CN108640078B - 一种压力传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种压力传感器及其形成方法。该压力传感器包括：支撑衬底，设置于所述支撑衬底上的微悬臂梁；所述微悬臂梁包括压电膜组，所述压电膜组包括至少两层层叠设置的压电膜，相邻两层压电膜的材料不同。根据本发明的压力传感器中的微悬臂梁包括至少两层层叠设置的压电膜，当微悬臂梁的梁体受力时，各个压电膜都出现电势差，因此提高了对外电势差值，从而提高了压力传感器的灵敏度。进一步地，通过设置至少两个微悬臂梁，扩大了探测流体的范围，并且使得流体作用到微悬臂梁从而能够被压力传感器探测的概率增大，从而提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

Description

一种压力传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造工艺领域，更具体地，涉及一种压力传感器及其形成方法。

背景技术

基于微悬臂梁结构的压力传感器具有微型化、灵敏度高等优点，其工作原理是当在压电微悬臂梁上施加集中力或弯矩，梁会弯曲变形，压电薄膜层将产生电荷，通过测量产生电荷量则能够获得测力大小。

目前常见的压电材料有α-SiO₂(石英)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PZT(锆钛酸铅)、ZnO(氧化锌)等，其中ZnO由于具有压电特性、高机电耦合系数、成膜质量好、易低温生长，并且易于CMOS工艺兼容、单芯片集成等优势而得到了广泛的应用。

现有基于ZnO压电薄膜的压力传感器的结构如图1a所示，其主要包括支撑衬底10和微悬臂梁20，微悬臂梁部分的截面图如图1b所示，由下至上分别是衬底10、氧化硅绝缘层21、铜材料的下电极22、ZnO压电薄膜层23、铜材料的上电极24。

在现有的技术方案中，压力传感器通常是单个的微悬梁臂，在用于探测流体压力时，当只有少量气体在密闭空间运动时，流体有很大概率未作用到微悬臂梁或由于作用力小而无法探测到。因此，有必要开发一种具有高探测灵敏度的压力传感器。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了提高压力传感器的可靠性和灵敏度，本发明提出一种压力传感器及其形成方法。

根据本发明的一方面，提出一种压力传感器，包括：

支撑衬底，设置于所述支撑衬底上的微悬臂梁；

所述微悬臂梁包括压电膜组，所述压电膜组包括至少两层层叠设置的压电膜，相邻两层压电膜的材料不同。

可选地，相邻的两层压电膜的材料为：锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌；或者，锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝；或者，氮化铝、氧化锌；或者，氮化铝、氮化镓；或者，氧化锌、氮化镓。

可选地，每层压电膜为掺杂压电膜或本征压电膜。

可选地，掺杂压电膜中掺杂的材料包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的至少一种。

可选地，所述压力传感器还包括位于所述压电膜组上下两侧的顶电极、底电极。

可选地，所述压力传感器还包括位于所述底电极和所述支撑衬底之间的介质层。

可选地，所述压力传感器包括至少两个所述微悬臂梁，至少两个所述微悬臂梁从所述支撑衬底向同一方向或不同方向延伸。

可选地，一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第一方向延伸，一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向相反；

向第一方向延伸的所述微悬臂梁、向第二方向延伸的所述微悬臂梁，相背延伸或者相对延伸。

可选地，所述微悬臂梁的悬空端部向所述微悬臂梁宽度方向两侧突出。

可选地，所述压力传感器还包括位于所述介质层和所述底电极之间的助粘层，构成所述助粘层的材料包括钛。

根据本发明的另一方面，提出一种压力传感器的形成方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成至少两层层叠设置的压电膜，相邻两层压电膜的材料不同；

对所述压电膜进行图形化，以形成微悬臂梁中的压电膜；

对所述衬底进行刻蚀形成支撑衬底，并释放所述微悬臂梁。

可选地，在所述衬底上形成所述压电膜之前，还包括：

在所述衬底上依次形成介质层和助粘层；

根据预定的图形，对所述介质层和助粘层进行图形化；

在图形化后的介质层和助粘层上形成底电极。

可选地，形成微悬臂梁中的压电膜后，还包括：在图形化的压电膜上形成顶电极。

根据本发明的压力传感器中的微悬臂梁包括至少两层层叠设置的压电膜，当微悬臂梁的梁体受力时，各个压电膜都出现电势差，因此提高了对外电势差值，从而提高了压力传感器的灵敏度。

进一步地，通过设置至少两个微悬臂梁，扩大了探测流体的范围，并且使得流体作用到微悬臂梁从而能够被压力传感器探测的概率增大，从而提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1a为现有技术中基于ZnO压电薄膜的压力传感器的结构图，图1b示出了该压力传感器梁体部分的截面图；

图2示出根据本发明的一个实施例的压力传感器的截面图；

图3a-图3d为微悬臂梁的示例性排列图；

图4a和图4b为图3a和图3b中的微悬臂梁的悬空端部的示意图；

图5a-图5h为根据本发明的一个实施例的压力传感器的形成方法的流程图；

图6为图5d所对应的俯视图。

附图标记说明：

10-支撑衬底，20-微悬臂梁，21-绝缘层，22-下电极，23-压电薄膜层，24-上电极；

100-支撑衬底，110-微悬臂梁；

111-向第一方向延伸的微悬臂梁，112-向第二方向延伸的微悬臂梁，113-微悬臂梁111的悬空端部，114-微悬臂梁112的悬空端部；

120-衬底，121-介质层，122-助粘层，123-底电极，124、125-压电膜，126-顶电极。

具体实施方式

为了提高压力传感器的可靠性和灵敏度，本发明提出一种压力传感器，其包括支撑衬底，设置于所述支撑衬底上的微悬臂梁；

所述微悬臂梁包括压电膜组，所述压电膜组包括至少两层层叠设置的压电膜，相邻两层压电膜的材料不同。

相应地，本发明还提出了一种压力传感器的形成方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成至少两层层叠设置的压电膜，相邻两层压电膜的材料不同；

对所述压电膜进行图形化，以形成微悬臂梁中的压电膜；

对所述衬底进行刻蚀形成支撑衬底，并释放所述微悬臂梁。

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图2为根据本发明的示出根据本发明一个实施例的压力传感器的截面图。如图2所示，该压力传感器包括支撑衬底100，以及设置于支撑衬底100上的微悬臂梁110；微悬臂梁包括压电膜组，所述压电膜组包括层叠设置的压电膜124和压电膜125，压电膜124和压电膜125由不同材料构成。

当微悬臂梁受力时，单层压电膜将产生电势差，当有第二层压电膜存在时，第二层压电膜亦出现电势差。通过将两层压电膜串联，可以提高对外电势差值，从而提高了压力传感器的灵敏度。相邻压电膜可以相互接触，也可以设一中间电极，形成欧姆接触。

所述压电膜组还可以包括多于两层的压电膜，当微悬臂梁受力时，每一层压电膜都出现电势差，进一步提高了对外电势差值，从而进一步提高了压电传感器的灵敏度。

在本实施例中，相邻的两层压电膜的材料为：锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌；或者，锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝；或者，氮化铝、氧化锌；或者，氮化铝、氮化镓；或者，氧化锌、氮化镓。本领域技术人员应当理解，压电膜的材料也可以为其他适当的材料，但是相邻的两层压电膜的材料是不同的。

每层压电膜为掺杂压电膜或本征压电膜。掺杂的压电膜能够提高压电膜的压电系数。对于氧化锌来说，掺杂不但可以提高氧化锌的压电系数，还可以降低氧化锌形成c轴择优取向的温度，并且能够提高薄膜抗击穿电压。基于晶体结构具有空间排列上的三维周期性，每个晶体品种都能为它自身提供一套天然合理的包含三个晶轴的晶轴系。三个晶轴分别与反映结构三维周期性的基向量平行，可称作a轴、b轴与c轴。c轴择优取向是指晶体或是薄膜沿晶胞结构中的c轴择优生长，c轴择优取向的氧化锌薄膜具有很好的压电性能。

在本实施例中，掺杂压电膜中掺杂的材料包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的至少一种，掺杂原子含量10％以下。

在本实施例中，该压力传感器还包括位于压电膜组上下两侧的顶电极126和底电极123。当微悬臂梁受力时，分别在顶电极126和底电极123上集聚压电膜所产生的数量相等而极性相反的电荷，从而形成电场。

在本实施例中，在顶电极126表面制备钝化层，以保护该压力传感器。该钝化层的材料优选为氧化硅，可以利用CVD法进行沉积。

在本实施例中，该压力传感器悬臂梁臂处的支撑衬底薄于其他部分的支撑衬底，以形成悬臂效果。该压力传感器还包括位于底电极123和支撑衬底110之间的介质层121。基于上述结构的压力传感器易于CMOS工艺兼容，能够单芯片集成。

在本实施例中，该压力传感器还包括位于介质层121和底电极126之间的助粘层122。

在本实施例中，构成助粘层122的材料包括钛Ti。由于金属电极直接在介质层121上生长粘附性不好，在介质层121上设置一层材料包括Ti的助粘层122以解决该问题。

根据本发明的压力传感器包括至少两个微悬臂梁110。在将压力传感器应用于探测流体压力时，由于流体的分布在重力作用下可能是不均匀的。当只有少量流体在密闭空间运动时，流体有很大几率未作用到单个的微悬臂梁，使得流体无法被探测到。通过设置至少两个微悬臂梁，扩大了探测流体的范围，并且使得流体作用到微悬臂梁从而能够被压力传感器探测的概率增大，从而提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

在一个示例中，一部分微悬臂梁从支撑衬底向第一方向延伸，一部分微悬臂梁从所述衬底向第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向相反；向第一方向延伸的微悬臂梁、向第二方向延伸的微悬臂梁，相背延伸或者相对延伸。

在另一个示例中，微悬臂梁从所述支撑衬底向同一方向延伸。

图3a、图3b、图3c及图3d为微悬臂梁的示例性排布图。如图3a所示，向第一方向延伸的微悬臂梁111与向第二方向延伸的微悬臂梁112相背延伸；如图3b、3c所示，向第一方向延伸的微悬臂梁111与向第二方向延伸的微悬臂梁112相对延伸；如图3d所示，向微悬臂梁从所述支撑衬底向同一方向延伸。

本领域技术人员应当理解，以上仅为微悬臂梁的示例性分布，并不限制微悬臂梁的数量。

图4a和图4b示出了悬空端部向微悬臂梁方向两侧突出的微悬臂梁。通过将悬空端部113、114设置为向两侧突出的圆形端部，使得悬空端部113、114的表面积增大。通过增加悬空端部113、114的表面积，导致以固定流速作用到接触面的流体所受到的阻力增大，提高了微悬臂梁受力力矩，增大了压电膜电势差，从而进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

悬空端部113、114还可以设置为向两侧突出的矩形形状、椭圆形形状、菱形形状等等。本领域技术人员应当理解，悬空端部113、114的形状并不受限于此，也可以是其他能够增加悬空端部表面积的形状。

本发明的一个实施例的压力传感器的形成方法包括：

参考图5a，提供衬底120。

在本实施例中，选用厚度750μm以下的单晶硅衬底。

在步骤5a之前，优选对衬底120进行化学清洗。

参考图5b，在衬底120上依次形成介质层121。

在本实施例中，介质层121为氧化硅绝缘层，通过对衬底120表面进行热氧化形成，热氧化温度约500到1200摄氏度，厚度

以下。

参考图5c，在介质层121上形成助粘层122。

在本实施例中，利用PVD方法在介质层121上沉积Ti，形成助粘层122，厚度优选为

参考图5d，根据预定的图形，对介质层121和助粘层122进行图形化；在图形化后的介质层和助粘层上形成与助粘层、介质层相同形状的底电极123。

在本实施例中，利用光刻定义出助粘层122和介质层121的待刻蚀区域，对助粘层122和介质层121进行刻蚀以进行图形化。

利用PVD方法在助粘层122上沉积底电极金属材料，之后利用光刻定义底电极123的形状，以对底电极123进行图形化。底电极的金属材料可以是Au，也可以是集成电路其他金属材料，厚度优选为

图6为图5d所对应的俯视图。如图6所示，根据预定的图形对介质层121和助粘层122进行图形化后，形成图6中实线所示的微悬臂梁的图形，并且在图形化后的介质层121和助粘层122上形成底电极123，也即介质层121、助粘层122以及底电极123在这一步骤中形成了相同的形状。衬底120保持其原有的形状，如图6中的虚线所示。

当所述压力传感器包括至少两个微悬臂梁，根据至少两个所述微悬臂梁的排布设置预定图形，以对介质层121和助粘层122进行图形化，并在在图形化后的介质层121和助粘层122上形成与助粘层、介质层相同形状的底电极123。

参考图5e，在底电极123上依次形成层叠设置的与底电极123形状相同的压电膜124和压电膜125，以形成微悬臂梁中的压电膜，压电膜124和压电膜125的材料不同。

压电膜的材料为：锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌；或者，锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝；或者，氮化铝、氧化锌；或者，氮化铝、氮化镓；或者，氧化锌、氮化镓。

每层压电膜为掺杂压电膜或本征压电膜，掺杂压电膜中掺杂的材料包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的至少一种，掺杂原子含量10％以下。每层压电膜的厚度优选为

可以通过PVD或PLD方法在底电极123上沉积本征ZnO或稀土金属掺杂ZnO以形成压电膜，之后利用光刻定义压电膜的形状，以对压电膜进行图形化。

参考图5f，在图形化的压电膜上形成与压电膜形状相同的顶电极126。

顶电极126的金属材料可以是Al,Al/Pt,Al/Au,Ti/Al,Ti/Au,Ti/Al/Pt/Au,Re/Ti/Au等材料，厚度优选为

可以利用PVD或电子束蒸发法沉积顶电极金属材料，之后利用光刻定义顶电极126的形状，以对顶电极126进行图形化。

参考图5g-图5h，对衬底120进行刻蚀以形成支撑衬底，并释放微悬臂梁。

以俯视角度来看，首先利用光刻定义正面硅蚀刻区域，蚀刻深度5μm以上，如图5g所示，然后利用光刻定义背面硅蚀刻区域，将从背面蚀刻到正面硅蚀刻区域时，硅衬底断裂，释放所述微悬臂梁，如图5h所示。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果，并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。

Claims (10)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

支撑衬底，设置于所述支撑衬底上的微悬臂梁，所述微悬臂梁的悬空端部向两侧突出；

所述微悬臂梁包括压电膜组，所述压电膜组包括至少两层层叠设置的压电膜，且相邻所述压电膜互相接触，相邻两层压电膜的材料不同，相邻的两层压电膜的材料为：锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌；或者，锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝；或者，氮化铝、氧化锌；或者，氮化铝、氮化镓；或者，氧化锌、氮化镓；

所述压力传感器包括至少两个所述微悬臂梁；

一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第一方向延伸，一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向相反；

向所述第一方向延伸的所述微悬臂梁、向所述第二方向延伸的所述微悬臂梁，相背延伸或者相对延伸。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，每层压电膜为掺杂压电膜或本征压电膜。

3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，掺杂压电膜中掺杂的材料包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇中的至少一种。

4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括位于所述压电膜组上下两侧的顶电极、底电极。

5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，还包括位于所述底电极和所述支撑衬底之间的介质层。

6.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述微悬臂梁的悬空端部向所述微悬臂梁宽度方向两侧突出。

7.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，还包括位于所述介质层和所述底电极之间的助粘层，构成所述助粘层的材料包括钛。

8.一种压力传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成至少两层层叠设置的压电膜，且相邻所述压电膜互相接触，相邻两层压电膜的材料不同，相邻的两层压电膜的材料为：锆钛酸铅压电陶瓷、氧化锌；或者，锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝；或者，氮化铝、氧化锌；或者，氮化铝、氮化镓；或者，氧化锌、氮化镓；

对所述压电膜进行图形化，以形成微悬臂梁中的压电膜；

对所述衬底进行刻蚀形成支撑衬底，并释放所述微悬臂梁，所述微悬臂梁的悬空端部向两侧突出；

所述压力传感器包括至少两个所述微悬臂梁；

一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第一方向延伸，一部分所述微悬臂梁从所述支撑衬底向第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向相反；

向所述第一方向延伸的所述微悬臂梁、向所述第二方向延伸的所述微悬臂梁，相背延伸或者相对延伸。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，包括：在所述衬底上形成所述压电膜之前，还包括：

在所述衬底上依次形成介质层和助粘层；

根据预定的图形，对所述介质层和助粘层进行图形化；

在图形化后的介质层和助粘层上形成底电极。

10.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，形成微悬臂梁中的压电膜后，还包括：在图形化的压电膜上形成顶电极。

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