处理芯片薄膜散装共鸣器质量传感器

文摘

针对便携式应用程序,一个新的集成过程芯片薄膜散装声谐振器(FBAR)质量与0.18 um CMOS传感器提出和验证处理。纵向模式FBAR back-etched结构是捏造的,共振频率1.878 GHz和因素1200。FBAR振荡器,基于current-reuse结构,设计巴特沃斯·范·戴克(MBVD)模型与修改。结果表明,FBAR振荡器运行在1.878 GHz的相位噪声−107 dBc /赫兹和135−dBc / Hz 10 KHz和100 KHz频率偏移,分别。整个过程与垫是1300芯片尺寸μm×950μm。FBAR和处理芯片键合在一起意义上微小的质量。测量结果表明,该芯片精度1 KHz FBAR差距从25千赫至25兆赫频率。

1。介绍

近年来,质量传感器基于FBAR技术快速发展,由于它的高质量敏感性和集成的潜力(1]。FBAR质量传感器被认为是一个优秀的便携式医疗传感器分辨率(2,3]。最近的研究主要集中在相对湿度传感器(4),甘油探测器(5),重力感应6),紫外线传感器(7),DNA和蛋白质检测(8)、微流体系统(9),等等。然而,现在FBAR处理大规模传感器网络分析仪和RF探针台,这是巨大的和各种测试环境。它不适合便携式应用程序。没有论文报告FBAR传感器信号处理芯片及其FBAR振荡器。在本文中,我们提出了一个集成芯片,可与FBAR过程其射频传感器信号和显示质量变化直接价值。

2。FBAR传感器设计

2.1。系统方案

FBAR结构如图1。它包含的AlN压电薄膜夹两个铝金属电极与back-etched结构和吸附层用于吸附特定的传感器材料。吸附层的选择应根据不同的检测到目标材料。共振频率会改变由于目标材料的质量。之间的转换频率变化和质量负载是索尔布雷方程所描述的10]: 在这频率变化,是基本的共振频率,是质量的变化,活动区域,是密度,剪切模量。

传感器处理系统应设计获得FBAR共振频率变化由于微小的质量。通常,系统是基于双通道结构,如图2,一条路传感器信号和参考信号的其他deembed测试环境影响变化,如压力、温度、湿度,因为邻居的两条路径在一个芯片。因为FBAR的信号总是软弱,一个振荡器网络旨在活跃FBAR信号获得3 V输出以下处理电路。FBAR的共振频率通常是2 - 3 GHz。它太高了要处理与正常高速计数器。混合频率方法也不适合FBAR传感器由于IP3和复杂的结构。设计新的芯片有两个——除以- 256分规降低FBAR共振频率大约10 MHz,然后计算两个高速计数器。不同频率是通过减数。根据这个计算差异,惯性负载的变化可以从以下计算获得: 在哪里是工作的质量FBAR压电领域,是部门的比例分频器,计数器的计数周期,是频率计算的差别。整个芯片还包括自校准和UART接口示意图。

2.2。FBAR及其振荡器

Back-etched结构是用于生产FBAR,因为它比较容易制造和solid-mounted相比有更好的性能结构鼻中隔黏膜下切除术后()。图3(一个)FBAR的顶视图,测量吗参数如图3 (b)。它表明,测量FBAR的因素是1200以上,共振频率为1.878 GHz。FBAR振荡器由FBAR的一对NMOS pmo,和一些电阻和电容形成current-reuse结构,负电导是由金属氧化物半导体晶体管的一对,如图4。传统cross-couple结构相比,该配置将消耗更少的功率同时对NMOS和PMOS开关以来,虽然对NMOS或pmo的传统结构交替转换。0.18 FBAR振荡器设计和制造μm RF /混合信号CMOS工艺和MBVD模型采用(11]。FBAR振荡器的相位噪声的仿真结果如图5,结果表明,该振荡器运行在1.878 GHz的相位噪声−107 dBc /赫兹和135−dBc / Hz 10 KHz和100 KHz频率偏移,分别。

2.3。传感器信号处理电路

根据FBAR振荡器的操作,得到1.5 GHz和2.0 GHz之间的输出频率。为了满足数字信号处理要求,两个——除以- 256分规旨在减少频率降到10 MHz。由于高频,分隔器的前端应该采用高速电路。因此,signal-coupled逻辑(sci)结构的进化射极耦合逻辑(ECL)由于其高速度、低功耗和低噪声12]。——除以- 256分频器包括一个单端差动转换器,3级联除以2 sci两脚规,5级联除以2 d触发器(DFF)分规。它没有实现的原因与所有sci分隔器的布局区域sci大于DFF结构。sci分配器的主要结构是两个D-latches组成的主从D触发器。数据6(一)和6 (b)显示除以2的框图sci分频器的电路示意图D-latch,分别。M1和M4构成采样电路,cross-coupled对M2和M3构成了电路。当时钟信号(CK)是在高的州,D-Latch作品像一个缓冲区;时钟信号很低时,cross-coupled一对拥有现有的国家通过积极的反馈原则。此外,除以2的五个阶段DFF分配器实现基于传统的主从结构。

分裂后的信号- - 256将被发送到标准数字信号处理电路。摘要40 MHz温度补偿X 'tal(水晶)振荡器(TCXO)用作高精度时钟由于其频率稳定度高,频率范围宽,频率精度高。考虑到功耗,这个系统的采样周期设置为500毫秒,计数周期设置为256 ms。这个词的长度计数的区别是24位。图7给出了框图的威尔第所产生的数字处理电路。它由计时模块、计数器模块、减法器模块、编码模块、UART时钟模块和发送模块。

3所示。测量结果

整个FBAR在0.18验证信号处理电路μm RF /混合信号CMOS工艺,芯片与垫的尺寸是1300μm×950μm。图8显示芯片显微照片。芯片由金线和FBAR带状,和整个传感器系统测试。测量结果列在表中1,范围从25 kHz-25 MHz频率不同。这个小质量传感器信号处理电路具有较高的准确性,但有时有一个偶然误差±1000 Hz,相关同步高速计数器的触发。例如,当信号频率的区别是100 kHz,测量的区别是100千赫在大多数情况下,但有时它是99千赫或101千赫。

4所示。结论

一个集成的微小质量传感器提出了基于FBAR和CMOS技术和验证。FBAR的系统传感器与双通道结构设计。一条路径用于传感器信号,和其他参考信号减少环境变化的影响。FBAR在纵向模式运营,其共振频率为1.878 GHz1200倍以上。两个FBAR基于current-reuse微分信号激活振荡器配置促进它们的输出信号。随后,这两个FBAR振荡器信号除以256,然后发送到数字信号处理电路获得频率不同。最后,这个频率偏移用于评价微小质量负载变化。整个FBAR在0.18验证信号处理电路μm RF /混合信号CMOS工艺。

承认

这项工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助中国没有。61171038,60936002)。

引用

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