CN110231103B - 一种复合编码型saw温度、压力集成传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器及其制备方法，包括衬底及设置在衬底表面的压电材料，所述压电材料上设有SAW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。本发明所述复合编码型SAW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。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SAW谐振器的谐振频率，不会造成混叠。

Description

一种复合编码型SAW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，具体涉及一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器及其制备方法。
背景技术
在工业生产、电子产品、安全检测中，传感器得到了越来越多的运用，其中测量温度和压力的传感器使用得尤为频繁。传统的温度传感器或者压力传感器在使用时需要用导线将信号接收设备与传感器相连接，有些传感器在使用时还需要外供驱动源。在一些需要信号接收设备与传感器隔离的场合，例如行驶中的汽车中的轮胎温度、压力监测，这类传感器就无法发挥作用。并且在小型化、低功耗逐渐成为电子产品设计主题的趋势下，在电子产品中使用这类功耗较高，不便于集成的传感器并不是一个比较好的选择。复合编码型SAW(声表面波)温度、压力传感器能够实现无源无线，并且具有大响应能量和长持续时间的谐振特性，以及具有多个时间码的时分特性。而基于MEMS(微电子机械系统)加工技术的SAW传感器还具有体积小，价格低，与集成电路工艺兼容，产品一致性好的特点，完全合适在上述相似场合中使用。
压力传感器水利水电、铁路交通、智能建筑、电子产品等行业具有十分重要的应用。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。
现有技术存在以下缺陷：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。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，难以与处理单元集成，需要消耗能量，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。
发明内容
本发明的目的在于：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器，包括衬底及设置在衬底上表面的压电材料，所述衬底内部设有密封腔，所述压电材料至少有两块，其中至少一块压电材料设置在衬底密封腔正上方，另有至少一块压电材料设置在衬底无密封腔部位上方；每块压电材料上均设有SAW谐振器；其中位于密封腔正上方的SAW谐振器作为压力传感器，位于衬底无密封腔部位上方的SAW谐振器作为温度传感器，利用在密封腔上的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，利用沉积在压电材料上的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。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述SAW谐振器包括反射栅、第一叉指电极IDTs、第二叉指电极IDTs、第三叉指电极IDTs、平面电感和电容器；
所述反射栅用于反射声表面波信号传送给第一叉指电极IDTs，所述第一叉指电极IDTs用于对接收到的声表面波信号进行选频，第二叉指电极IDTs作为信号延迟线，所述第三叉指电极IDTs连接有微带天线，用于接收和发送无线电波信号；所述平面电感和电容器构成L型阻抗匹配网络，第一叉指电极IDTs通过电互连线连接到阻抗匹配网络的输入端，阻抗匹配网络的输出端通过电互连线连接到第二叉指电极IDTs，第二叉指电极IDTs把电信号转换为声表面波信号，传送给第三叉指电极IDTs，第三叉指电极IDTs将声表面波信号转换为电信号，并通过微带天线把电信号发送出去。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述第一叉指电极IDTs、第二叉指电极IDTs、第三叉指电极IDTs、反射栅、微带天线、平面电感和电容器的材质均为铝。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，还包括绝缘衬底，所述绝缘衬底设置在衬底与压电材料之间。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述绝缘衬底包括氧化硅层和氮化硅层，氧化硅层生长在衬底上表面，氮化硅层生长在氧化硅层上表面，压电材料设置在氮化硅层上表面。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述衬底为单晶硅，采用N型单晶硅、P型单晶硅。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述压电材料为氮化铝。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，所述密封腔的腔体高度为3～10μm，宽度大于对应的压电材料的宽度。
根据本发明的另一方面，还提供所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器的制备方法，包括：
在单晶硅衬底上刻蚀浅槽；
在对浅槽侧壁保护的同时，对单晶硅衬底进行各向同性腐蚀；
外延生长单晶硅，在单晶硅衬底中形成密封腔；
通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底上表面平滑；
依次生长氧化硅层，氮化硅层，作为绝缘衬底；
溅射金属，光刻、腐蚀形成电容器下极板；
生长压电材料，光刻、腐蚀形成SAW谐振器的压电层结构；
溅射金属，光刻、腐蚀形成电互连线、SAW谐振器的反射栅、第一叉指电极IDTs、第二叉指电极IDTs、第三叉指电极IDTs、微带天线、平面电感和电容器的上极板。
作为优选方案，所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器的制备方法，所述密封腔的腔体高3～10μm，宽度大于对应的压电材料的宽度。
本发明提出的复合编码型SAW的温度、压力集成传感器，在制备中时采用了一种外延单晶硅封腔工艺，使得其在硅衬底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，使得该传感器还具有能够在高温、高压力、密封空间等极端恶劣环境中工作的特点。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提供的复合编码型SAW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。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SAW谐振器的谐振频率，不会造成混叠。基于MEMS(微电子机械系统)加工技术将复合编码型SAW温度传感器、压力传感器与微带天线集成于同一硅衬底上，不仅能够节约生产成本，提高器件的稳定性，也为在高温、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，为电子产品中嵌入温度、压力传感器提供了一种解决方法。
1、本发明所述复合编码型SAW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、本发明所述复合编码型SAW温度、压力集成传感器实现传感器和处理电路的单片集成。可以降低成本，提高灵敏度，减少寄生等。
3、本发明所述复合编码型SAW温度、压力集成传感器能够在同一硅衬底上实现对温度和压力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、本发明采用的复合编码型SAW传感器，具有大响应能量和长持续时间的谐振特性，以及具有多个时间码的时分特性。通过时间编码技术，询问的射频信号可以很容易地识别多个传感器中不同的谐振器，不会造成混叠。
5、本发明可用于集成传感器阵列。通过本发明提出的制备技术，能够在一块较大的硅衬底上制造多个复合编码型SAW温度、压力集成传感器，提高对温度与压力的感知距离与灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种复合编码型SAW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复合编码型SAW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复合编码型SAW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.金属；5.压电材料；6.密封腔体；7.电互连线；8.电容器；9.反射栅；101.第一叉指电极IDTs；102.第二叉指电极IDTs；103.第三叉指电极IDTs；11.微带天线；12.平面电感。
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，一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器，包括衬底1及设置在衬底1上表面的压电材料5，所述衬底1内部设有密封腔6，所述压电材料5至少有两块，其中至少一块压电材料5设置在衬底1密封腔6正上方，另有至少一块压电材料5设置在衬底无密封腔部位上方；每块压电材料5上均设有SAW谐振器；其中位于密封腔6正上方的SAW谐振器作为压力传感器，位于衬底无密封腔部位上方的SAW谐振器作为温度传感器，利用在密封腔上的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，利用沉积在压电材料上的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。
进一步的，在一些实施例中，如图3所示，所述SAW谐振器包括反射栅9、第一叉指电极IDTs101、第二叉指电极IDTs102、第三叉指电极IDTs103、平面电感12和电容器8；
所述反射栅9用于反射声表面波信号传送给第一叉指电极IDTs101，所述第一叉指电极IDTs101用于对接收到的声表面波信号进行选频，第二叉指电极IDTs102作为信号延迟线，所述第三叉指电极IDTs103连接有微带天线11，用于接收和发送无线电波信号；所述平面电感12和电容器8构成L型阻抗匹配网络，第一叉指电极IDTs101通过电互连线7连接到阻抗匹配网络的输入端，阻抗匹配网络的输出端通过电互连线7连接到第二叉指电极IDTs102，第二叉指电极IDTs102把电信号转换为声表面波信号，传送给第三叉指电极IDTs103，第三叉指电极IDTs103将声表面波信号转换为电信号，并通过微带天线11把电信号发送出去。
所述第一叉指电极IDTs101、第二叉指电极IDTs102、第三叉指电极IDTs103、反射栅9、微带天线11、平面电感12和电容器8的材质均为铝。
进一步的，所述衬底1采用N型单晶硅或P型单晶硅。在衬底1与压电材料5之间设置有绝缘衬底，在一些实施例中，如图1、图2所示，所述绝缘衬底包括氧化硅层2和氮化硅层3，氧化硅层2生长在衬底1上表面，氮化硅层3生长在氧化硅层2上表面，压电材料5设置在氮化硅层3上表面；氧化硅层2与氮化硅层3共同构成绝缘衬底；氮化硅层3上面设有电容器8下极板和压电材料5，本实施例中压电材料5采用氮化铝，压电材料5上面设有SAW谐振器，SAW谐振器材质为金属铝，包括反射栅9、第一叉指电极IDTs101、第二叉指电极IDTs102、第三叉指电极IDTs103、平面电感12和电容器8上极板，第三叉指电极IDTs103上设有微带天线11，平面电感12和电容器8构成L型阻抗匹配网络第二叉指电极IDTs102与反射栅9之间的阻抗匹配；衬底1内部有密封腔6，压电材料5有两块，其中一块位于密封腔6的上方。
进一步的，所述密封腔6的腔体高度为3～10μm，宽度大于对应的压电材料5的宽度。
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5上且进行图形化，即可分别得到对温度与压力敏感的复合编码型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复合编码型SAW谐振器的谐振频率，且不会造成混叠。
SAW谐振器包括反射栅9、第一叉指电极IDTs101、第二叉指电极IDTs102、平面电感12和电容器8，谐振器的谐振频率与温度的关系如公式1所示：
Figure BDA0002109286460000091
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的速度，TCD为延迟温度系数，λ是SAW的波长，T是待测温度，f是声表面波在待测温度下实际测定的谐振频率。
压电材料5位于密封腔6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：
Figure BDA0002109286460000092
其中v0为标准大气压时SAW声波速度，r1、r2、r3为压电材料氮化硅有关的弹性常数，ε1、ε2、ε3为施加压力引起的压电材料表面分布的应变分量，f是声表面波在待测温度下实际测定的谐振频率。
谐振器的谐振频率受到待测量物理量的影响。微带天线11接收的询问射频信号激发它工作，当激励信号频率等于传感器的谐振频率时，传感器将发生谐振，此时反射的回波信号也最强。通过可编程RF收发器可以自动检测，跟踪和锁定谐振频率。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所示为经过合编码型SAW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工艺在衬底上刻蚀1-10μm浅槽；
b、在对硅衬底浅槽侧壁进行保护的同时，对硅进行各向同性腐蚀，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，在硅衬底形成了密封腔6，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，为接下来的光刻工艺做准备；
e、依次生长氧化硅层2和氮化硅层3，作为绝缘衬底；
f、溅射金属，作为电容器8下极板的材料；
g、光刻、腐蚀形成电容器8下极板；
h、生长压电材料5，光刻、腐蚀形成SAW谐振器压电层结构、电容器介质层、电感导线孔结构；
i、溅射金属，光刻、腐蚀形成SAW谐振器的反射栅9、第一叉指电极IDTs101、第二叉指电极IDTs102、第三叉指电极IDTs103、微带天线11、电容器8上极板、平面电感12、电互连线7及焊盘，电互连线7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11，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11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 (9)

1.一种复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，包括衬底（1）及设置在衬底（1）上表面的压电材料（5），所述衬底（1）内部设有密封腔（6），所述压电材料（5）至少有两块，其中至少一块压电材料（5）设置在衬底（1）密封腔（6）正上方，另有至少一块压电材料（5）设置在衬底无密封腔部位上方；每块压电材料（5）上均设有SAW谐振器；其中位于密封腔（6）正上方的SAW谐振器作为压力传感器，位于衬底无密封腔部位上方的SAW谐振器作为温度传感器，利用在密封腔上的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，利用沉积在压电材料上的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；
所述SAW谐振器包括反射栅（9）、第一叉指电极IDTs（101）、第二叉指电极IDTs（102）、第三叉指电极IDTs（103）、平面电感（12）和电容器（8）；
所述反射栅（9）用于反射声表面波信号传送给第一叉指电极IDTs（101），所述第一叉指电极IDTs（101）用于对接收到的声表面波信号进行选频，第二叉指电极IDTs（102）作为信号延迟线，所述第三叉指电极IDTs（103）连接有微带天线（11），用于接收和发送无线电波信号；所述平面电感（12）和电容器（8）构成L型阻抗匹配网络，第一叉指电极IDTs（101）通过电互连线（7）连接到阻抗匹配网络的输入端，阻抗匹配网络的输出端通过电互连线（7）连接到第二叉指电极IDTs（102），第二叉指电极IDTs（102）把电信号转换为声表面波信号，传送给第三叉指电极IDTs（103），第三叉指电极IDTs（103）将声表面波信号转换为电信号，并通过微带天线（11）把电信号发送出去。
2.根据权利要求1所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，所述第一叉指电极IDTs（101）、第二叉指电极IDTs（102）、第三叉指电极IDTs（103）、反射栅（9）、微带天线（11）、平面电感（12）和电容器（8）的材质均为铝。
3.根据权利要求1所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，还包括绝缘衬底，所述绝缘衬底设置在衬底（1）与压电材料（5）之间。
4.根据权利要求3所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，所述绝缘衬底包括氧化硅层（2）和氮化硅层（3），氧化硅层（2）生长在衬底（1）上表面，氮化硅层（3）生长在氧化硅层（2）上表面，压电材料（5）设置在氮化硅层（3）上表面。
5.根据权利要求1所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，所述衬底（1）为单晶硅，采用N型单晶硅、P型单晶硅。
6.根据权利要求1所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，所述压电材料（5）为氮化铝。
7.根据权利要求1所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器，其特征在于，所述密封腔（6）的腔体高度为3~10um，宽度大于对应的压电材料（5）的宽度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器的制备方法，其特征在于，包括：
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，在单晶硅衬底（1）中形成密封腔（6）；
通过化学机械抛光工艺使单晶硅衬底（1）上表面平滑；
依次生长氧化硅层（2），氮化硅层（3），作为绝缘衬底；
溅射金属，光刻、腐蚀形成电容器（8）下极板；
生长压电材料（5），光刻、腐蚀形成SAW谐振器的压电层结构；
溅射金属，光刻、腐蚀形成电互连线（7）、SAW谐振器的反射栅（9）、第一叉指电极IDTs（101）、第二叉指电极IDTs（102）、第三叉指电极IDTs（103）、微带天线（11）、平面电感（12）和电容器（8）的上极板。
9.根据权利要求8所述的复合编码型SAW温度、压力集成传感器的制备方法，其特征在于，所述密封腔（6）的腔体高3~10um，宽度大于对应的压电材料（5）的宽度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111060230A (zh) * 2019-12-27 2020-04-24 天津大学 一种基于lc谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法
CN111380632A (zh) * 2020-02-29 2020-07-07 天津大学 基于双层非对称式lc谐振的无线无源柔性压力传感器
CN111721365A (zh) * 2020-07-15 2020-09-29 河海大学常州校区 一种谐振型saw温度、压力集成传感器及制备方法
CN112146793B (zh) * 2020-11-26 2021-04-02 南京高华科技股份有限公司 一种lc复合式mems触觉压力传感器及其制备方法
CN113353883B (zh) * 2021-08-09 2021-11-30 南京高华科技股份有限公司 一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法
CN113447166B (zh) * 2021-08-30 2021-11-16 南京高华科技股份有限公司 基于频率检测原理的mems压力传感器及制备方法
CN117091653B (zh) * 2023-08-24 2024-04-12 哈尔滨理工大学 一种用于储能系统安全监测的双参量薄膜传感器及其制备方法和应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7165298B2 (en) * 2004-09-14 2007-01-23 Honeywell International Inc. Method of making a surface acoustic wave device
CN104101451B (zh) * 2014-07-17 2016-08-31 电子科技大学 双敏感源声表面波传感器
US10605785B2 (en) * 2017-06-07 2020-03-31 General Electric Company Sensor system and method
CN107504927B (zh) * 2017-09-11 2024-04-19 重庆大学 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
CN110006490A (zh) * 2019-04-19 2019-07-12 河海大学常州校区 一种温度、压力集成传感器及其制备方法

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