CN104614099B - 膜片上fbar结构的微压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了膜片上FBAR结构的微压力传感器，包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，力敏结构位于复合薄膜的下方，检测元件位于复合薄膜的上方；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座位于复合薄膜底部的边沿区域，Si基座的中间挖空，挖空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔上面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；本发明具有可制造性好、温度稳定性高、机械强度高的优点。

Description

膜片上FBAR结构的微压力传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators)结构的微压力传感器，该结构的微压力传感器具有可制造性好、温度稳定性高、机械强度高、灵敏度高及线性度好等特点。

技术背景

微压力传感器是最重要的MEMS传感器之一，根据其工作原理，目前主要有电容式、压阻式及机械谐振式等结构。电容式和压阻式的微压力传感器输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容、电磁干扰等因素的影响，很难满足中高精度压力测量的要求；而基于微机械谐振器的谐振式微压力传感器输出频率准数字信号，具有抗干扰能力强、分辨率和测量精度高、适合单片集成等优点，但复杂的微机械结构、驱动与检测模式的耦合等易于导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。

薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代微机械谐振器，结合典型的硅微力敏结构，可以构建一种新型的高频谐振式微压力传感器，满足国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天及医疗器械等领域对高灵敏度的微压力传感器的需求。微压力传感器的工作原理是：当压力作用于弹性膜片时，弹性膜片会变形，使得集成在弹性膜片上的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，可以实现压力的读出或测量。

文献“Weber.J，Link.M，Primig.R，Pitzer.D.Sensor for Ambient Pressure andMaterial Strains using a Thin Film Bulk Acoustic Resonator.UltrasonicsSymposium，2005，pp:1258-1261”报道了一种基于薄膜体声波谐振器的环境压力与材料应变传感器。对于文献中的环境压力传感器，其特征在于直接对硅衬底的背部进行刻蚀得到一层硅膜片，同时形成空腔，压力使膜片产生变形导致FBAR谐振频率的偏移。该方案的缺点是：一、直接用硅作为FBAR的支撑层，降低了FBAR的性能，将导致FBAR产生多个谐振模式的干扰。二、用硅作为膜片，工艺上不易实现，膜片的厚度不易掌握，膜片太厚会使器件的灵敏度降低、太薄则会使器件的结构强度降低。

厦门大学公开了一种岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器，公开号为CN103278270A，该发明的特征在于感压薄膜为正面岛膜复合结构，在复合结构的应力最大的集中区设置4个压敏电阻，4个压敏电阻通过金属电极构成惠斯登电桥，通过硅-玻璃键和工艺将电桥密封于绝压腔内，使惠斯登电桥不受外界酸碱环境、粉尘等恶劣条件的影响，保证了器件的密闭性，提高了器件的寿命。该方案的主要缺点是：一、在制作压敏电阻时的掺杂浓度不易控制，这不利于精确控制压敏电阻的阻值并且会对灵敏度产生影响；二、压敏电阻的灵敏度低，不能满足中高精度压力测量的要求。三、压敏电阻的温度依赖性较强。

西北工业大学公开了一种基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器，公开号为CN101614604A，该发明的特征在于通过梳齿电容间的静电激励、电容检测原理得到微机械谐振器与外界压力相关的固有频率信号来检测压力。该方案的主要缺点是：一、该种压力传感器具有复杂的微机械结构，制造复杂。二、驱动与检测模式的耦合等易导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。三、基于这种梳齿结构的压力传感器，工作频率不高，不能满足高频领域压力传感器的应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，膜片上FBAR结构中，膜片用于将待测的压力转换为作用于FBAR的应变；FBAR作为一种电声谐振器，则用于将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f₀的偏移。膜片上FBAR结构的微压力传感器具有高灵敏度、低功耗(FBAR具有低功耗的优点)、高可靠性(避免了微机械谐振器中各种复杂的机/电失效模式)、制造性好(没有微机械谐振器中运动形式复杂的精细可动结构、CMOS工艺兼容易于单片集成)、高工作频率(f₀在GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，引线的分布较为灵活，且采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成弹性膜片；膜片上FBAR结构的微压力传感器，可望满足国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天及医疗器械等领域对高灵敏度的微压力传感器的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，力敏结构位于复合薄膜的下方，检测元件位于复合薄膜的上方；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，即Si基座与复合薄膜围起来的区域，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

对于检测元件，进一步具体结构和连接关系为：

所述FBAR主要包括压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片区域上面，即压电振荡堆位于弹性膜片区域上面的应力集中区；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴弹性膜片区域上，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆底电极侧面并延伸至弹性膜片区域上，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片区域上。

所述FBAR的压电振荡堆的数量≥1，形状为任意多边形；压电振荡堆固连在复合薄膜上的弹性膜片区域，即FBAR中的压电振荡堆位于正对于空腔上方的复合膜片之上。

所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

所述检测元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：第一次：底电极、底电极引线及底电极焊盘在底电极层进行沉积和图形化时形成；第二次：压电层在压电层进行沉积和图形化时形成；第三次：顶电极、顶电极引线及顶电极焊盘在顶电极层进行沉积和图形化时形成。底电极、顶电极位于弹性膜片区域之上，由于弹性膜片是一个连续、完整的平面，底电极引线和顶电极引线可以在弹性膜片区域上灵活布线，底电极焊盘和顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上面。

对于力敏结构，进一步的具体结构限定为：

所述弹性膜片区域为具有一定厚度的圆盘，Si基座的高度即为硅衬底的厚度。

所述空腔是通过硅衬底背面一次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口，通过刻蚀窗口一次背面刻蚀即确定空腔的深度和形状；Si基座形成后，Si基座和复合薄膜之间的空间构成空腔。

所述空腔的顶面是力敏结构中的弹性膜片区域，同时又用于形成FBAR的声波反射界面。

为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的压电振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似等于零，可以作为良好的声波反射边界。而压电振荡堆中顶电极一般与空气接触，自然形成了良好的声波反射界面，底电极因置于复合薄膜上面所以需要人为地形成声波反射界面，在本发明中即是空腔形成SiO₂反射界面。

对于复合薄膜，进一步的具体限定为：

所述复合薄膜是具有一定厚度的方形膜片，复合薄膜包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面，复合薄膜厚度即为SiO₂层与Si₃N₄层的厚度之和。

所述复合薄膜的弹性膜片区域不仅作为力敏结构中的弹性元件，也作为FBAR结构中的压电振荡堆的支撑层。

所述复合薄膜中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层具有负温度系数；复合薄膜的弹性膜片区域的SiO₂层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，可提高FBAR的温度稳定性。

由FBAR串联谐振频率f_s与压电层弹性系数c之间的关系式：知，压电层的弹性系数c与串联谐振频率f_s成正比。现有的多数的压电层其内部原子间的相互作用力一般都表现出负温度特性，即随着温度升高，原子间的相互作用力减弱，导致压电层的弹性系数变小。而FBAR的谐振频率又与压电层的弹性系数成正比关系，因此，随着温度的升高，FBAR的谐振频率减小。为降低这种温度-频率漂移特性的影响，必须对FBAR进行温度补偿以提高其温度稳定性。由于SiO₂层的杨氏模量随温度的升高而增大，即其温度系数为正值(约+85/℃)，因此，当正温度系数的SiO₂层在和负温度系数的压电层复合时，会减小彼此的温度漂移，故采用SiO₂层作为弹性膜片中的下层结构。

所述SiO₂层作为硅衬底背面刻蚀时的自停止层；由于刻蚀剂刻蚀SiO₂的速度远小于刻蚀Si的速度，可以确保刻蚀硅衬底时不会对SiO₂/Si₃N₄弹性膜片的厚度产生影响。

所述Si₃N₄层与SiO₂层复合，可用于增强力敏结构的机械强度。同时，Si₃N₄层是绝缘材料，FBAR结构中的底电极可以直接溅射在Si₃N₄层之上。

由于Si对FBAR结构的谐振频率影响很大，会使FBAR产生多个谐振模式，不利于压力信号的检测，故不能使用Si作为弹性膜片。Si₃N₄层具有高致密性、高介电常数、高绝缘强度等优良的物理性能及抗疲劳强度高、抗折断能力强等优良的机械性能；且较薄的Si₃N₄层不会对FBAR的谐振频率产生影响。为了提高器件的机械强度，故采用Si₃N₄层作为弹性膜片区域的上层结构。

本发明的有益效果如下：

本发明在实现微压力传感器高灵敏度、高可靠性与高工作频率的同时，还能改善微压力传感器的温度稳定性，采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺形成微压力传感器的弹性膜片，具有机械强度大、布线方便的优点。膜片上FBAR结构的微压力传感器，可望满足国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天及医疗器械等领域对高灵敏度的微压力传感器的需求。

附图说明

图1(a)-1(e)为本发明的俯视结构示意图；

图2(a)为图1A—A‘方向上的横截面示意图，图2(b)和图2(c)为键合后的横截面示意图；

图3为本发明的图1的仰视结构示意图；

图4(a)-图4(g)为本发明主要制作工艺步骤示意图；

其中，附图标记为：1复合薄膜，2检测元件，3Si基座，4弹性膜片区域，5空腔，6SiO₂层，7Si₃N₄层，8压电振荡堆，9焊盘，10引线，11底电极，12压电层，13顶电极，14硅衬底，15硅片，16玻璃片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1(a)-1(e)和图2分别为本发明的俯视结构示意图和横截面示意图。

膜片上FBAR结构的微压力传感器，包括力敏结构、检测元件2和复合薄膜1，复合薄膜1用于连接力敏结构和检测元件2，力敏结构位于复合薄膜1的下方，检测元件2位于复合薄膜1的上方；力敏结构包括Si基座3与空腔5；Si基座3设置于复合薄膜1底部的边沿区域，Si基座3沿复合薄膜1底部的边沿区域一圈设置，Si基座3围绕的中空部分与复合薄膜1之间形成为空腔5，即Si基座3与复合薄膜1围起来的区域，空腔5上面对应的复合薄膜1为弹性膜片区域4；检测元件2包括FBAR、引线10和焊盘9，FBAR通过引线10与焊盘9连接。

对于检测元件2，进一步具体结构和连接关系为：

所述FBAR主要包括有压电振荡堆8，压电振荡堆8位于空腔5上面对应的弹性膜片区域4上面，即压电振荡堆8位于复合膜片上面的应力集中区；压电振荡堆8由下到上依次包括底电极11、压电层12、顶电极13，底电极11紧贴设置于弹性膜片区域4上面，压电层12底面的一部分紧贴底电极11上面，压电层12底面的另一部分向弹性膜片区域4中心方向包覆底电极11侧面并延伸至紧贴弹性膜片区域4上面，顶电极13底面的一部分紧贴压电层12的上面，顶电极13底面的另一部分向弹性膜片区域4中心方向包覆压电层12侧面并延伸至弹性膜片区域4上面。

压电振荡堆8的形状为任意正多边形，可以是图1(a)所示的矩形，也可以是图1(b)所示的正方形或者是图1(c)所示的正五边形等；压电振荡堆8在弹性膜片区域4上分布的位置可以如图1(b)所示靠近弹性膜片区域4的外边沿处，也可以如图1(d)所述位于弹性膜片区域4的中间；压电振荡堆9的数量可以如图1(a)所示的四个，也可以如图1(e)所示的两个或多个，但至少有一个；其所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，具有高灵敏度与高可靠性、工艺简单、温度稳定性好、器件机械强度高等特点。

所述引线10包括底电极引线与顶电极引线，焊盘9包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极11通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极13通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

对于力敏结构，进一步的具体结构限定为：

所述弹性膜片区域4为具有一定厚度的圆盘，Si基座3的高度即为硅衬底14的厚度。

如图3所示，检测元件2采用工艺较为简单的背腔刻蚀对Si衬底进行刻蚀，形成Si基座3与空腔5。首先，对硅衬底14底部进行图形化形成刻蚀窗口，采用深反应离子刻蚀对硅衬底14进行刻蚀，确定空腔5的深度和形状。其次，由于SiO₂层6在深反应离子刻蚀中具有较高的刻蚀比，故释放窗口内的Si刻蚀完全后反应停止，不会对SiO₂层6刻蚀进行过刻蚀。其空腔5的形状为对硅衬底14进行刻蚀后形成的Si基座3与弹性膜片区域4包围的空腔5的形状。本发明的微压力传感器可以将空腔5底部密封或者不密封，如果密封，可以把空腔5底部用硅片15封闭起来，采用硅-硅键合技术做成如图2(b)所示的微压力传感器；也可以把空腔5底部用玻璃片16封闭起来，采用硅-玻璃键合技术做成如图2(c)所示的微压力传感器；可以在真空条件下进行键合做成如图2(b)和2(c)的绝对压力传感器，也可以不封闭即为如图2(a)所示的差压传感器。

所述空腔5的顶面是力敏结构中的弹性膜片区域4，同时又用于形成FBAR结构的声波反射界面。

对于复合薄膜1，进一步的具体限定为：

所述复合薄膜1是具有一定厚度的正方形膜片，复合薄膜1包括SiO₂层6和Si₃N₄层7，SiO₂层6与Si基座3连接，Si₃N₄层7位于SiO₂层6上面，复合薄膜1的厚度即为SiO₂层6与Si₃N₄层7的厚度之和。

所述复合薄膜1的弹性膜片区域4不仅作为力敏结构中的弹性元件，也作为FBAR结构中的压电振荡堆8的支撑层。

所述复合薄膜1中的SiO₂层6具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层12具有负温度系数；复合薄膜1的弹性膜片区域4的SiO₂层6与FBAR的压电层12复合，进行温度补偿，可提高FBAR结构的温度稳定性。

对于本发明的膜片上FBAR结构中复合薄膜1，其所受的应力越靠近中心越小，应力集中在弹性膜片区域4的边缘部分。当弹性膜片受到压力作用时，在弹性膜片区域4上产生横向(长度或宽度方向)应变，使得设置于Si₃N₄层7顶部、工作于纵波模式下FBAR的压电振荡堆8中的压电层12发生面内变形。根据应变的二次效应，长度或宽度方向的应变将导致压电层12厚度改变，在压电层12内产生纵向的应变，从而导致FBAR的谐振频率发生偏移。膜片上FBAR结构的微压力传感器应力最大处集中在弹性膜片区域4的边缘部分，为了使该结构的微压力传感器有较好的灵敏度，将检测元件2中的压电振荡堆8设置于该区域上。

对于膜片上FBAR结构，压电振荡堆8设置在Si₃N₄层7顶部，其谐振频率随弹性膜片区域4(或压电振荡堆8中压电层12)中应力变化而偏移的根本原因是FBAR的基频谐振频率主要由压电层12的属性决定，忽略底电极11与顶电极13的影响，可以简单表示为：

式中，f为FBAR的串联谐振频率，V_z是声波的纵波传播速度，d是压电层12的厚度。由式(1)可知，FBAR的谐振频率与其纵波传播速度有关。而FBAR的纵波声速为：

式中，c₃₃、e_z3和ε_zz分别为压电层12的弹性系数、压电常数和介电常数，ρ为压电层12的密度。而应力将改变晶胞的晶格常数a、c和晶胞内部参数μ，从而改变了晶胞体积，导致晶胞总能量发生变化，引起压电层12弹性系数c₃₃的改变。故在压力的作用下，弹性膜片区域4中产生应变，由于压电振荡堆8集成在Si₃N₄层7顶部，应变转移至压电振荡堆8中的压电层12，导致压电层12弹性系数c₃₃改变，最终使薄FBAR谐振频率发生偏移。

图4为本发明膜片上FBAR结构微压力传感器主要制作工艺步骤示意图，包括4(a)-4(g)八个主要工艺步骤。4(a)为初始的硅衬底14；在4(b)中，通过干-湿-干氧化在硅衬底14上表面形成一层SiO₂层6；在4(c)中，通过低压化学气相淀积法在SiO₂层6上表面形成一层Si₃N₄层7，SiO₂层6与Si₃N₄层7构成了复合薄膜1；在4(d)中，通过磁控溅射和超声剥离在Si₃N₄层7上表面形成Pt底电极11；在4(e)中，通过反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在Pt底电极11上表面形成AlN压电薄膜的压电层12；在4(f)中，通过磁控溅射和湿法腐蚀在AlN压电薄膜的压电层12上表面形成Al顶电极13；在4(g)中，通过深反应离子刻蚀对硅衬底14下表面进行刻蚀，形成Si基座3，同时形成空腔5。

Claims (10)

1.膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，力敏结构位于复合薄膜的下方，检测元件位于复合薄膜的上方；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；所述复合薄膜包括SiO₂层和Si₃N₄层，SiO₂层与Si基座连接，Si₃N₄层位于SiO₂层上面；

所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片区域上面，弹性膜片区域为复合薄膜的应力集中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜片区域上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆底电极侧面并延伸至紧贴弹性膜片区域上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片区域上面。

2.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述FBAR的压电振荡堆的数量≥1。

3.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。

4.根据权利要求3所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述底电极焊盘、顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上面。

5.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述检测元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：第一次，底电极、底电极引线及底电极焊盘在底电极层进行沉积和图形化时形成；第二次，压电层在压电层进行沉积和图形化时形成；第三次，顶电极、顶电极引线及顶电极焊盘在顶电极层进行沉积和图形化时形成。

6.根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述弹性膜片区域的形状为圆形。

7.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述空腔是通过硅衬底背面一次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口；然后，通过刻蚀窗口一次背面刻蚀就确定空腔的高度与形状；空腔的形状为圆柱体。

8.根据权利要求7所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述空腔的顶面还用于形成FBAR的声波反射界面。

9.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述复合薄膜中的SiO₂层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；所述FBAR的压电层具有负温度系数；复合薄膜的弹性膜片区域的SiO₂层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，用于提高FBAR的温度稳定性。

10.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述复合薄膜中的SiO₂层作为硅衬底背面刻蚀的自停止层。