CN107504927A - 一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片及其制备方法，该基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片包括金属薄板基底，金属薄板基底具有第一表面和第二表面，在金属薄板基底上形成有压电薄膜，在压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅在叉指换能器和反射栅上形成有绝缘保护层，在压电薄膜和绝缘保护层上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘。此传感器芯片体积小，工作在射频段，可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明属于半导体设计及制造技术领域，涉及MEMS传感器，具体涉及一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片及其制备方法。
背景技术
高温环境下的应变测量是测控技术的重点、难点之一。在航空航天、国防军工、石油化工、汽车工业等领域，常常需要在高温环境下进行应变的测量与控制，高性能的高温应变传感器是上述领域中的关键器件之一。
基于电阻应变片的应变电测系统，在高温环境下，受电磁辐射干扰后，电阻应变片的测试稳定性较差，存活率也较低，且电阻应变片的电阻值受温度影响较大。
基于光纤法珀传感器的应变光测系统，其光栅二次涂覆问题以及带涂层保护的高温光纤问题，妨碍了该种应变光测系统在高温下的使用。
传统MEMS应变传感器的安装多使用粘合剂进行，由于粘合剂的高温性能限制，一般使用温度不超过300℃。如能用金属薄板代替硅晶圆和SOI晶圆做成高温金属/合金基底的应变传感器，则可使用钎焊、扩散焊、激光焊、钨极氩弧焊等金属连接技术进行应变芯片与待测金属件之间的连接，大幅度提高应变计的使用温度。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片及其制备方法，解决高温应变测量中存在的高温粘接剂失效问题，实现更高温度环境下的应变测量。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其包括金属薄板基底，所述金属薄板基底具有第一表面和第二表面，在所述金属薄板基底上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅在压电薄膜和绝缘保护层上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘。
此传感器芯片体积小，工作在射频段，可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用潜力。
在本发明的一种优选实施方式中，所述金属薄板基底为各种金属或合金材料，如不锈钢304、钛基合金TC4、镍基合金C276、铁基合金310S之一或它们的组合；保证实现高温状态下应变的检测。
所述金属薄板其厚度≤10mm且表面平整；这个厚度保证检测精度。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯 AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜；保证高温时的温度检测效果。
在本发明的另一种优选实施方式中，叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金；能够满足多种温度传感器的要求。
例如在200℃以下选择铝；在600℃以下选择金；在800℃以下选择钼；
在1000℃以下选择铂；在1200℃以下选择铱。
在本发明的另一种优选实施方式中，在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出接地，也可不引出；和/或在所述金属薄板基底第二表面进行深刻蚀加工腔室，以进一步减薄金属薄板基底的厚度，所述腔室为开放状态。
在本发明的另一种优选实施方式中，在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差。
和/或在叉指换能器和反射栅之上形成有绝缘保护层，在所述压电薄膜和绝缘保护层上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在所述绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘。在本发明的另一种优选实施方式中，所述叉指换能器和反射栅可以组成声表面波单端谐振器、声表面波双端谐振器或声表面波延迟线。
在本发明的另一种优选实施方式中，可同时使用两个谐振器或两个延迟线形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，所述两个谐振器或两个延迟线中其中一个仅敏感温度参量不敏感应变参量，另一个同时敏感温度参量和应变参量。
在本发明的另一种优选实施方式中，如所述芯片中存在两种或两种以上的对温度和应变敏感的声波模态，也可同时使用两种声波模态信号补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，所述两种声波模态具有不同的温度敏感性能和(或)应变敏感性能。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的应用结构，其利用高温粘接剂将所述高温应变传感器芯片粘接于待测应变结构表面，或者用钎焊、扩散焊、激光焊、钨极氩弧焊将高温应变传感器芯片固定连接于待测应变结构表面，粘接或连接时所述金属薄板基底的第二表面与待测应变结构表面之间有透气孔，避免形成对气压敏感的密封腔体，保证对应变量的准确检测。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种制备基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的方法，其包括如下步骤：
S1，提供金属薄板基底；
S2，在所述金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层；
S3，在所述压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅；
S4，淀积形成绝缘保护层；
S5，光刻，刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层，形成贯通至底电极和叉指换能器的通孔；
S6，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘；
具有或不具有的步骤S7，在所述金属薄板基底第二表面进行深刻蚀加工形成腔室，进一步减薄金属薄板基底的厚度，所述腔室为开放状态。
本发明的制备方法结构简单，其形成的声表面波高温应变传感器芯片体积小，工作在射频段，可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用潜力。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述步骤S2为：在所述金属薄板基底正面淀积形成底电极，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜层；优化压电薄膜的结晶取向，同时提高测量精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明第一优选实施例中基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的制备流程图，其中，图1-1是提供金属薄板基底的示意图；图1-2为在金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层的示意图；图1-3为在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图1-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图1-5为刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层的示意图；图1-6为淀积导电金属层的示意图；
图2是本发明第二优选实施例中基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的制备流程图，其中，图2-1为提供金属薄板基底的示意图；图2-2为在金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层的示意图；图2-3为在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图2-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图2-5为光刻刻蚀绝缘保护层和的压电薄膜层的示意图；图2-6为淀积导电金属层的示意图；图2-7为在金属薄板基底第二表面进行深刻蚀加工腔室并进一步减薄金属薄板基底的厚度的示意图；
图3(a)是本发明另一种优选实施例中传感器芯片不带底电极的结构示意图；图3(b)是本发明另一种优选实施例中传感器芯片带底电极的结构示意图；
图4是本发明一种优选实施例中同时使用两个传感器芯片进行温度补偿以抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，图中左侧的传感器芯片仅敏感温度参量不敏感应变参量，右侧的传感器芯片同时敏感温度参量和应变参量。
附图标记：
1金属薄板基底；2底电极；3压电薄膜层；4二氧化硅绝缘保护层；
5叉指换能器；6叉指换能器；7叉指换能器；8信号引出盘；9芯片连接层；10待测应变结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图3(a)是本发明第一种优选实施例的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的剖视图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。
从图3(a)中可见，声表面波高温应变传感器芯片包括金属薄板基底1，金属薄板基底具有第一表面(图中上表面，即正面)和第二表面(图中下表面，即背面)，在金属薄板基底上形成有压电薄膜3，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器5、6、7和反射栅，在所述叉指换能器和反射栅上形成有绝缘保护层4，在压电薄膜3和绝缘保护层4上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘8。在本实施方式中，图3(a)中只示出了叉指换能器，反射栅可根据本领域通用的方式设置在压电薄膜之上。
在本实施方式中，所述金属薄板基底可以为各种金属或合金材料，例如可以为但不限于不锈钢304、钛基合金TC4、镍基合金C276、铁基合金310S之一或它们的任意组合；优选为钛基合金TC4、镍基合金C276、铁基合金310S 之一。保证实现高温状态下应变的检测。
所述金属薄板其厚度≤10mm且表面平整；这个厚度保证检测精度。
所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜；保证高温时的温度检测效果。
所述叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方平行设置，所述叉指换能器和反射栅为同一种材料。
所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金；能够满足多种温度传感器的要求。
例如在200℃以下选择铝；在600℃以下选择金；在800℃以下选择钼；
在1000℃以下选择铂；在1200℃以下选择铱。
在本发明的另一种优选实施方式中，在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有底电极2，所述底电极可引出接地，也可不引出。
在本实施方式中，也可以在所述金属薄板基底第二表面进行深刻蚀加工形成开放的腔室，以进一步减薄金属薄板基底的厚度。在本发明的另一种优选实施方式中，在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差。
和/或在叉指换能器和反射栅之上形成有绝缘保护层4，在压电薄膜3和绝缘保护层4上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘8。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述叉指换能器和反射栅可以组成声表面波单端谐振器、声表面波双端谐振器或声表面波延迟线。
在本发明的另一种优选实施方式中，可同时使用两个谐振器或两个延迟线形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，所述两个谐振器或两个延迟线中其中一个仅敏感温度参量不敏感应变参量，另一个同时敏感温度参量和应变参量。
在本发明的另一种优选实施方式中，如所述芯片中存在两种或两种以上的对温度和应变敏感的声波模态，也可同时使用两种声波模态信号补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，所述两种声波模态具有不同的温度敏感性能和(或)应变敏感性能。
本发明提供了一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的应用结构，应变传感器芯片通过芯片连接层9连接于待测应变结构10 的表面，例如利用高温粘接剂将所述高温应变传感器芯片粘接于待测应变结构 10的表面，或者用钎焊、扩散焊、激光焊、钨极氩弧焊将高温应变传感器芯片固定连接于待测应变结构10的表面，粘接或连接时所述金属薄板基底的第二表面与待测应变结构表面之间有透气孔，以免形成对气压敏感的密封腔体，保证对应变量的准确检测。
图4示出了同时使用两个谐振器形式的传感器芯片进行温度补偿抵消环境温度的变化导致的应变测量误差，图中左侧的传感器芯片仅敏感温度参量不敏感应变参量，右侧的传感器芯片同时敏感温度参量和应变参量。
本发明提供了一种制备基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的方法，如图1-1至图1-6所示，其包括如下步骤：
S1，如图1-1所示，提供金属薄板基底，在本实方式中，采用钛基合金 TC4基板；
S2，如图1-2所示，在所述金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层，在本实施方式中，压电薄膜层为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜；
S3，如图1-3所示，在所述压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅；相应结构如图3(a)所示。在本发明另外的优选实施方式中，如图1-2所示，步骤S2为在金属薄板基底的正面淀积形成底电极，具体底电极的材料优选为 Ti/Pt材料，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜层；如图1-3在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅，相应结构如图3(b)所示。叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金，在本实施方式中，叉指换能器和反射栅的材料优选为钼。
在本实施方式中，叉指换能器和反射栅可以组成声表面波单端谐振器、声表面波双端谐振器或声表面波延迟线。具体地，声表面波单端谐振器的结构为两个反射栅之间设置一个叉指换能器，声表面波双端谐振器的结构为两个反射栅之间设置两个叉指换能器或两个叉指换能器之间设置两个反射栅，声表面波延迟线的结构为两个或多个叉指换能器呈平行设置。
S4，如图1-4所示，淀积形成绝缘保护层，具体材料优选为二氧化硅；
S5，如图1-5所示，光刻，刻蚀S4中的绝缘保护层和S3中的压电薄膜层，形成贯通至底电极和叉指换能器的通孔；
S6，如图1-6所示，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘。
本发明还提供了一种制备基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的方法，如图2-1至图2-7所示，其包括如下步骤：
S1，如图2-1所示，提供金属薄板基底，在本实方式中，采用钛基合金 TC4基板；
S2，如图2-2所示，在所述金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层，在本实施方式中，压电薄膜层为压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜；
S3，如图2-3所示，在所述压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅；相应结构如图3(a)所示。在本发明另外的优选实施方式中，如图2-2所示，步骤S2为在金属薄板基底的正面淀积形成底电极，具体底电极的材料优选为 Ti/Pt材料，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜层，在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅，相应结构如图3(b)所示。叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金，在本实施方式中，叉指换能器和反射栅的材料优选为钼；
S4，如图2-4所示，淀积形成绝缘保护层，具体材料优选为二氧化硅；
S5，如图2-5所示，光刻，刻蚀S4中的绝缘保护层和S3中的压电薄膜层，形成贯通至底电极和叉指换能器的通孔；
S6，如图2-6所示，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘；
S7，如图2-7所示，在所述金属薄板基底第二表面进行深刻蚀加工腔室，进一步减薄金属薄板基底的厚度，所述腔室为开放状态。
本发明的结构制备方法简单，其形成的声表面波高温应变传感器芯片体积小，工作在射频段可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用潜力。
在本实施方式中，所述传感器芯片利用压电效应和逆压电效应在压电薄膜上进行声表面波的激发和接收。叉指换能器在压电薄膜表面激发出声表面波，该声表面波向两侧的反射栅处传播，传播至反射栅的位置后被反射返回。反射回的声表面波又通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，即响应信号。当待测应变作用在压电薄膜和金属薄板基底上，导致该复合膜发生形变，声表面波传播的速度发生变化，进而响应信号发生变化，该电磁波响应信号经过特定的信号处理分析，实现应变测量。
需要说明的是，说明书附图中图下面的小方框为材料说明。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，包括：
金属薄板基底，所述金属薄板基底具有第一表面和第二表面，在所述金属薄板基底上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅，在叉指换能器和反射栅上形成有绝缘保护层，在压电薄膜和绝缘保护层上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘。
2.如权利要求1所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，所述金属薄板基底为金属或合金材料。
和/或所述金属薄板其厚度≤10mm且表面平整。
3.如权利要求1所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，所述所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜。
4.如权利要求1所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。
5.如权利要求1或4所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金。
6.如权利要求1所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出接地，也可不引出；
和/或在所述金属薄板基底内部设置有腔室，所述腔室减薄所述金属薄板基底的厚度，所述腔室在金属薄板基底第二表面有开口。
7.如权利要求1或6所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片，其特征在于，在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与底电极之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；
或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅平铺层，或者在金属薄板基底与压电薄膜之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；
和/或在叉指换能器和反射栅之上形成有绝缘保护层，在压电薄膜和绝缘保护层上有贯通至底电极和叉指换能器的通孔，在绝缘保护层上的通孔处形成有信号引出盘。
8.一种权利要求1所述的基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的应用结构，其特征在于，利用高温粘接剂将所述高温应变传感器芯片粘接于待测应变结构表面，或者用钎焊、扩散焊、激光焊、钨极氩弧焊将高温应变传感器芯片固定连接于待测应变结构表面，粘接或连接时所述金属薄板基底的第二表面与待测应变结构表面之间有透气孔，避免形成对气压敏感的密封腔体。
9.一种制备基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，提供金属薄板基底；
S2，在所述金属薄板基底的正面淀积形成压电薄膜层；
S3，在所述压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅；
S4，淀积形成绝缘保护层；
S5，光刻，刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层，形成贯通至底电极和叉指换能器的通孔；
S6，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘；
具有或不具有的步骤S7，在所述金属薄板基底的第二表面深刻蚀形成腔室，进一步减薄金属薄板基底的厚度，所述腔室为开放状态。
10.如权利要求9所述的制备基于金属薄板和压电薄膜的声表面波高温应变传感器芯片的方法，其特征在于，所述步骤S2为：在所述金属薄板基底正面淀积形成底电极，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜层。
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