CN107192481A - 一种基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，涉及一种微压力传感器。包括硅衬底(1)、支撑层(2)、空气隙(3)、AlN压电薄膜(4)、双电极层(5)、接地层(6)、微压力敏感层(7)及微压力施加层(8)；所述硅衬底(1)上表面采用硅表面刻蚀工艺与所述AlN压电薄膜(4)间形成空气隙(3)，在所述硅衬底(1)上表面淀积一层支撑层(2)连接所述AlN压电薄膜(4)，所述AlN压电薄膜(4)上表面为双电极层(5)和所述接地层(6)，所述接地层(6)上表面淀积4个所述微压力敏感层(7)，所述微压力敏感层(7)上键合所述微压力施加层(8)。本发明具有机械强度高、体积小、谐振频率高、检测精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种FBAR微压力传感器，具体涉及一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。
背景技术
近年来，随着微机电系统(MEMS)制造技术的快速发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)在无线通信领域获得了广泛的商业应用。其具有相对体积小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高等优点。同时，由于其谐振频率高，因而具有优异的传感灵敏特性。鉴于薄膜体声波谐振器本身具有的这些优良特性，其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。
微压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。按照原理划分，微压力传感器包括压阻式微压力传感器、电容式微压力传感器以及谐振式微压力传感器等。其中，FBAR微压力传感器属于谐振式微压力传感器的一种。相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，FBAR微压力传感器拥有更高的工作频率和品质因数，这意味着可以得到更高的分辨率和压力检测灵敏度。未来在石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、国防军工等行业有广泛的应用前景。
根据FBAR中体声波传播模式的不同，可以将FBAR器件分为纵波模式(longitudinal mode)和剪切波模式(shear mode)。通常剪切波声速大约是纵波声速的一半，这使得时变信号在给定瞬时能够在更小尺寸的晶体基片上完全呈现。故在相同的谐振频率下，剪切波模式的FBAR的尺寸要比纵波模式的FBAR的尺寸小很多；且由于纵波在液相环境中传输时衰减较大，剪切波模式的FBAR在液相环境中的Q值要比纵波模式的FBAR高，因此剪切波模式的FBAR体积更小、更适用于液相环境或粘性介质中的传感应用。
根据声波激励方式的不同，可以将剪切波模式FBAR器件分为厚度方向激励模式（TE，Thickness Excited）和侧向场激励模式（LFE，Lateral Field Excited）。其中侧向场激励剪切波模式FBAR的压电薄膜c轴取向与厚度方向一致，但其电极位于压电薄膜的同一侧，即电场方向与压电层方向厚度方向垂直。相比于厚度方向激励模式FBAR，侧向场激励模式FBAR的制作工艺简单，且由于无需控制压电材料c轴取向倾斜角度，工艺重复性比需要压电材料c轴倾斜生长的厚度场激励模式要好。综上所述，侧向场激励剪切波模式的FBAR具有众多的优点，未来在传感器领域内有着很广泛的应用前景。
中国工程物理研究院电子工程研究所公布了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，公布号为CN104614099A，该发明的特征在于采用了膜片上FBAR结构，结构集成了力敏结构、检测元件和复合薄膜。FBAR作为一种电声谐振器，将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f0的偏移来检测压力。该方案的缺点是：一、该微压力传感器采用的是背部刻蚀型的结构，该结构因采用MEMS的体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分硅材料，势必影响器件的机械牢固度，虽然设置了低应力的支撑层，但大幅度降低了成品率。二、该微压力传感器采用的是三明治结构的纵波模式，纵波在液相环境或粘性介质中衰减较大，采用纵波模式局限了FBAR微压力传感器的应用领域和场合。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术的不足，提出了一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。这种FBAR微压力传感器具有高Q值和高工作频率，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，并能够在封闭环境、液相环境或粘性介质中的环境中工作。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明为一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底、支撑层、空气隙、AlN压电薄膜、双电极层、接地层、微压力敏感层、微压力施加层。
所述硅衬底上表面采用硅表面刻蚀工艺与所述AlN压电薄膜间形成空气隙，在所述硅衬底上表面淀积一层支撑层连接所述AlN压电薄膜，所述AlN压电薄膜上表面为双电极层和所述接地层，所述接地层上表面淀积4个所述微压力敏感层，所述微压力敏感层上键合所述微压力施加层。采用空气隙型结构能很好地将声波限制于压电薄膜之内，获得较高的Q值；且机械牢固度相比于硅片背面刻蚀型结构也得到了有效的提升。
进一步，所述AlN压电薄膜的c轴取向与厚度方向一致，降低了AlN压电薄膜倾斜角度在制备过程中的误差对传感器性能产生的影响。
进一步，所述支撑层采用Si3N4材料。Si3N4具有较低的热导率、较高的机械强度及较低的应力，可以增强器件结构的机械强度。
进一步，所述双电极层采用Mo作为电极材料。Mo作为电极材料的FBAR器件可以获得比其他电极材料更高的谐振频率和Q值。
进一步，所述双电极层设置在所述压电薄膜上表面的中部，所述接地层设置在所述压电薄膜上表面对称的两个边沿处，所述接地层上表面设有四个所述微压力敏感层。这样设计，可以增大了敏感区域的面积，更好地接收压力信号。
进一步，所述微压力施加层采用硅材料，所述微压力施加层作为微压力检测时的均匀受力结构。这样的设计，在检测时避免微压力直接作用在器件表面所造成的结构受损。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提出的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，采用侧向场激励模式，制作工艺简单且无需控制压电材料c轴取向倾斜角度。具有结构机械牢固度高、分辨率高、灵敏度高、功耗低、成本低等特点。能够在封闭环境、液体环境或粘性介质环境中工作。可以满足微压力传感器微型化、集成化的技术需求。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为图1 A-A方向的结构示意图；
图3为图1 B-B方向的结构示意图；
图4 (a) -图4 (j) 为本发明主要制作工艺步骤示意图；
图5为本发明的压强-特征频率关系图；
图6为本发明在不同压力条件下的频响曲线图。
具体实施例
如图1、图2和图3所示为一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底1、支撑层2、空气隙3、AlN压电薄膜4、双电极层5、接地层6、微压力敏感层7和微压力施加层8。
硅衬底1上表面采用硅表面刻蚀工艺与AlN压电薄膜4间形成空气隙3，在硅衬底1上表面淀积一层支撑层2连接AlN压电薄膜4，支撑层2为Si3N4材料，AlN压电薄膜4上表面为双电极层5和接地层6，双电极层5设置在AlN压电薄膜4上表面的中部，并采用Mo作为电极材料。接地层6设置在AlN压电薄膜4上表面平行的两个边沿处，接地层6上表面淀积4个微压力敏感层7，微压力敏感层7上键合采用硅材料的微压力施加层8作为微压力检测时的均匀受力结构。
图4 (a) -图4 (j)为本发明基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的制备工艺步骤示意图，包括4 (a) -4 (j)十个主要步骤。在制备开始前，先对硅衬底1进行RCA清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒。4(a)在硅衬底1上使用硅微加工工艺刻蚀一个空气隙3。4(b)使用LPCVD工艺生长一层Si3N4材料的支撑层2。4(c)在已经形成好的结构上淀积一层牺牲层材料PSG。4(d)化学机械抛光去除多余的牺牲层材料，使牺牲层材料完全填充在空气隙3中。4(e)使用磁控溅射生长一层AlN压电薄膜层4。4(f)在AlN压电薄膜层4上淀积双电极层5，并使用光刻工艺图形化双电极层5。4(g)在AlN压电薄膜层4上淀积接地层6，并使用光刻工艺图形化接地层6。4(h)在接地层6上紧贴一层微压力敏感层7，并使用光刻技术图形化微压力敏感层7。4(i)使用HF腐蚀PSG牺牲层材料，获得空气隙3。4(j)在微压力敏感层7上键合一层硅作为微压力施加层8。
为了验证本发明提出的基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的可行性，对其进行了多物理场有限元仿真。图5所示为基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的压强-特征频率关系。由图可见，基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器在0-1000kPa的压力范围内具有很好的线性度。图6为不同压力条件下基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的频响曲线图。由图可见，基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器谐振频率随着外界压力的增大而降低。其中，压力在100-1000kPa范围内变化时谐振频率有较明显的变化。说明在小量程的微压力测量时，基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器有着很高的灵敏度。
Claims (6)
1.一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底(1)、支撑层(2)、空气隙(3)、AlN压电薄膜(4)、双电极层(5)、接地层(6)、微压力敏感层(7)、微压力施加层(8)；
所述硅衬底(1)上表面采用硅表面刻蚀工艺与所述AlN压电薄膜(4)间形成空气隙(3)，在所述硅衬底(1)上表面淀积一层支撑层(2)连接所述AlN压电薄膜(4)，所述AlN压电薄膜(4)上表面为双电极层(5)和所述接地层(6)，所述接地层(6)上表面淀积4个所述微压力敏感层(7)，所述微压力敏感层(7)上键合有所述微压力施加层(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述AlN压电薄膜(4)的c轴取向与厚度方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器,其特征在于，所述支撑层(2)为Si3N4材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器,其特征在于，所述双电极层(5)对称分布于压电薄膜上表面的中部，采用Mo作为电极材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述接地层(6)设置在所述压电薄膜(4)上表面对称的两个边沿处，所述接地层(6)上表面淀积有4个所述微压力敏感层(7)。
6.根据权利要求1所述的一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述微压力施加层(8)采用硅材料，所述微压力施加层(8)作为微压力检测时的均匀受力结构。
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