＲデバイスを提供する。【解決手段】圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）は、上部電極および下部電極の間に配設された圧電膜を有する。温度センサは、ＦＢＡＲにおいて温度が原因で生じる周波数ドリフトを決定するべく温度を検出する。電圧制御器は、温度センサに接続され、温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するべく、電圧により周波数ドリフトを逆方向に生じさせるように、ＦＢＡＲに直流（ＤＣ）バイアス電圧を供給する。【選択図】図５【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
上部電極と下部電極の間に配設された圧電膜を有する圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）と、
温度センサと、
前記温度センサに接続された電圧源制御器であって、温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正すべく前記ＦＢＡＲの前記上部電極および前記下部電極に対して直流（ＤＣ）バイアス電圧を印加する電圧源制御器と
を備える装置。
【請求項２】
互いに接続された２以上の前記ＦＢＡＲと、
分極配向が同じである前記２以上のＦＢＡＲそれぞれに設けられた前記圧電膜と、
配向が同じである前記２以上のＦＢＡＲの前記上部電極および前記下部電極に印加される前記ＤＣバイアス電圧と
をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ＤＣバイアス電圧は、
ＶがＤＣバイアス電圧、αが所定の圧電膜の周波数の温度係数（ＴＣＦ）、βが所定の圧電膜の周波数の電圧係数（ＶＣＦ）、Ｔ−Ｔ０が温度シフト幅である時、
2007535883.tif 000004
と表せる
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電圧源制御器と前記ＦＢＡＲの間に接続される高インピーダンスレジスタ
をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
当該装置はワイヤレスデバイス用のオシレータ回路を備える
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
当該装置はＲＦフィルタを備える
請求項２に記載の装置。
【請求項７】
方法であって、
圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）の温度を検出することと、
前記ＦＢＡＲにおいて温度が原因で生じる周波数ドリフトを決定することと、
前記温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するために必要な直流（ＤＣ）バイアス電圧を決定することと、
前記ＤＣバイアス電圧を前記ＦＢＡＲに印加することと
を含む方法。
【請求項８】
前記ＤＣバイアス電圧は、
ＶがＤＣバイアス電圧、αが前記ＦＢＡＲ内の所定の圧電膜の周波数の温度係数（ＴＣＦ）、βが所定の圧電膜の周波数の電圧係数（ＶＣＦ）、Ｔ−Ｔ０が温度シフト幅である時、
2007535883.tif 000005
と表せる
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ＦＢＡＲデバイスをオシレータ回路に配設することと、
前記ＤＣバイアス電圧を高インピーダンスラインを介して前記ＦＢＡＲに供給することと
をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複数の前記ＦＢＡＲを回路内で接続することと、
前記ＦＢＡＲそれぞれに設けられた圧電膜を同じ分極配向を持つように配向することと、
同じ電圧分極で前記複数のＦＢＡＲそれぞれに対して前記ＤＣバイアス電圧を印加することと
をさらに含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記オシレータ回路をワイヤレス電話内に配設すること
をさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記回路はフィルタを有する
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
システムであって、
ワイヤレス通信デバイスと、
前記ワイヤレス通信デバイスの回路内に設けられた、上部電極および下部電極の間に配設された圧電膜を有する圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）と、
前記ＦＢＡＲにおいて温度が原因で生じる周波数ドリフトを決定するべく温度を検出する温度センサと、
前記温度センサに接続された電圧制御器であって、前記温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するべく、電圧により周波数ドリフトを生じさせるように、前記ＦＢＡＲに直流（ＤＣ）バイアス電圧を供給する電圧制御器と
を備えるシステム。
【請求項１４】
前記回路はオシレータ回路を有する
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記回路はフィルタ回路を有する
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ＤＣバイアス電圧は、
ＶがＤＣバイアス電圧、αが所定の圧電膜の周波数の温度係数（ＴＣＦ）、βが所定の圧電膜の周波数の電圧係数（ＶＣＦ）、Ｔ−Ｔ０が温度シフト幅である時、
2007535883.tif 000006
と表せる
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
複数のＦＢＡＲであって、それぞれが同じ分極配向を持つ前記圧電膜を有する複数のＦＢＡＲと、
同じ電圧分極で前記複数のＦＢＡＲそれぞれと接続された前記ＤＣバイアス電圧と
をさらに備える請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ＤＣバイアス電圧を前記ＦＢＡＲに接続するＲＦチョーク
をさらに備える請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記温度センサはサーミスタを有する
請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記ワイヤレス通信デバイスは携帯電話を有する
請求項１３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）に関する。本発明の実施形態は特に、温度ドリフトに対して安定性を有するＦＢＡＲに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）技術は、現在のワイヤレスシステムに利用されている周波数素子の大半を形成するために用いられる。例えば、ＦＢＡＲ技術はフィルタデバイス、オシレータ、共振器などを初めとする多くの周波数素子を形成するために用いることができる。ＦＢＡＲは、表面弾性波（ＳＡＷ）技術や従来のクリスタルオシレータ技術などほかの共振器技術に比べ利点を有する。特に、ＦＢＡＲデバイスはクリスタルオシレータとは違いチップへの集積化が可能で、通常はＳＡＷデバイスよりも電力操作特性が優れている。
【０００３】
ＦＢＡＲという名称はそれ自体が説明的なものであるが、名称に基づいてＦＢＡＲの一般的な技術内容を説明することができる。簡単に説明すると、「薄膜」は、２本の電極間に挟まれた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような材料から成る圧電薄膜を指す。圧電膜は電界が存在すると機械的に振動し、且つ機械的に振動すると電界を生じさせるという特性を持つ。「バルク」は積層構造の本体または厚みを指す。２本の電極に対して交流電圧が印加されると、圧電膜が振動し始める。「音響」は、デバイスの「バルク」内で（表面でのみ共振が生じるＳＡＷデバイスとは異なる）共振する上述の機械的振動を指す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＦＢＡＲデバイスの周波数特性は温度の影響を受けやすく、これはワイヤレス通信分野において問題となる可能性がある。携帯電話を例に挙げると、動作温度は−３５℃から８５℃の間に指定されることがある。携帯電話を保管しておく場所で、このように温度の下限と上限が大きく離れる状況の例としては、閉め切った自動車内が考えられる。温度が原因で周波数ドリフトが生じるので、通過帯域ウィンドウは通常、周波数ドリフトがない場合よりもかなり大きく、遷移帯域は狭く設定される。このような設計上の制約があるため、挿入損失が大きくなると同時に処理に関する要件が厳しくなる傾向があり、結果として歩留まりが低減してしまう。このような制約を現在利用可能なＦＢＡＲフィルタの仕様に基づいて説明すると、通信基準と材料の特性から周波数変動幅は１２ＭＨｚしかない。温度が−３５℃から８５℃に変化すると、ＦＢＡＲフィルタで周波数変動が生じる。この周波数ドリフト.に約６ＭＨｚが充てられるので、処理に関する変動に利用できるのは６ＭＨｚしか残されていないことになる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）を示す断面図である。
【０００６】
【図２】図１に示したＦＢＡＲの電気回路を示す概略図である。
【０００７】
【図３】ＦＢＡＲにおいて温度が原因で生じる周波数ドリフトを説明するためのグラフである。
【０００８】
【図４】ＦＢＡＲにおいてＤＣバイアス電圧が原因で生じる周波数ドリフトを説明するためのグラフである。
【０００９】
【図５】温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するためのバイアス電圧源を備えるＦＢＡＲオシレータ回路の例を示す図である。
【００１０】
【図６】温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するためのバイアス電圧源を備えるＦＢＡＲフィルタ回路の例を示す図である。
【００１１】
【図７】図６に示すＦＢＡＲフィルタ回路の物理的レイアウトの例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１はＦＢＡＲデバイス１０の概略図である。ＦＢＡＲデバイス１０は基板１２の水平面上に形成されるとしてもよい。基板１２は例えばシリコンから成り、ＳｉＯ２層１３を含むとしてもよい。第１金属層１４は基板１２上に配設され、第１金属層１４上には圧電膜１６が設けられている。圧電膜１６は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料から成るとしてもよい。第２金属層１８が圧電膜１４の上に設けられる。第１金属層１４は第１電極１４として機能し、第２金属層１８は第２電極１８として機能する。第１電極１４、圧電膜１６および第２電極１８により積層構造２０が形成される。図１に示すとおり、この積層構造の厚みは例えば約１．８μｍであってもよい。積層構造２０の後ろまたは下側に位置する基板１２の一部分は、裏面バルクシリコンエッチングなどを用いて除去され、開口部２２を形成するとしてもよい。この裏面バルクシリコンエッチングは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）、エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）などを用いて、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）または結晶方位依存性エッチングを利用して行われるとしてもよい。
【００１３】
図示した構造をまとめると、第１電極１４と第２電極１６の間に水平に配設された圧電膜１６が挟まれており、この積層体が基板１２内に設けられた開口部２２の上方に位置するように配設されている。つまりＦＢＡＲ１０は、水平方向に載置された基板１２内に設けられた開口部２２の上方に、浮遊するように設けられた薄膜デバイスを含む。
【００１４】
図２はＦＢＡＲ１０を含む電気回路３０を示す概略図である。電気回路３０はＲＦ電圧源３２を備える。ＲＦ電圧源３２は電気経路３４を介して第１電極１４に、第２電気経路３６を介して第２電極１８に接続されている。積層構造２０全体は、ＲＦ電圧３２が共振周波数で印加されると、Ｚ方向３１に自由に共振することができる。この共振周波数は、薄膜の厚み、または図２に「ｄ」（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎの「ｄ」）と示す圧電膜１６の厚みによって決まる。共振周波数は以下の式によって表される。
【００１５】
【数１】
2007535883.tif 000002
【００１６】
ｆ０＝共振周波数
【００１７】
Ｖ＝圧電膜の音速
【００１８】
ｄ＝圧電膜の厚み
【００１９】
図１および図２に示した構造は、共振器としてもフィルタとしても利用可能である。ＦＢＡＲ形成において、ＺｎＯ、ＰＺＴまたはＡｌＮなどから成る圧電膜１６を活性物質として用いてもよい。圧電膜の物質特性、例えば長手方向の圧電係数や音響損失係数が、共振器の性能を決めるパラメータとなる。性能を表す要素としては、Ｑ値、挿入損失、電気的／機械的接合などが挙げられる。ＦＢＡＲの製造工程において、圧電膜１６は、例えば反応スパッタリングを用いて金属電極１４上に堆積するとしてもよい。このようにして形成される圧電膜は多結晶性を有し、Ｃ軸が配向されている。つまり、Ｃ軸は基板に対して垂直である。
【００２０】
上述したように、ＦＢＡＲデバイス１０の周波数は温度に応じてドリフトする。ワイヤレスデバイス動作環境の想定範囲にわたって安定した周波数特性を持つ方が望ましいので、このような温度による周波数ドリフトは大半のワイヤレスデバイスにとって問題となる。図３を用いてこの周波数ドリフト現象を説明する。５０℃で中心周波数が約１５８７ＭＨｚの場合、０℃まで温度が下がるとＦＢＡＲデバイスの周波数はドリフトして１５８９ＭＨｚに増加し、１００℃まで温度が上がるとドリフトして１５８６ＭＨｚまで減少する。この周波数ドリフトは一定の温度範囲にわたってほぼ直線状であると思われる。ドリフト幅は大きくないかもしれないが、現在のワイヤレスデバイスは動作周波数範囲が狭いので、ワイヤレスデバイスの設計において問題となることに変わりはない。ＡｌＮを含むＦＢＡＲの場合、周波数の温度係数（ＴＣＦ）αは、１℃当たり約−２５ｐｐｍ（１００万分の１）である。
【００２１】
本発明の実施形態によると、ＦＢＡＲの周波数は圧電膜に生じる強力な電界にも影響を受けることがあるので、温度が原因で生じる周波数ドリフトを補正するべくＦＢＡＲデバイス全体に直流（ＤＣ）バイアス電圧を印加するとしてもよい。約１．６ＧＨｚのＡｌＮ含有ＦＢＡＲについて周波数の電圧係数（ＶＣＦ）βを計測すると、約−９ｐｐｍ／電圧となる。ＶＣＦはＡｌＮの厚みに反比例（電界強度に比例）するので、所定のバイアス電圧の共振周波数に比例する。
【００２２】
図４にＦＢＡＲデバイスにＤＣバイアス電圧を印加した場合の効果を示す。ＤＣ電圧が−１００Ｖから１００Ｖの範囲にある時、電圧によって生じる周波数ドリフトはほぼ直線状である。本例によると、中心周波数が１５８７．７ＭＨｚの場合、この一次関数はｙ＝−０．０１４４ｘ+１５８７．７と表されるとしてもよい。このため、本発明の実施形態によると、ＤＣバイアス電圧を印加することによって、温度によって生じる周波数ドリフトを補正するべくこれと反対方向に、電圧によって周波数ドリフトを生じさせるとしてもよい。
【００２３】
図５はＦＢＡＲ５０を用いて構成した簡単なオシレータ回路を示す。オシレータ回路は、例えば携帯電話５１のようなワイヤレスデバイスで用いることができる。オシレータは増幅器５２を備え、増幅器５２の第１入力５４はグラウンドに接続され、第２入力５６はフィードバックループ５８に接続される。フィードバックループ５８は、出力端末６２に接続されたコンデンサ６０、ならびに出力端末６２とグラウンドの間に接続された並列コンデンサ６４を有する。接続コンデンサ６６によりＦＢＡＲ５０がフィードバックループ５８に接続されるとしてもよい。例えばサーミスタのような温度センサ６０が、ＦＢＡＲ５０に影響をおよぼす温度を検出すべく、ＦＢＡＲ５０に近接して設けられるとしてもよい。制御器６２は、ＦＢＡＲ５０で温度が原因で生じた周波数ドリフトを補正するのに適切なＤＣバイアス電圧を決定する。このようにして決定された適切なＤＣバイアス電圧がＦＢＡＲ５０に印加されるとしてもよい。高周波において短絡が生じないように、ＦＢＡＲ５０と電圧制御器６２との間に高インピーダンスＲＦチョークまたはレジスタ６４を配設するとしてもよい。印加されるＤＣバイアス電圧は以下の式に基づいて計算するとしてもよい。
【００２４】
【数２】
2007535883.tif 000003
【００２５】
ここで、ＶはＤＣバイアス電圧、αは所定の圧電膜における周波数の温度係数（ＴＣＦ）、βは所定の圧電膜における周波数の電圧係数（ＶＣＦ）、およびＴ−Ｔ０は検出された温度シフトを表す。
【００２６】
図６は、ワイヤレスデバイスに備えられるフィルタを形成するためのＦＢＡＲデバイスを示す。図示したフィルタは、入力７２と出力７４の間で直列に接続された複数のＦＢＡＲデバイス７０、ならびに入力７２と出力７４の間で並列に接続された複数のＦＢＡＲデバイス８０を備えるラダーフィルタである。接続コンデンサ８２は、並列に接続されたＦＢＡＲデバイス８０とグラウンドの間に設けられるとしてもよい。上述したように、温度センサ６０を用いてＦＢＡＲデバイス７０および８０に影響をおよぼす温度をリアルタイムで監視するとしてもよい。制御器６２はセンサ６０から取得した温度データに基づき、温度によって生じる周波数ドリフトを補正するのに適切なＤＣバイアス電圧を計算するとしてもよい。
【００２７】
図６に示したラダーフィルタは、すべてのＦＢＡＲデバイスの圧電分極方向が同じとなるように構成されてもよい。つまり、すべてのＦＢＡＲデバイス７０および８０に対して同じ方向でＤＣ電界が印加されるように、白丸で示したノード８４が制御器６２の正極８６に接続され、黒丸で示したノード８８が制御器６２の負極９０に接続されている。温度が変化すると、中心周波数から一方への周波数ドリフトを補正するべくＤＣ電圧の極性が反転するとしてもよい。ノード８４および８８はそれぞれ、高インピーダンスＲＦチョークまたはレジスタ６４を介して、ＤＣ制御器６２に接続されてもよい。
【００２８】
図７は、図６を参照しつつ説明したラダーフィルタの物理的レイアウトの例を示し、図１から図６に示された構成要素と同様のものを同様の参照番号を用いて特定する。具体的には、直列接続された複数のＦＢＡＲデバイス７０および並列接続された複数のＦＢＡＲデバイス８０が、入力７２と出力７４の間に接続されている。各ＦＢＡＲデバイスは、下部金属電極１４、圧電膜１６および上部金属電極１８を備えるとしてもよい。圧電膜１６を堆積する時、すべての共振器（７０および８０）の圧電分極方向は、使用される材料によって、下部から上部、または上部から下部に配向される。このようにして、ＦＢＡＲの上部電極１８と隣接するＦＢＡＲの上部電極が接続される。同様に、ＦＢＡＲの下部電極１４と隣接するＦＢＡＲの下部電極が接続される。レイアウトは変更してよいが、バイアス電圧が印加された場合すべてのFＢＡＲデバイス（７０および８０）の周波数が同じ方向にシフトするように、各ＦＢＡＲの上部電極１８はＶ+８６に、下部電極１４はＶ−９０に接続される点だけは変更すべきではない。接続ライン９２および９４は、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＭｏやＷなどの低抵抗材料により形成してもよい。高インピーダンスＲＦチョークまたはレジスタ６４は、ポリシリコンやＴｉＮなどの高抵抗材料から形成されるインピーダンスラインを備えるとしてもよい。
【００２９】
上記において本発明の実施形態の例について説明したが、要約の内容も含め、これらは本発明をすべて網羅したものではなく、開示した具体的な形態に本発明を限定するものでもない。本明細書に記載された本発明の具体的な実施形態および例は説明を目的に挙げられたものにすぎず、当業者には明らかであるように、本発明の範囲内でさまざまな同様の変形例を実施することができる。
【００３０】
上述の詳細な説明に基づいてさまざまな変形例を実施することができる。本願の請求項で使用する用語は、本明細書および本願請求項で開示する具体的な実施形態に本発明を限定するものと解釈されるべきではない。本発明の範囲は本願請求項によってのみ決まるのであり、本願請求項はすでに確立されているクレーム解釈の原則に従って解釈されるべきである。
【図１】
2007535883.tif 000007
【図２】
2007535883.tif 000008
【図３】
2007535883.tif 000009
【図４】
2007535883.tif 000010
【図５】
2007535883.tif 000011
【図６】
2007535883.tif 000012
【図７】
2007535883.tif 000013
【国際調査報告】
2007535883.tif 000014
2007535883.tif 000015