DISPOSITVO CON ELEMENTO RESONADOR PIEZOACÚSTICO Y SU UTILIZACIÓN PARA EMITIR UNA SEÑAL EN FUNCIÓN DE UNA FRECUENCIA DE RESONANCIA.

Dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico (2) con una capa piezoeléctrica (32) y dos electrodos que están en contacto eléctrico con la capa piezoeléctrica (32),

estando realizado el elemento resonador piezoacústico (2) tal que aplicando una tensión a la capa piezoeléctrica (32) mediante los electrodos, se activa una oscilación de espesor acústica de la capa piezoeléctrica (32) con la frecuencia de resonancia, en el que existe un equipo de detección de la temperatura (3) configurado con el elemento resonador piezoacústico (2), que incluye un elemento de medida configurado en la técnica de capa delgada, el equipo de detección de la temperatura (3) y el elemento resonador piezoacústico (2) en técnica de capa delgada están configurados sobre un substrato de soporte común (35) y un electrodo del elemento resonador (2) y el equipo de detección de la temperatura (3) están dispuestos como capas sobre el substrato de soporte (35), siendo el espesor de la capa del equipo de detección de la temperatura < 25 μm y estando configurado el dispositivo como elemento de sensor para detectar una sustancia con un elemento resonador piezoacústico (2), presentando el elemento resonador piezoacústico (2) un tramo de superficie para la sorción de la sustancia y dependiendo la señal de salida del elemento resonador (2) del depósito de una sustancia, estando dispuesto, para reforzar la señal acústica, entre el elemento resonador piezoacústico (31) y el sustrato de soporte (35) un espejo acústico (36), encontrándose el equipo de detección de la temperatura (3) en una posición del elemento sensor tal que el equipo de detección de la temperatura (3) durante el proceso de medida del elemento sensor se encuentra en contacto con el medio de medida en el que se encuentra la sustancia a detectar y porque el elemento de medida del equipo de detección de la temperatura (3) puede funcionar también como elemento calentador del equipo calentador, en el que un equipo evaluador (4) configurado externo o integrado en el dispositivo, está previsto para averiguar la temperatura a partir de la variación de resistencia del elemento de medida en función de la temperatura, controlándose selectivamente a través del mismo las condiciones de equilibrio del depósito de la sustancia a detectar en el tramo de superficie del elemento resonador piezoacústico (2) mediante control de la temperatura

La invención se refiere a un dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico con una capa piezoeléctrica y dos electrodos contiguos a la capa piezoeléctrica, estando realizado el elemento resonador piezoacústico tal que aplicando una tensión alterna a la capa piezoeléctrica mediante los electrodos, se activa una oscilación de volumen de la capa piezoeléctrica con la frecuencia de resonancia y una aplicación para emitir una señal en función de una frecuencia de resonancia.

Los elementos resonadores piezoacústicos de este tipo, en los que aplicando un campo de tensión alterna se activa una oscilación de espesor, es decir, una oscilación del volumen del cuerpo de la capa piezoeléctrica con la frecuencia de resonancia, se conocen bajo la denominación inglesa “Bulk Acoustic Wave (BAW) Piezoelectric Resonator” (resonador piezoeléctrico de onda acústica volumétrica) y se desarrollaron sobre todo para aplicaciones de alta frecuencia de la electrónica de comunicaciones.

La configuración más sencilla para realizar un resonador BAW es una capa de un material piezoeléctrico, que cuando la orientación cristalográfica es adecuada, por ejemplo con el eje c perpendicular a la superficie del electrodo, está dispuesta entre dos electrodos en estructura sandwich.

En las figuras 1 y 2 se representan esquemáticamente dos tipos básicos de resonadores BAW, tal como se muestran en el artículo de visión general de M. Dubois “Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overwiew” (resonadores acústicos volumétricos de capa delgada: Una visión general de la tecnología), con motivo del Congreso MEMSWAVE 03, Toulouse, Francia, 2-4 julio 2003.

La figura 1A muestra al respecto esquemáticamente un ejemplo de un llamado “Thin Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR)”. Una capa piezoeléctrica AlN 300 está aplicada

sobre un substrato de soporte en forma de una lámina de silicio 400. Sobre la cara inferior y sobre la cara superior de la capa piezoeléctrica están aplicados electrodos 100 y 200, respectivamente. Cuando mediante los electrodos 100/200 se aplica un campo eléctrico alterno a la capa piezoeléctrica 300, entonces, debido al efecto piezoeléctrico inverso, se transforma la energía eléctrica en energía mecánica. La oscilación de volumen acústica resultante se propaga dentro de la capa piezoeléctrica, siendo la dirección de avance paralela al campo eléctrico y reflejándose la onda en la superficie límite electrodo/aire. La oscilación de resonancia se logra cuando el espesor de la estructura de capa de resonador es igual a la mitad de la longitud de onda de la señal de entrada. Para evitar pérdidas acústicas en el substrato de soporte, está previsto en la cara inferior de la capa piezoeléctrica un espacio hueco, tal que las ondas acústicas pueden reflejarse en la superficie límite electrodo/aire.

La figura 1B muestra una estructura de un resonador BAW como el llamado “Solidly Mounted Resonador” (resonador sólidamente montado), SMR. A diferencia de la estructura de la figura 1, se ha previsto aquí, para evitar pérdidas acústicas en la dirección del substrato de soporte, un espejo acústico (Bragg-Reflector) 500 entre el electrodo inferior 300 y el substrato 400. Este espejo acústico está compuesto por varias capas con impedancia acústica muy diferente, dispuestas en secuencia alternada, por ejemplo capas de W/SiO2 o A1/A1N, etc. El espesor de la capa es λ/4.

En comparación con los llamados resonadores de ondas superficiales (resonadores “Surface Acoustic Wave”,SAW), que ya se aplican desde hace mucho tiempo como elementos de filtro en la técnica de la alta frecuencia, reside una diferencia básica en que en el caso de los resonadores BAW se activa una oscilación de espesor (oscilación de volumen)

de la capa piezoeléctrica, contrariamente a las ondas superficiales en los resonadores de ondas superficiales. La activación de una oscilación de volumen (oscilación de volumen del cuerpo) se realiza mediante una adecuada disposición de los electrodos en combinación con una orientación cristalográficamente adecuada de la capa piezoeléctrica. En función de la configuración la oscilación de volumen activada del elemento resonador piezoacústico puede ser una oscilación longitudinal o una oscilación de corte de espesor.

Esta diferencia básica entre resonadores de ondas superficiales (resonadores SAW) y resonadores de ondas de volumen del cuerpo (resonadores BAW) tiene, en función del campo de aplicación, considerables repercusiones sobre las características eléctricas de los componentes. Por ejemplo, en la aplicación de resonadores BAW como elemento de filtro en la gama de altas frecuencias, se realiza, debido al campo eléctrico generado entre ambos electrodos, sólo un acoplamiento mínimo con campos eléctricos fuera de las superficies metálicas. Además, muestran los filtros FBAR y BAW pérdidas eléctricas en la zona de paso inferiores a las del filtro OFW y son además considerablemente más potentes que éstos.

Resultan especiales ventajas también en la tecnología de fabricación, ya que los resonadores BAW pueden integrarse fácilmente con tecnologías IC estándar (por ejemplo CMOS, BiC-MOS, etc.) sobre un chip de semiconductores como substrato de soporte.

No obstante, básicamente se consideran como tecnologías de fabricación para resonadores BAW tanto la técnica de capa gruesa, que esencialmente se basa en técnicas de serigrafiado y que en particular es especialmente adecuada para estructuras en la gama de > 100 μm, como también la técnica de capa delgada, como por

ejemplo la separación de la fase de vapor mediante el procedimiento CVD/PVD.

En base al hecho de que mediante la técnica de capa delgada son accesibles estructuras en el orden de tamaños claramente por debajo de 10 μm hasta la zona de los sub-μm, es especialmente adecuada la misma con miras a las necesidades de la creciente integración y de la progresiva miniaturización de los distintos componentes.

Por ejemplo, en la publicación previa citada al principio de Marc-Alexandre Dubois, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators: A Technology Overview, MEMS Wave 03, Toulouse, Francia, 3-4 julio 2003 se describe como tecnología de fabricación para resonadores BAW el sputtering (pulverización catódica) reactivo como proceso de fabricación para el crecimiento de capas de nitruro de aluminio como capa piezoeléctrica sobre los correspondientes electrodos. Así puede generarse, tal como se describe en esta publicación previa, mediante sputtering reactivo una capa de AlN de 1,8 μm de espesor con un coeficiente piezoeléctrico d33,f de 5,3 ± 0,22 pm/V, lo cual indica una elevada calidad de la capa de AlN generda mediante el proceso de sputtering.

Además de AlN pueden utilizarse básicamente por ejemplo también ZnO, PZT (titanato-circonato de plomo) o niobato de litio como capa piezoeléctrica, presentando no obstante el AlN ventajas en cuanto a sus características químicas, eléctricas y mecánicas, pero en particular también en lo referente a la ya citada integración sobre un chip de semiconductores.

Tal como se ha mencionado al principio, los resonadores BAW se desarrollaron inicialmente como componentes pasivos para la técnica de alta frecuencia, en particular para sistemas en la zona-objetivo de 1 a 10 GHz. Como ejemplos de aplicación son de mencionar en particular la fabricación de osciladores controlados por tensión

(Voltage Controlled Oscillator, VCO) o de amplificadores (Low Noise Amplifier, LNA, amplificadores de poco ruido).

Además de la aplicación como componentes de la técnica de alta frecuencia, se ha propuesto la aplicación de un resonador BAW como sensor. Por ejemplo, la solicitud WO 2004/017063 A2 de la solicitante describe un sensor para detectar el depósito de una determinada sustancia en la superficie del resonador BAW. De esta manera puede identificarse la correspondiente sustancia. Depósito puede significar entonces adsorción y/o absorción.

Estructuralmente presenta el resonador para este fin un recubrimiento sensible, por ejemplo en forma de una película polímera, aplicada sobre un electrodo del resonador. Sobre esta película polímera pueden absorberse diversas sustancias a detectar, por ejemplo hidrocarburos. La sustancia a detectar se encuentra en un fluido (gas o líquido) que sirve como medio de medida. Para la medición se pone en contacto...

1. Dispositivo que incluye al menos un elemento resonador piezoacústico (2) con una capa piezoeléctrica (32) y dos electrodos que están en contacto eléctrico con la capa piezoeléctrica (32), estando realizado el elemento resonador piezoacústico (2) tal que aplicando una tensión a la capa piezoeléctrica (32) mediante los electrodos, se activa una oscilación de espesor acústica de la capa piezoeléctrica (32) con la frecuencia de resonancia, en el que existe un equipo de detección de la temperatura (3) configurado con el elemento resonador piezoacústico (2),

elemento resonador piezoacústico (2) en técnica de capa delgada están configurados sobre un substrato de soporte común (35) y un electrodo del elemento resonador (2) y el equipo de detección de la temperatura (3) están dispuestos como capas sobre el substrato de soporte (35), siendo el espesor de la capa del equipo de detección de la temperatura < 25 μm y estando configurado el dispositivo como elemento de sensor para detectar una sustancia con un elemento resonador piezoacústico (2), presentando el elemento resonador piezoacústico (2) un tramo de superficie para la sorción de la sustancia y dependiendo la señal de salida del elemento resonador

(2) del depósito de una sustancia, estando dispuesto, para reforzar la señal acústica, entre el elemento resonador piezoacústico (31) y el sustrato de soporte

(35) un espejo acústico (36), encontrándose el equipo de detección de la temperatura

(3) en una posición del elemento sensor tal que el

equipo de detección de la temperatura (3) durante el

proceso de medida del elemento sensor se encuentra en

contacto con el medio de medida en el que se encuentra

la sustancia a detectar y

porque el elemento de medida del equipo de detección de

la temperatura (3) puede funcionar también como elemento

calentador del equipo calentador, en el que

un equipo evaluador (4) configurado externo o integrado

en el dispositivo, está previsto para averiguar la

temperatura a partir de la variación de resistencia del

elemento de medida en función de la temperatura,

controlándose selectivamente a través del mismo las

condiciones de equilibrio del depósito de la sustancia a

detectar en el tramo de superficie del elemento

resonador piezoacústico (2) mediante control de la

temperatura.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el substrato de soporte (35) está compuesto por un material semiconductor.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el elemento de medida está configurado como vía conductora metálica.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de medida está compuesto por platino.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre el substrato de soporte (35) y el elemento resonador piezoacústico (2) está dispuesto un espejo acústico (36), compuesto por varias capas.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la distancia lateral entre el

elemento de medida y la capa piezoeléctrica (32) es

inferior a 100 μm.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento resonador piezoacústico

(2) está configurado como batería (array), incluyendo un conjunto de capas piezoeléctricas (32) con los correspondientes electrodos y al menos un equipo de detección de la temperatura (3).

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un equipo calentador configurado integrado con el elemento resonador piezoacústico (2).

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un equipo corrector (8) para corregir la frecuencia de resonancia del elemento resonador piezoacústico (2) en base al valor captado por el equipo de detección de la temperatura (3).

10. Utilización de un dispositivo según la reivindicación 1, para -activar una oscilación de volumen de la capa

piezoeléctrica (32) del elemento resonador piezoacústico (2) con la frecuencia de resonancia, -emisión de una señal de salida en función de la temperatura de trabajo medida.

11. Utilización según la reivindicación 10, caracterizada por la etapa de emisión de un valor de salida en función de la frecuencia de resonancia medida.

12. Utilización según la reivindicación 10 u 11, caracterizada porque la utilización está configurada como utilización para detectar una sustancia con la etapa de reunir un tramo de la superficie del resonador piezoacústico (31) equipado para el depósito de una

sustancia con un fluido, que contiene la sustancia a detectar, y -medición de la frecuencia de resonancia en función de

la cantidad de sustancia depositada.

13. Utilización según una de las reivindicaciones de utilización precedentes, caracterizada por la etapa de control de la temperatura de trabajo del elemento resonador piezoacústico (2).