CN109489843B - 高灵敏度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高灵敏度传感器及其制备方法。本发明提供的高灵敏度传感器，其特征在于，包括：衬底，内部具有密闭的空腔，该空腔内充有惰性气体，且气压小于1atm；和谐振部，形成在衬底上，包括：底电极、压电中间层、和上电极或叉指电极。根据本发明提供的高灵敏度传感器，当环境温度发生变化时，空腔内部的惰性气体的体积会随温度而变化，从而引起谐振部的底电极和压电中间层的应变形变，使谐振部的频率发生改变，通过检测频率的改变可以实现灵敏的传感。通过谐振部可以提升传感器的灵敏度，从而提高传感器性能。
Description
技术领域
本发明属于传感器制备领域，具体涉及高灵敏度传感器及其制备方法。
技术背景
传感器作为一种能实现机械能与电能相互转换的换能器现在已经广泛用于工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等极其之泛的领域。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。现在多数采用的热电偶传感器，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，常常作为一种自动化控制的前端元件，因此其广泛应用于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公用设备等行业。虽然压力传感器的种类很多，但随着需求的不断增长，市场也更加需要高灵敏度且轻便优质的传感器。目前广泛应用的称重传感器也易受到不同重力加速度和空气浮力的影响。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的。近年来随着压电式微机电系统(MEMS)技术的不断发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)的应用也越来越广泛，将MEMS应用在传感器技术上也得到了越来越多的关注。
目前虽然传感器的类型很多，但急需一种可以提高测量的精准度和灵敏度且工艺简单的传感器。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高灵敏度传感器及其制备方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<传感器>
本发明提供一种高灵敏度传感器，其特征在于，包括：衬底，内部具有密闭的空腔，该空腔内充有惰性气体，且气压小于1atm；和谐振部，形成在衬底上，包括：底电极、压电中间层、和上电极或叉指电极。谐振部可以为薄膜体声波谐振器结构、或高频声表面波谐振器结构、或环形谐振器结构；其中，薄膜体声波谐振器结构为三明治状，包括底电极、压电中间层和上电极；高频声表面波谐振器结构包括底电极、压电中间层和叉指电极；环形谐振器结构为环形的三明治状，包括底电极、压电中间层和上电极。
优选地，本发明提供的高灵敏度传感器还可以具有以下特征：衬底为单晶硅材料。
并且，本发明提供的高灵敏度传感器还可以具有以下特征：底电极、上电极、叉指电极均为金属导电薄膜。
另外，本发明提供的高灵敏度传感器还可以具有以下特征：底电极、上电极、叉指电极优选为Mo或Pt导电薄膜，此外也为Au、Al等金属薄膜。
另外，本发明提供的高灵敏度传感器还可以具有以下特征：压电中间层优选为：ALN薄膜，或Sc掺杂ALN薄膜，此外也可为PZT、ZnO等压电薄膜。
<制备方法>
进一步，本发明还提供一种高灵敏度传感器的制备方法，其特征在于：制备具有上述<传感器>中任意一项所描述的高灵敏度传感器。
优选地，本发明提供的高灵敏度传感器的制备方法还可以具有以下特征：衬底内的空腔是由两层衬底材料在惰性气体环境下进行键合所形成。
优选地，本发明提供的高灵敏度传感器的制备方法还可以具有以下特征：为减少寄生模式，在谐振部的制备过程中可分别对底电极、压电中间层、上电极或叉指电极进行图案化，并且图案化后的压电中间层的上表面大小应保证能正常沉积叉指电极。例如，可以对薄膜体声波谐振器结构的底电极和上电极图案化，也可以对高频声表面波谐振器结构的底电极和压电中间层进行图案化，电极图案化可选不同的形状，优选为圆形、矩形、六边形、八边形。
发明的作用与效果
根据本发明提供的高灵敏度传感器，当环境温度发生变化时，空腔内部的惰性气体的体积会随温度而变化，从而引起谐振部的底电极和压电中间层的应变形变，使谐振部的频率发生改变，通过检测频率的改变可以实现灵敏的传感。通过谐振部可以提升传感器的灵敏度，从而提高传感器性能。同样，作为压力或称重传感器时，当环境压力或质量发生变化时，可通过压电效应灵敏检测出环境的改变，因此本发明作为高效灵敏的传感装置具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一中涉及的高灵敏度传感器的剖视图；
图2为本发明实施例一中涉及的高灵敏度传感器的俯视图；
图3为本发明实施例二中涉及的高灵敏度传感器的剖视图；
图4为本发明实施例二中涉及的高灵敏度传感器的俯视图；
图5为本发明实施例三中涉及的高灵敏度传感器的剖视图；
图6为本发明实施例三中涉及的高灵敏度传感器的俯视图；
图7为本发明实施例四中步骤2所对应的制备过程示意图；
图8为本发明实施例四中步骤3所对应的制备过程示意图；
图9为本发明实施例四中步骤4所对应的制备过程示意图；
图10为本发明实施例四中步骤5所对应的制备过程示意图；
图11为本发明实施例四中步骤6所对应的制备过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的高灵敏度传感器及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
如图1和2所示，本实施例一所提供的高灵敏度传感器10包括衬底11和谐振部12。衬底11内部具有密闭的空腔11a，该空腔11a内充有氮气，且气压小于一个标准大气压。谐振部12形成在衬底11上，为薄膜体声波谐振器结构，它自下而上依次包括：底电极12a、压电中间层12b、和上电极12c。
如图2所示，本实施例一中，图案化后的谐振部12为圆形。
<实施例二>
如图3和4所示，本实施例二所提供的高灵敏度传感器20包括衬底21和谐振部22。衬底21内部具有密闭的空腔21a，该空腔21a内充有氮气，且气压小于一个标准大气压。谐振部22形成在衬底21上，为高频声表面波谐振器结构，它自下而上依次包括：底电极22a、压电中间层22b、和叉指电极22c。
<实施例三>
如图5和6所示，本实施例三所提供的高灵敏度传感器30包括衬底31和谐振部32。衬底31内部具有密闭的空腔31a，该空腔31a内充有氮气，且气压小于一个标准大气压。谐振部32形成在衬底31上，为环形谐振器结构，它自下而上依次包括：底电极32a、压电中间层32b、和上电极32c。
<实施例四>
如图7至11所示，本实施例四提供一种高灵敏度传感器的制备方法，可制备上述实施例一至三所描述的任一种高灵敏度传感器，具体包括如下步骤：
步骤1.准备制备传感器所需的硅基底411；
步骤2.在硅基底411顶层上刻蚀出凹槽41a；
步骤3.在真空度小于一个标准大气压的氮气环境下，将硅基底411与另一硅片412进行键合，以形成一个带有密闭空腔41a的硅衬底41，空腔41a内为具有一定真空度的氮气，且其真空度小于一个大气压：
步骤4.在硅衬底41上沉积一层金属电极作为底电极42a；
步骤5.在金属电极上沉积一层压电层42b；
步骤6.在压电层42b上沉积一层与底电极42a所用材料相同的金属电极作为上电极42c，此时就形成了底电极42a、压电层42b和上电极42c组成的三明治结构，形成谐振部42；
步骤7.根据需要对谐振部42进行图案化，即制得高灵敏度传感器40。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的高灵敏度传感器及其制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (8)
1.一种高灵敏度传感器，其特征在于，包括：
衬底，内部具有密闭的空腔，该空腔内充有惰性气体，且气压小于1atm；和
谐振部，形成在所述衬底上，包括：底电极、压电中间层、和上电极或叉指电极，
其中，谐振部为薄膜体声波谐振器结构、或高频声表面波谐振器结构、或环形谐振器结构，
当环境温度发生变化时，所述空腔内部的惰性气体的体积会随温度而变化，从而引起所述谐振部的所述底电极和所述压电中间层的应变形变，使所述谐振部的频率发生改变，通过检测频率的改变实现灵敏的传感。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于：
其中，所述衬底为单晶硅材料。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于：
其中，所述底电极、所述上电极、所述叉指电极均为金属导电薄膜。
4.根据权利要求3所述的高灵敏度传感器，其特征在于：
其中，所述底电极、所述上电极、所述叉指电极为Mo或Pt导电薄膜。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于：
其中，所述压电中间层为ALN薄膜。
6.一种高灵敏度传感器的制备方法，其特征在于：
制备如权利要求1至5中任意一项所述的高灵敏度传感器。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度传感器的制备方法，其特征在于：
其中，衬底内的空腔是由两层衬底材料在惰性气体环境下进行键合所形成。
8.根据权利要求6所述的高灵敏度传感器的制备方法，其特征在于：
其中，在谐振部的制备过程中，分别对底电极、压电中间层和上电极进行图案化。
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