CN110006490A - 一种温度、压力集成传感器及其制备方法 - Google Patents

一种温度、压力集成传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了传感器技术领域的一种温度、压力集成传感器及其制备方法，旨在解决传感器使用导线传输采集到的信号，在一些极端恶劣环境中会受到影响甚至无法工作的技术问题。一种温度、压力集成传感器，包括衬底，设置在衬底表面的压电材料，所述压电材料上设有谐振器，所述衬底内部设有密封腔。利用沉积在压电材料上的延时线型SAW谐振器会随外界温度而改变谐振频率的效应来测定温度；利用生长在空腔上的延时线型SAW谐振器会随外界压力而改变谐振频率的效应来测定压力。本发明所述温度、压力集成传感器无需内加能源来驱动且不需要使用导线传输信号，使传感器具备了无线无源，能在在高温、高压、密封空间等极端恶劣环境中工作的特点。

Description

一种温度、压力集成传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种温度、压力集成传感器及其制备方法。
背景技术
温度和压力是工业生产中两个十分重要的参量，快速准确地测量出温度和压力对提高生产效率、保证产品质量、节约能源具有重要的实际意义。但实际生产过程中，通常使用的热电偶或半导体材料制成的温度传感器需要使用导线传输传感器采集到的信号。且在一些诸如高温、高压力、密封空间等极端恶劣环境中，这些温度传感器的性能会受到严重的影响甚至无法工作。
压力传感器不仅在工业生产中发挥着重要的作用，也在电子产品中开始崭露头角。其工作原理一般是：空腔或薄膜在压力的作用下会发生形变，通过柔性电阻器或SAW谐振器检测空腔或薄膜的形变量来测量压力的大小。传统的通过测定空腔形变量来测定压力的传感器，其空腔由上下对应的两凹形材料键合或焊接而成，在气密性与机械强度等方便存在着天然的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度、压力集成传感器及其制备方法，以解决现有技术中的温度传感器、压力传感器使用导线传输采集到的信号，在一些极端恶劣环境中会受到影响甚至无法工作的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种温度、压力集成传感器，包括衬底1，设置在衬底1表面的压电材料4，所述压电材料4上设有谐振器5，所述衬底1内部设有密封腔6。
所述衬底1为单晶硅。
所述压电材料4为氮化铝。
所述压电材料4至少有两块。
所述密封腔6上方设有一块压电材料4。
所述谐振器5包括叉指电极IDTs 8、反射栅9，所述叉指电极IDTs8连接有微带天线7。
所述叉指电极IDTs 8、反射栅9、微带天线7的材质均为铝。
温度、压力集成传感器还包括氧化硅层2和氮化硅层3，氧化硅层2生长在衬底1表面，氮化硅层3生长在氧化硅层2表面，压电材料4设置在氮化硅层3表面。
温度、压力集成传感器的制备方法，包括如下步骤：在单晶硅衬底1上刻蚀浅槽；在对浅槽侧壁保护的同时，对单晶硅衬底1进行各向同性腐蚀；外延生长单晶硅形成密封腔6；通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底1表面平滑；依次生长氧化硅2，氮化硅3；生长压电材料4，光刻、腐蚀形成谐振器5的压电层结构；溅射金属，光刻、腐蚀形成谐振器5的反射栅9、叉指电极IDTs 8、微带天线7。
所述密封腔6的腔体高3～10μm。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明所述温度、压力集成传感器无需内加能源来驱动且不需要使用导线传输信号，使传感器具备了无线无源，能在在高温、高压、密封空间等极端恶劣环境中工作的特点；
(2)本发明所述温度、压力集成传感器实现了传感器和处理电路的单片集成，结构简单，可以降低成本，提高灵敏度，减少寄生等；
(3)本发明所述温度、压力集成传感器能够在同一单晶硅衬底上实现对两种物理参量的测量，降低了生产成本，提高了器件的适用性；
(4)本发明所述温度、压力集成传感器采用了延时线型SAW谐振器，通过时间编码技术，可以很容易地识别传感器中两个不同的谐振器，不会造成混叠。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种温度、压力集成传感器制备方法经各步骤处理后衬底结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种温度、压力集成传感器的主视图；
图3是本发明实施例提供的一种温度、压力集成传感器的俯视图；
图中：1.衬底；2.氧化硅层；3.氮化硅层；4.压电材料；5.谐振器；6.密封腔；7.微带天线；8.叉指电极IDTs；9.反射栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图2、图3所示，一种温度、压力集成传感器，包括衬底1，衬底1采用单晶硅，包括N型单晶硅、P型单晶硅，衬底1上表面生长氧化硅层2，；氧化硅层2上面生长氮化硅层3；氧化硅层2与氮化硅层3共同构成绝缘衬底；氮化硅层3上面设有压电材料4，本实施例中采用氮化铝，压电材料4上面设有谐振器，谐振器材质为金属铝，包括叉指电极IDTs 8、反射栅9，叉指电极上设有微带天线7。衬底1内部有密封腔6，密封腔6的高度约5μm，压电材料4有两块，其中一块位于密封腔6的上方。利用沉积在压电材料4上的延时线型SAW谐振器会随外界温度而改变谐振频率的效应来测定温度；利用生长在空腔上的延时线型SAW谐振器会随外界压力而改变谐振频率的效应来测定压力。本发明与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，有较高的灵敏度，受环境影响小。将金属电极分别沉积在两块压电材料4上且进行图形化，即可分别得到对温度与压力敏感的延时线型SAW谐振器。通过使用时间编码技术，询问射频信号可以很容易地测定两个不同的延时线型SAW谐振器的谐振频率，且不会造成混叠。
SAW谐振器由叉指电极IDTs 8与反射栅9组成，谐振器的谐振频率与温度的关系如公式(1)所示：
其中Tref是参考温度；f0是参考温度下的谐振频率；v0是参考温度下SAW谐振器的速度；TCD为延迟温度系数；λ是SAW谐振器的波长；f是声表面波在待测温度下实际测定的谐振频率；T是待测温度。
压电材料4位于空腔上时，SAW谐振器的谐振频率与施加在谐振器上的压力有关，其关系如公式(2)所示：
其中v0为标准大气压时SAW谐振器的声波速度，r1、r2、r3为与压电材料氮化铝有关的弹性常数，ε1、ε2、ε3为施加压力引起的压电材料表面分布的应变分量。
谐振器会对微带天线7接收到的信号中与谐振频率相同的频率做出最大的响应。温度传感器接近压力传感器以确保置于相同温度状态之下，另外，温度传感器通过置于空腔边缘的方式以避免压力的干扰，以此仅仅实现对温度的检测，然后由两路延迟线型谐振器差频输出从而完成对压力传感器的温度补偿。经过测定，本发明实施例所述传感器在高温、高压力、密封空间等极端恶劣环境中，依然具有优异的性能。
图1所示为经过温度、压力集成传感器的制备方法所述各步骤处理后的衬底1结构示意图，温度、压力集成传感器的制备方法包括以下步骤：
a、采用单晶硅作为衬底1，通过各向异性反应离子刻蚀(RIE)工艺在衬底1一端上刻蚀1-10μm浅槽；
b、在对单晶硅衬底1浅槽侧壁进行保护的同时，对单晶硅衬底1进行各向同性腐蚀，为接下来的外延单晶硅封腔工艺做准备；
c、外延生长单晶硅，在单晶硅衬底1形成了密封的腔体，腔体高约3～10μm；
d、通过化学机械抛光(CMP)工艺使单晶硅衬底1表面平滑，为接下来的光刻做准备；
e、依次生长氧化硅层2，氮化硅层3；
f、生长压电材料4，即氮化铝，光刻、腐蚀形成SAW器件压电层结构；
g、溅射金属，光刻、腐蚀形成SAW谐振器5的反射栅9、叉指电极IDTs 8、微带天线7、电互连线及焊盘，电互连线为金属线，其作用为实现传感器不同部件之间的电连接；焊盘为金属，其作用为实现传感器电信号与外界导线相连时的引线绑定。
本发明实施例所述传感器在制备中时采用了一种外延单晶硅封腔工艺，使得其在单晶硅衬底1中生成一个单晶硅密封的空腔。该封腔工艺与传统空腔制造工艺相比，其工艺难度较小，且与CMOS IC工艺相兼容。通过SAW谐振器5检测单晶硅密封空腔形变量的大小，并且通过MEMS(微电子机械系统)加工技术集成微带天线7，使得该传感器具有无线无源且能在高温、高压力、密封空间等极端恶劣环境中工作的特点。
基于MEMS(微电子机械系统)加工技术将延时线型SAW温度、压力传感器与微带天线7集成于同一单晶硅衬底1上，不仅能够节约生产成本，提高器件的稳定性，更为在高温、高压、封闭狭小的空间等恶劣环境中测定温度和压力提供了一种新的工具。基于MEMS(微电子机械系统)加工技术的传感器体积小，价格低，与集成电路工艺兼容，产品一致性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温度、压力集成传感器，其特征是，包括衬底（1），设置在衬底（1）表面的压电材料（4），所述压电材料（4）上设有谐振器（5），所述衬底（1）内部设有密封腔（6）。
2.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述衬底（1）为单晶硅。
3.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述压电材料（4）为氮化铝。
4.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述压电材料（4）至少有两块。
5.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述密封腔（6）上方设有一块压电材料（4）。
6.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述谐振器（5）包括叉指电极IDTs（8）、反射栅（9），所述叉指电极IDTs（8）连接有微带天线（7）。
7.根据权利要求6所述的温度、压力集成传感器，其特征是，所述叉指电极IDTs（8）、反射栅（9）、微带天线（7）的材质均为铝。
8.根据权利要求1所述的温度、压力集成传感器，其特征是，还包括氧化硅层（2）和氮化硅层（3），氧化硅层（2）生长在衬底（1）表面，氮化硅层（3）生长在氧化硅层（2）表面，压电材料（4）设置在氮化硅层（3）表面。
9.一种权利要求1至8任一项所述的温度、压力集成传感器的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
在单晶硅衬底（1）上刻蚀浅槽；
在对浅槽侧壁保护的同时，对单晶硅衬底（1）进行各向同性腐蚀；
外延生长单晶硅形成密封腔（6）；
通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底（1）表面平滑；
依次生长氧化硅（2），氮化硅（3）；
生长压电材料（4），光刻、腐蚀形成谐振器5的压电层结构；
溅射金属，光刻、腐蚀形成谐振器（5）的反射栅（9）、叉指电极IDTs（8）、微带天线（7）。
10.根据权利要求9所述的温度、压力集成传感器的制备方法，其特征是，所述密封腔（6）的腔体高3~10μm。
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