CN108871627A - 一种差分双谐振器型声波压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种差分式双谐振器型声波压力传感器，其包括衬底1及在其上形成的底电极2，在底电极2下的衬底1内设置有两个独立且结构参数相同的敞开或密封的腔室，第一腔室之上的底电极2上依次形成有压电层3和第一谐振器4，第二腔室之上的底电极2上依次形成有压电层3和第二谐振器5。本发明通过消除了温度波动对谐振器的影响，提高了压力传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于半导体设计及制造技术领域，具体涉及一种差分式双谐振器型声波压力传感器。
背景技术
传统的基于声波谐振器的压力传感器是在压电基片上制作一个谐振器，通过测试其谐振频率，来获得压力信号，然而单个声波压力传感器的谐振频率会同时受到环境温度变化和压力变化的影响，这将影响传统的声波压力传感器的灵敏度。
温度波动条件下的压力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、核工业等领域，常常需要在温度波动环境下进行压力的测量与控制。
发明内容
本发明主要针对现有技术中存在的不足，提出了一种差分式双谐振器型声波压力传感器，解决现有单谐振器声波压力传感器灵敏度低的问题。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种差分式双谐振器型声波压力传感器，其包括衬底及其上形成的底电极，在所述底电极下的衬底内设置有两个独立且结构参数相同的敞开或密封的腔室，在第一腔室之上的底电极上依次形成有压电层和第一谐振器，第二腔室之上的底电极上依次形成有压电层和第二谐振器。
传统的基于声波谐振器的压力传感器是在压电基片上制作一个谐振器，通过测试其谐振频率，来获得压力信号，然而声波压力传感器的谐振频率会同时受到温度变化和压力变化的影响,本发明的差分式双谐振器型声波压力传感器消除了环境温度影响，提高了传感器的灵敏度。当对声波压力传感器芯片施加压力时，对于第一谐振器，在其压力敏感薄膜上产生应变，主应变的方向沿压力敏感薄膜的短边方向，该主应变方向与第一谐振器的声波传播方向垂直，使其谐振频率发生漂移。对于第二谐振器，在其压力敏感薄膜上产生应变，主应变的方向沿压力敏感薄膜的短边方向，该主应变方向与第二谐振器的声波传播方向平行，使其谐振频率发生反向漂移。因此提供了温度补偿，消除环境温度对谐振频率的影响，提高了传感器的灵敏度。
在本发明的一种优选实施方式中，所述腔室分别为矩形腔，矩形之上为硅基矩形薄膜；在所述硅基薄膜上生成底电极。矩形腔的结构更易于实现。
在本发明的另一种优选实施方式中，第一谐振器和第二谐振器中，任一谐振本身与另一谐振器及其延伸线不想交，两个谐振器各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域。从而消除温度补偿，提高灵敏度。
在本发明的另一种优选实施方式中，第一谐振器和第二谐振器相互垂直。
在本发明的另一种优选实施方式中，第一谐振器的声波传播方向与其下的第一矩形硅基薄膜的长边平行；第二谐振器的声波传播方向与其对应的第二矩形硅基薄膜的长边垂直。实现第一谐振器和第二谐振器各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域。在本发明的另一种优选实施方式中，第一谐振器和第二谐振器各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域，以确保两者的声场互不影响。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方式中差分式双谐振器型声表面波压力传感器芯片的俯视示意图；
图2是图1所示结构的剖视图；
图3是图2所示结构的制备流程图，其中，图3(a)为提供的高阻硅晶元芯片基底示意图；图3(b)为在高阻硅晶元芯片基底的背面深刻蚀形成矩形腔的示意图；图3(c)为在硅晶元芯片基底的正面淀积形成底电极的示意图；图3(d)为在底电极之上淀积形成压电层的示意图；图3(e)为在压电层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；
图4为本发明另一种优选实施方式中差分式双谐振器型兰姆波压力传感器芯片的俯视示意图；
图5为图4所示结构的剖面示意图；
图6是图5所示结构的制备流程图，其中，图6(a)为提供SOI晶圆基底的示意图；图6(b)为在SOI晶圆基底的背面深刻蚀形成矩形腔的示意图；图6(c)为矩形腔底部与另一片硅基晶圆键合形成真空密封腔室的示意图；图6(d)为在SOI晶圆基底的正面淀积形成底电极的示意图；图6(e)为在底电极之上淀积形成压电层的示意图；图6(f)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7为第一谐振器的谐振频率与第二谐振器的谐振频率的关系。
附图标记：
1衬底；2底电极；3压电层；4第一谐振器；5第二谐振器；6第一矩形硅基薄膜；7第二矩形硅基薄膜；8第一叉指换能器；9第二叉指换能器；
10第一反射栅；11第二反射栅；12第三反射栅；13第四反射栅；
14第一谐振器的谐振频率；15第二谐振器的谐振频率；
16第一谐振器的声波传播方向；17第二谐振器的声波传播方向。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明设计了一种差分式双谐振器型声表面波压力传感器芯片，如图1、图2、图4和图5所示，该声表面波压力传感器芯片包括衬底1及在其上形成的底电极2，在底电极2下的衬底1内设置有两个独立且结构参数相同(大小和高度相同)的腔室，腔室为敞开或密封状态。第一腔室之上的底电极2上依次形成有压电层3和第一谐振器4，第二腔室之上的底电极2上依次形成有压电层3和第二谐振器5。
在本实施方式中，衬底1为任意的通用的半导体衬底，具体可以为但不限于硅或SOI(绝缘体上硅)，如图1和图4中的黑色外框线圈定的区域。
在本实施方式中，腔室优选为矩形腔，矩形腔之上为硅基矩形薄膜；在硅基矩形薄膜上生成底电极2，底电极2的材料优选为铂/钛材料。两个矩形腔垂直或者平行，当两个矩形腔垂直时，其上的两个谐振器相互平行，如图1所示；当两个矩形平行时，其上的两个谐振器相互垂直，如图4所示。
压电层3优选采用(002)取向的氮化铝压电薄膜，压电层3可一体设置也可分区，优选地第一谐振器4和第二谐振器5制作在同一压电层3上，第一谐振器4和第二谐振器5在同一压电层3上且距离可很近(具体可根据具体情况调节)，并且两个谐振器的结构完全一样，故二者感受到的由温度引起的频率漂移相同。
在本实施方式中，第一谐振器4和第二谐振器5结构相同，第一谐振器4包括第一叉指换能器8、第一反射栅10和第二反射栅11；第一反射栅10和第二反射栅11分布于所述第一叉指换能器8两侧。第二谐振器5包括第二叉指换能器9、第三反射栅12和第四反射栅13；第三反射栅12和第四反射栅13分布于第二叉指换能器9两侧。
如图1所示，第一谐振器4和第二谐振器5相互平行。第一谐振器4的声波传播方向与其下的第一矩形硅基薄膜6的长边平行；第二谐振器5的声波传播方向与其对应的第二矩形硅基薄膜7的长边垂直。如图4所示，第一谐振器4和第二谐振器5相互垂直放置且分别置于一个直角的两条边上，第一谐振器4和第二谐振器5相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域，以确保两者的声场互不影响。
如图1所示，第一谐振器4中的声表面波方向与第一矩形硅基薄膜6的长边平行。第二谐振器5中的声波方向与第二矩形硅基薄膜7的长边垂直。第一谐振器4和第二谐振器5均为单端对，且声表面波方向平行。
图3示出了图1和图2所示结构的制备流程：
第一步：如图3(a)所示，提供高阻硅晶元芯片为衬底1；
第二步：如图3(b)所示，在高阻硅晶元芯片基底的背面深刻蚀形成矩形腔，具体可采用湿法可是工艺或者干法刻蚀工艺；
第三步：如图3(c)所示，在硅晶元芯片基底的正面淀积或溅射形成底电极2，具体底电极2的材料优选为铂、钛或者两者的合金材料；
第四步：如图3(d)所示，在底电极2之上淀积形成压电层3，压电层3优选采用(002)取向的氮化铝压电薄膜；
第五步：如图3(e)所示，在压电层之3上淀积形成叉指换能器和反射栅，具体的材料可采用钼。
如图4所示，在衬底底部加工两个矩形腔，在其上部形成硅基矩形薄膜。在矩形腔底部与另一片硅基圆键合形成真空密封腔室。在硅基矩形薄膜上生长底电极，在底电极上生长压电薄膜，在压电薄膜上制备两个谐振器，分别为第一谐振器和第二谐振器；第一谐振器4的生波传播方向16与第一矩形硅基薄膜6的长边平行。第二谐振器5中的声波传播方向17与第二矩形硅基薄膜7的长边垂直。第一谐振器4和第二谐振器5均为双端对，且兰姆波方向垂直。
图6示出了图4和图5所示结构的制备流程：
第一步：如图6(a)所示，提供SO I晶圆基底为衬底1；
第二步：如图6(b)所示，在SO I晶圆基底的背面深刻蚀形成矩形腔，具体可采用湿法可是工艺或者干法刻蚀工艺；
第三步：如图6(c)所示，将矩形腔底部与另一片硅基晶圆键合形成真空密封腔室；
第四步：如图6(d)所示，在SO I晶圆的正面淀积或溅射形成底电极2，具体底电极2的材料优选为铂、钛或者两者的合金材料；
第五步：如图6(e)所示，在底电极2之上淀积形成压电层3，压电层3优选采用(002)取向的氮化铝压电薄膜；
第六步：如图6(f)所示，在压电层之3上淀积形成叉指换能器和反射栅，具体的材料可采用钼。
图7为第一谐振器的谐振频率14与第二谐振器的谐振频率15的关系。在图7中，横轴P表示压力，纵轴f表示形变谐振频率，第一谐振器的谐振频率14与第二谐振器的谐振频率15的斜率之差即本发明中的差分式双谐振器型压力传感器的灵敏度。由图7可知，相较于单谐振器型压力传感器，双谐振器型压力传感器可明显改善其灵敏度。
本发明中第一谐振器和第二谐振器同时受外围测试环境的影响，故声波压力传感器的谐振频率改变为外界压力和环境温度两部分共同作用的结果。因为第一谐振器和第二谐振器采用的结构完全相同，故二者感受到的由温度引起的形变原理应一样。将两个谐振器作差分，既可消除环境温度对应变测量结果的影响，又能增大应变灵敏度。
本发明中的两个谐振器同时为单端对或同时为双端对声波谐振器。具体地，声波谐振器的结构为一个叉指换能器，在叉指换能器两边各放置一个反射栅。
进一步地说明如下，本发明设计的声波压力传感器芯片提高灵敏度的原理如下：
传统的基于声波谐振器的压力传感器是在压电基片上制作一个谐振器，通过测试其谐振频率，来获得压力信号，然而声波压力传感器的谐振频率会同时受到温度变化和压力变化的影响,对于第一谐振器的谐振频率，有如下公式：
fa(P,T)＝fa(P0,T0)·(1+TCFa·Δt+PCFa·ΔP) (1)
对于第二谐振器的谐振频率，有如下公式：
fb(P,T)＝fb(P0,T0)·(1+TCFb·Δt+PCFb·ΔP) (2)
其中，fa(P,T)为第一谐振器的谐振频率，T为当前温度，P为当前压力，fb(P,T)为第二谐振器的谐振频率，fa(P0,T0)为第一谐振器的参考谐振频率，T0为参考温度，P0为参考压力，fb(P0,T0)为第二谐振器的参考谐振频率，TCFa为第一谐振器的频率温度系数，TCFb为第二谐振器的频率温度系数，PCFa为第一谐振器的频率压力系数，PCFb为第二谐振器的频率压力系数，Δt为温度差，ΔP为压力差。
当对声波压力传感器芯片施加压力时，对于第一谐振器，在其压力敏感薄膜上产生应变，主应变的方向沿压力敏感薄膜的短边方向，该主应变方向与第一谐振器的声波传播方向垂直，使其谐振频率发生漂移。
对于第二谐振器，在其压力敏感薄膜上产生应变，主应变的方向沿压力敏感薄膜的短边方向，该主应变方向与第二谐振器的声波传播方向平行，使其谐振频率发生反向漂移。
利用(1)与(2)作差分，得到
因此提供了温度补偿，消除环境温度对谐振频率的影响。
在本实施方式中，频率压力系数和频率温度系数可通过实验确定，以PCFa为例，用频率仪测试频率时，施加不同的压力量，得到频率随应变的变化情况，具体可以以表格或者曲线的情况显示查看。
本发明通过提取第一谐振器和第二谐振器中的声表面波或兰姆波信号，对其频率输出信号进行差分，消除了温度波动对谐振器的影响，并进一步提高压力传感器的灵敏度。
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 (9)
1.一种差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，包括衬底(1)及在其上形成的底电极(2)，在所述底电极(2)下的衬底(1)内设置有两个独立且结构参数相同的敞开或密封的腔室，第一腔室之上的底电极(2)上依次形成有压电层(3)和第一谐振器(4)，第二腔室之上的底电极(2)上依次形成有压电层(3)和第二谐振器(5)。
2.根据权利要求1所述的差分双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，所述衬底(1)的材料为硅或SOI。
3.根据权利要求1所述的差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，所述腔室分别为矩形腔，矩形腔之上为硅基矩形薄膜；
在所述硅基矩形薄膜上生成底电极(2)。
4.根据权利要求1所述的差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，两个矩形腔垂直或者平行，当两个矩形腔垂直时，其上的两个谐振器相互平行；当两个矩形平行时，其上的两个谐振器相互垂直。
5.根据权利要求1或4所述的差分式双谐振器声波压力传感器，其特征在于，第一谐振器(4)和第二谐振器(5)中，任一谐振本身与另一谐振器及其延伸线不想交，两个谐振器各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域。
6.根据权利要求5所述的差分式双谐振器声波压力传感器，其特征在于，第一谐振器(4)和第二谐振器(5)相互垂直。
7.根据权利要求5所述的差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，第一谐振器(4)的声波传播方向与其下的第一矩形硅基薄膜(6)的长边平行；
第二谐振器(5)的声波传播方向与其对应的第二矩形硅基薄膜(7)的长边垂直。
8.根据权利要求1所述的差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，所述第一谐振器(4)和第二谐振器(5)同时为单端对或同时为双端对的声波谐振器。
9.根据权利要求1所述的差分式双谐振器型声波压力传感器，其特征在于，还具有输出端，所述输出端输出信号为第一谐振器(4)和第二谐振器(5)输出信号的差分。
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