CN105784222A

CN105784222A - 体声波壁面剪切应力传感器

Info

Publication number: CN105784222A
Application number: CN201610295276.6A
Authority: CN
Inventors: 高杨; 赵俊武; 雷强; 王雄; 邱华诚; 刘婷婷; 袁明权; 张茜梅
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: CN105784222B

Abstract

本发明公开了体声波壁面剪切应力传感器，包括基底、支撑层、检测元件、敏感元件、外壳、上盖板和读出电路，基底位于支撑层下方，支撑层、外壳和上盖板之间形成一空腔结构；支撑层上安装位于空腔内的检测元件，检测元件上安装敏感原件；敏感元件的顶面与上盖板的顶面齐平，且敏感元件的顶部与上盖板的开口之间留有间隙；读出电路通过基底底部的焊盘与检测元件连接；本发明可以将表面摩阻转化为FBAR的应力载荷，进而改变FBAR的谐振频率，通过读出电路实现体声波壁面剪切应力传感器检测信号的读出或测量；具有体积小、灵敏度高、集成度高以及与被测物共形等特点；可望满足航空航天、武器工程、汽车等领域对摩阻传感器的应用需求。

Description

体声波壁面剪切应力传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种体声波壁面剪切应力传感器。

背景技术

高超声速飞行器对国家的国际战略格局、军事力量增加、科学技术进步、社会经济发展以及综合国力提升等具有重大影响，其相关技术研究正日益成为世界各国航天航空领域研究的热点。但是，现代高超声速飞行器的发展依然存在许多待解决的关键技术，其中一个关键技术就是飞行器表面摩擦阻力的精确测量。飞行器高速飞行时摩擦阻力最大可占飞行器总阻力的50%，直接影响到飞行器的有效航程，严重制约了飞行器的性能。为了提高飞行器性能需要进行超高速飞行器表面摩擦阻力的测量。

现有测量飞行器表面摩擦阻力的方法有很多，其中速度剖面法、摩阻天平法、干涉油膜法和基于MEMS技术的测量方法受到比较高的重视。基于MEMS技术的摩阻传感器具有很多的优点：由于可探测到的最小压力较小，因此灵敏度高；由于使用单片集成而不是组装的制造工艺，对于同一个晶圆上生产的裸芯片可以忽略对准误差；由于MEMS器件的尺度效应，压力梯度引起的测量误差可以忽略，并且对横向振动和加速度的敏感性较低等。

传统的摩阻传感器尺寸通常是毫米级别，分别制造传感器的各个组件，最后采用组装的方式组合在一起。例如，吕治国等人的“激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究”报道的一种分体式压电摩阻天平，虽然采用分体设计具有可更换测量块以适应不同测量环境条件的优点，但是如何保证测量块的精准无偏差安装或更换是一个问题，也就是对准误差无法控制。由于其尺寸为毫米级别，压力梯度引起的测量误差不可忽略，而且对横向振动和加速度的敏感性使得测量结果不准确，但是基于MEMS技术的摩阻传感器则能有效地克服传统摩阻传感器的这些缺点。现有基于MEMS技术的摩阻传感器测量原理主要有电学和光学摩阻传感器等，其中光学摩阻传感器精度高，但是光学检测设备难于集成；基于电学测量原理的摩阻传感器易于集成，但是精度较低。KazamaR等的“Airflowshearstresssensorusingside-walldopedpiezoresistiveplate”和MillsD等的“CharacterizationofanOpticalMoiréWallShearStressSensorforHarshEnvironments”分别报道了一种压阻平板剪切应力传感器和恶劣环境中的光学莫尔条纹上盖板剪切应力传感器，其中前者是基于电学测量原理的摩阻传感器，精度为0.67Pa远低于后者基于光学测量原理的摩阻传感器（精度为0.53mPa）。但是基于光学测量原理的摩阻传感器集成度底，特别是光学检测设备难于集成使得传感器整体结构体积大限制应用。

发明内容

本发明为克服上述技术缺陷，提供了一种测量表面摩擦阻力的体声波壁面剪切应力传感器，该种摩阻传感器的结构体积小，具有高灵敏度、低功耗、高可靠性、集成度高、制造性好的特点，采用底声学阻抗层作为FBAR（薄膜体声波谐振器，filmbulkacoustic-waveresonators）的支撑层相对于空腔型FBAR还能增加FBAR结构的鲁棒性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：包括基底、支撑层、检测元件、敏感元件、外壳、上盖板和读出电路，基底上紧贴设置支撑层，外壳沿支撑层上方的边缘一周设置，外壳的顶部设置上盖板，上盖板中间开设有安放敏感元件顶部的开口，支撑层、外壳和上盖板之间形成一个空腔结构；支撑层上安装位于空腔内的检测元件，检测元件上安装敏感原件；敏感元件的顶面与上盖板的顶面齐平，且敏感元件的顶部与上盖板的开口之间留有间隙；

所述检测元件包括FBAR、电极引线和焊盘，FBAR位于空腔内的底部紧贴设置于支撑层上，焊盘位于空腔外设置于基底的底部，FBAR通过两电极引线穿过支撑层、基底与焊盘连接；

所述敏感元件包括支撑梁和浮动元件，支撑梁的底端设置于FBAR的中心区域上，支撑梁的顶端安装浮动元件；

所述焊盘连接读出电路。

对于基底，进一步限定为：

所述基底位于传感器的底层，其材料可以是Si，但是为了满足不同应用场景需求，比如表面为曲面的情况，基底材料也可以使用聚酰亚胺等柔性材料。

对于支撑层，进一步限定为：

所述支撑层用于支撑检测元件，并且作为检测元件的声学反射层。所述支撑层可以是聚合物，或者SiOCH(含碳氧化硅)，或者非晶碳。当采用聚合物时，以聚酰亚胺为例，支撑层通过旋转涂胶工艺形成。为了保证FBAR高性能工作需要将声波限制在FBAR三层结构中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射。聚酰亚胺的声阻抗接近零，能够很好的反射声波，但是为了避免声波泄漏到基底中，聚酰亚胺支撑层的厚度必须在9μm以上。

对于检测元件，进一步限定为：

所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极；底电极覆盖于支撑层、基底上安装电极引线的一个通孔上，顶电极覆盖于支撑层、基底上安装电极引线的另一个通孔上，底电极、顶电极分别与通孔中的电极引线形成电气连接；底电极呈平面紧贴设置于支撑层上，底电极与顶电极之间紧贴设置压电层，压电层呈L型紧贴于底电极的一端面的外侧和上面，即压电层的一部分底面紧贴于支撑层上面，压电层的剩余部分的底面则紧贴于底电极的上面；顶电极也呈L型紧贴于压电层的一端面的外侧和上面，即顶电极的一部分底面覆盖于支撑层的通孔上，顶电极的剩余部分底面则紧贴于压电层的上面。

所述焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，底电极通过电极引线与底电极焊盘连接，顶电极通过电极引线与顶电极焊盘连接。焊盘位于传感器的底部，读出电路的引线从传感器底部引出可以避免对流场形成干扰。

所述FBAR通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：通过第一次金属层沉积和图形化时，形成底电极；第二次压电材料沉积和图形化时形成压电层；第三次金属层沉积和图形化时形成顶电极；电极引线通过电镀工艺填充到基底、支撑层的通孔内；焊盘通过沉积和图形化工艺形成于基底底部。

所述FBAR可以为任意多边形；所述电极引线均可以采用金属Al。

对于敏感元件，进一步具体限定为：

所述支撑梁的材料为聚酰亚胺，呈细长圆柱形；所述浮动元件材料为金属圆形平板结构。通过深反应离子刻蚀工艺形成支撑梁和浮动元件。

对于外壳、上盖板，进一步具体限定为：

所述外壳可为聚酰亚胺材料，用于保护敏感元件，外壳的高度与支撑梁的高度相同；所述上盖板的材料与浮动元件的材料相同，上盖板的厚度与浮动元件的厚度相同，所述上盖板的边缘部分位于外壳上面，剩余部分悬在空腔之上，所述上盖板与浮动元件齐平是为了保证传感器的性能。

采用MEMS集成制造工艺制造，所述外壳、空腔、上盖板均在形成敏感元件的深反应离子刻蚀工艺中同时形成。在深反应离子刻蚀工艺中，浮动元件和上盖板作为刻蚀掩膜。

对于读出电路，进一步限定为：

所述读出电路可以采用两种不同的方案，第一种是基于六端口反射计的读出电路，第二种是基于Pierce振荡器的读出电路，两种读出电路既可以采用分立元件搭建，也可以采用集成电路工艺制造。

对于第一种：是基于六端口反射计的读出电路，该方案的连接方式是在六端口反射计的一端口连接信号源，另一端口连接待测器件。

对于第二种：是采用基于Pierce振荡器的读出电路，根据FBAR在串、并联谐振频率之间呈现感性的特点，FBAR与两个电容C₁、C₂构成了组成Pierce振荡器的基本电抗元件，满足回路总电抗为零的振荡条件，四个电阻R₁、R₂、R_e、R_c为振荡器的三极管提供工作所需的直流偏置，电感一L₁防止高频信号干扰电源，电感二L₂防止高频信号到地，耦合电容C_b的作用是将反馈信号耦合到振荡器的输入端，缓冲器的作用对外接电路进行隔离，防止外接电路对振荡器造成干扰，影响振荡器的起振条件和频率稳定度。分频器将传感器输出的射频信号的频率降低到满足数字信号处理的频段，ADC将模拟信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理。

本发明的工作原理是：当摩擦阻力作用于浮动元件表面时，浮动元件发生位移，使支撑梁弯曲变形，支撑梁上应力耦合到FBAR中，使FBAR表面应力发生变化，最终导致FBAR谐振频率偏移。

本发明的有益效果如下：

本发明利用FBAR对外部应力载荷敏感的特性，构建了一种基于MEMS技术又采用体声波检测原理的体声波壁面剪切应力传感器，该传感器可以将表面摩阻转化为FBAR的应力载荷，进而改变FBAR的谐振频率，通过基于六端口反射计的读出电路或者基于Pierce振荡器的读出电路实现体声波壁面剪切应力传感器检测信号的读出或测量；具有体积小、灵敏度高、集成度高以及与被测物共形等特点；在实现摩阻传感器高灵敏度与高工作频率的同时，还能改善FBAR的鲁棒性，采用较为简单的刻蚀工艺同时形成空腔、外壳、浮动元件和支撑梁，读出电路引线从传感器的底部引出可以避免对流场产生干扰；本发明可望满足航空航天、武器工程、汽车等领域对高灵敏度、可制造性好的新型摩阻传感器的应用需求。

附图说明

图1（a）-图1（c）为本发明包含不同形状FBAR的俯视结构示意图；

图1（d）为本发明采用同一形状FBAR阵列的俯视结构示意图；

图2（a）为图1（a）中A-A的横截面示意图；

图2（b）为相对于图2（a）存在不对准误差的横截面示意图；

图3为本发明的仰视结构示意图；

图4（a）-图4（b）为本发明的原理图；

图5（a）-图5（j2）为本发明主要制作工艺步骤示意图；

图6为本发明的纵向剖面的立体结构示意图；

图7为本发明的立体结构示意图。

其中，附图标记为：1-基底，2-支撑层，3-电极引线，4-焊盘，5-底电极，6-压电层，7-顶电极，8-外壳，9-支撑梁，10-浮动元件，11-上盖板，12-空腔，13-间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图1（a）-图1（c）所示，分别为本发明不同形状FBAR的俯视结构示意图，图1（d）为本发明采用若干同一形状FBAR形成阵列的俯视结构示意图，图2（a）所示为本发明对应图1（a）的侧视结构示意图，图3所示为本发明的仰视结构示意图。

如图2（a）、图6-7所示，体声波壁面剪切应力传感器，包括基底1、支撑层2、检测元件、敏感元件、外壳8、上盖板11和空腔12，基底1位于支撑层2下方，检测元件位于支撑层2上方，支撑层2用于支撑检测元件，敏感元件位于检测元件上方，敏感元件用于感应上盖板11摩擦阻力，外壳8位于支撑层2上方并将敏感元件包围，空腔12位于外壳8与敏感元件之间，上盖板11一部分位于外壳8上方，另一部分位于空腔12上方，作为刻蚀空腔12时的掩膜；基底1外形为一长方体，既可以是柔性的材料也可以是非柔性材料；支撑层2厚度至少为9μm厚，这样可以将声波限制在FBAR三层结构中；检测元件包括FBAR、电极引线3和焊盘4，FBAR包括压电振荡堆，压电振荡堆由下到上依次包括底电极5、压电层6、顶电极7，底电极5通过底电极引线与底电极焊盘连接，顶电极7通过顶电极引线与顶电极焊盘连接；敏感元件包括支撑梁9和浮动元件10，支撑梁9为细长圆柱形梁，梁的一端位于FBAR结构中心区域，梁的另一端支撑浮动元件10并紧贴于浮动元件10下表面，梁的材料为聚酰亚胺，浮动元件10材料为金属；在刻蚀形成空腔12的工艺步骤中浮动元件10作为刻蚀掩膜。外壳8位于支撑层2上方，刻蚀形成空腔12的过程中同时形成外壳8，上盖板11位于外壳8上面并与浮动元件10保持齐平。

所述基底1可以使用Si材料也可以使用聚合物、SiOCH或者非晶碳等材料。

所述支撑层2既作为FBAR的支撑层又作为FBAR的声学反射层。

所述检测元件包括FBAR、电极引线3和焊盘4；所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆可以是如图1（a）所示的圆形，也可以是如图1（b）所示的正方形或者如图1（c）所示的正五边形，还可以是任意的正多边形。图1（d）为圆形压电振荡堆的传感器阵列结构俯视图。

所述敏感元件包括支撑梁9和浮动元件10，支撑梁9为圆柱形细长结构，其材料为聚酰亚胺，支撑梁9的厚度为10μm-1000μm；浮动元件10位于支撑梁9一端，其材料为铝，其中浮动元件10的材料可以根据不同的需求沉积不同的金属材料，比如金、钛等等。由于工艺误差等因素可能导致器件结构的不对准误差，如图2（b）所示，H为上盖板11与浮动元件10的不对准误差。

图3为本发明的仰视结构示意图。图3中，基底1底面的焊盘4与焊盘4到互连通孔的电极引线3通过沉积和图形化工艺形成，焊盘4的位置可以灵活设置。

对于体声波壁面剪切应力传感器的检测元件中FBAR，压电振荡堆设置在敏感元件下方，其谐振频率随敏感元件中应力变化而偏移的根本原因是FBAR的谐振频率主要由压电层6的性质决定，由于电极的厚度较薄，忽略电极的影响，浮动元件10上表面受摩擦力作用，浮动元件10会发生位移，从而带动支撑梁9弯曲，应力耦合到FBAR压电振荡堆的压电层6中，导致压电层6弹性系数改变，最终使FBAR谐振频率发生改变。

图4为本发明的原理图，图4（a）中的电路图为基于Pierce振荡器的读出电路原理图，图4（b）中的电路框图为基于六端口反射计的读出电路原理框图，其中1端口连接信号源，2端口连接待测器件FBAR。

图5（a）-5（j2）为本发明体声波壁面剪切应力传感器主要制作工艺步骤示意图。其中：

图5（a）为初始的硅材质的基底1；

图5（b1），通过旋转涂胶法旋涂聚酰亚胺，然后烘烤固化形成支撑层2，图5（b2），将旋涂的聚酰亚胺热裂解后形成非晶碳支撑层2；

图5（c1）-5（c2）中，互联通孔通过垂直通孔技术（TSV，Through-Silicon-Via）制造，通过电镀工艺在互连通孔中填充金属形成电极引线3；

图5（d1）-5（d2）中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在支撑层2上面形成底电极5；

图5（e1）-5（e2）中，通过低温反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极5上表面沉积并图形化压电层6；

图5（f1）-5（f2）中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在压电层6上面沉积并图形化顶电极7；

图5（g1）-5（g2）中，通过旋转涂胶法旋涂聚酰亚胺，然后烘烤固化；

图5（h1）-5（h2）中，在上一步工艺中形成的聚酰亚胺层上表面沉积指定厚度的金属并图形化；

图5（i1）-5（i2）中，在基底1的底部沉积并图形化形成焊盘4和一部分电极引线3；

图5（j1）-5（j2）中，采用深反应离子刻蚀（DRIE,DeepReactiveIronEtching）工艺刻蚀图5（g2）中形成的聚酰亚胺，利用图5（h2）中形成的金属层作为掩膜，刻蚀至FBAR三层结构完全暴露出来之后停止，由此同时形成外壳8、支撑梁9、浮动元件10、上盖板11、空腔12和间隙13。

Claims

1.体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：包括基底(1)、支撑层（2）、检测元件、敏感元件、外壳（8）、上盖板（11）和读出电路，基底(1)上紧贴设置支撑层（2），外壳（8）沿支撑层（2）上方的边缘一周设置，外壳（8）的顶部设置上盖板（11），上盖板（11）中间开设有安放敏感元件顶部的开口，支撑层（2）、外壳（8）和上盖板（11）之间形成一个空腔（12）的结构；支撑层（2）上安装位于空腔（12）内的检测元件，检测元件上安装敏感原件；敏感元件的顶面与上盖板（11）的顶面齐平，且敏感元件的顶部与上盖板（11）的开口之间留有间隙（13）；

所述检测元件包括FBAR、电极引线（3）和焊盘（4），FBAR位于空腔（12）内的底部紧贴设置于支撑层（2）上，焊盘（4）位于空腔（12）外设置于基底(1)的底部，FBAR通过两电极引线（3）穿过支撑层（2）、基底(1)与两焊盘（4）连接；

所述敏感元件包括支撑梁（9）和浮动元件（10），支撑梁（9）的底端设置于FBAR的中心区域上，支撑梁（9）的顶端安装浮动元件（10）；

所述焊盘（4）连接读出电路。

2.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述基底(1)的材料使用Si，或者柔性材料；所述支撑层（2）的材料是聚合物，或者含碳氧化硅，或者非晶碳。

3.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述FBAR包括有压电振荡堆，压电振荡堆由下到上依次包括底电极（5）、压电层（6）、顶电极（7）；底电极（5）覆盖于支撑层（2）、基底(1)上安装电极引线（3）的一个通孔上，顶电极（7）覆盖于支撑层（2）、基底(1)上安装电极引线（3）的另一个通孔上，底电极（5）、顶电极（7）分别与通孔中的电极引线（3）形成电气连接；底电极（5）呈平面紧贴设置于支撑层（2）上，底电极（5）与顶电极（7）之间紧贴设置压电层（6），压电层（6）呈L型紧贴于底电极（5）的一端面的外侧和上面，即压电层（6）的一部分底面紧贴于支撑层（2）上面，压电层（6）的剩余部分的底面则紧贴于底电极（5）的上面；顶电极（7）也呈L型紧贴于压电层（6）的一端面的外侧和上面，即顶电极（7）的一部分底面覆盖于支撑层（2）的通孔上，顶电极（7）的剩余部分底面则紧贴于压电层（6）的上面。

4.根据权利要求1或3所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述FBAR为任意多边形。

5.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述焊盘（4）包括底电极焊盘与顶电极焊盘，底电极（5）通过一电极引线（3）与底电极焊盘连接，顶电极（7）通过另一电极引线（3）与顶电极焊盘连接；所述电极引线（3）均为金属Al。

6.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述支撑梁（9）的材料为聚酰亚胺，呈细长圆柱形；浮动元件（10）为金属圆形平板结构。

7.根据权利要求1或6所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述外壳（8）为聚酰亚胺材料，外壳（8）的高度与支撑梁（9）的高度相同；所述上盖板（11）的材料与浮动元件（10）的材料相同，上盖板（11）的厚度与浮动元件（10）的厚度相同。

8.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述外壳（8）、空腔（12）、上盖板（11）均在形成敏感元件的深反应离子刻蚀工艺中同时形成。

9.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述读出电路是基于六端口反射计的读出电路，连接方式是：在六端口反射计的一端口连接信号源，另一端口连接所述传感器的底部的两焊盘（4）。

10.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于：所述读出电路是采用基于Pierce振荡器的读出电路。

11.根据权利要求1所述的体声波壁面剪切应力传感器，其特征在于工作原理是：当摩擦阻力作用于浮动元件（10）表面时，浮动元件（10）发生位移，使支撑梁（9）弯曲变形，支撑梁（9）上应力耦合到FBAR中，使FBAR表面应力发生变化，最终导致FBAR谐振频率偏移。