CN110311641B - 一种压力、温度集成传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力、温度集成传感器及其制备方法,包括底座、衬底及设置在衬底表面的FBAR谐振器,底座沿厚度方向设置有通孔,所述衬底内部设有第一密闭空腔和第二密闭空腔,第一密闭空腔底部与通孔相连通;其中一个FBAR谐振器设置位于第一密闭空腔正上方,一个FBAR谐振器设置位于第二密闭空腔正上方,余下至少一个FBAR谐振器设置位于衬底无密闭空腔部位上方。本发明所述压力、温度集成传感器具备压力传感器模块的温度补偿特性,能够准确地测定压力、温度两个参量,具有能够在高温、高压等极端恶劣环境中工作的优点。
Description
技术领域
本发明分属于传感器技术领域,具体涉及一种压力、温度集成传感器及其制备方法。
背景技术
压力和温度是工业生产中两个十分重要的参量,快速准确地测量出压力与温度对提高工业生产效率、保证产品质量、提高资源利用率、节约能源具有重要的现实意义。但在一些例如高温、高压力等极端恶劣环境中,这些温度集成传感器的性能会受到严重影响甚至无法工作。
压力传感器不仅在工业生产中发挥着重要的作用,在电子产品中也开始崭露头角。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FBAR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进而测定压力的传感器,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面存在着明显的缺陷,在一些极端恶劣环境下会受到影响甚至无法工作的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力、温度集成传感器及其制备方法,以解决现有传感器技术中的压力传感器、温度集成传感器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:
一种压力、温度集成传感器,包括底座、衬底、绝缘衬底及FBAR谐振器,所述FBAR谐振器包括下电极、压电材料与上电极;
所述衬底为单晶硅衬底,所述底座采用玻璃材质,且沿厚度方向设置有通孔,
所述单晶硅衬底下表面键合在底座上表面,所述衬底内部设有第一密闭空腔和第二密闭空腔,其中第一密闭空腔的底部与通孔相连通;
所述衬底上设置绝缘衬底,绝缘衬底上设置至少三个FBAR谐振器;
其中一个FBAR谐振器设置位于第一密闭空腔正上方,一个FBAR谐振器设置位于第二密闭空腔正上方,余下至少一个FBAR谐振器设置位于衬底无密闭空腔部位上方。
进一步的,所述的压力、温度集成传感器,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,氧化硅层和氮化硅层共同构成绝缘衬底;氮化硅层上设置FBAR谐振器。
作为优选方案,所述的压力、温度集成传感器,所述单晶硅包括N型单晶硅、P型单晶硅。
作为优选方案,所述下电极为金属。
作为优选方案,所述压电材料为氮化铝。
作为优选方案,所述上电极为金属。
根据本发明的另一方面,还提供所述的压力、温度集成传感器的制备方法,包括:
在玻璃底座上刻蚀通孔;
在单晶硅衬底上生长氧化硅层;
在氧化硅层上生长氮化硅层;
生长金属,溅射金属,形成FBAR谐振器的下电极结构;
生长压电材料,光刻、刻蚀形成FBAR谐振器的压电层结构;
生长金属,溅射金属,形成FBAR谐振器的上电极结构;
对单晶硅衬底进行各向异性腐蚀,并对下表面刻蚀形成第一密闭空腔和第二密闭空腔;
将单晶硅衬底下表面与底座上表面键合在一起。
作为优选方案,所述的压力、温度集成传感器的制备方法,所述第一密闭空腔和第二密闭空腔的腔体宽度大于对应的FBAR谐振器的下电极、压电材料的宽度。
与目前现有技术相比,本发明所达到的有益效果:利用淀积在压电材料上的FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来测定温度;利用生长在空腔上的FBAR谐振器的谐振频率会随外界压力变化而改变的特性来测定压力,利用生长在与外界相通的空腔上的FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来进行对压力传感器模块的温度补偿。本发明所述压力、温度集成传感器具备压力传感器模块的温度补偿特性,能够准确地测定压力、温度两个参量,具有能够在高温、高压等极端恶劣环境中工作的优点。解决了传统传感器在一些极端恶劣环境下会受到影响甚至无法工作的技术难题,其中,压力传感器模块具备温度补偿效应,有效抑制了温度对压力传感器模块的影响。
(1)本发明所述压力、温度集成传感器实现了传感器与处理电路的单片集成,结构简单,可以有效降低生产成本,提高灵敏度,减少寄生等;
(2)本发明所述压力、温度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;
(3)本发明所述压力、温度集成传感器采用了FBAR谐振器,压力传感器模块具备温度补偿的特点,通过两个模态的对比可以更加精确地测定压力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种压力、温度集成传感器制备方法经各步骤处理后的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的一种压力、温度集成传感器的主视图;
图3是本发明实施例提供的一种压力、温度集成传感器的俯视图;
图中:1.玻璃底座;2.通孔;3.单晶硅衬底;4.氧化硅层;5.氮化硅层;6.下电极;7.压电材料;8.上电极;9.空腔,第一密闭空腔91和第二密闭空腔92。
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,一种压力、温度集成传感器,包括底座1、通孔2、衬底3、绝缘衬底及FBAR谐振器,所述FBAR谐振器包括下电极6、压电材料7与上电极8;
所述底座1采用玻璃材质,且沿厚度方向刻蚀通孔2;衬底3采用单晶硅衬底,包括N型单晶硅、P型单晶硅,衬底3上表面生长氧化硅层4;氧化硅层4上面生长氮化硅层5;氧化硅层4与氮化硅层5共同构成绝缘衬底;氮化硅层5上面设有下电极6,下电极6采用金属;下电极6上面设有压电材料7,本实施例中采用氮化铝;压电材料7上面设有上电极8,上电极采用金属。
衬底3内部有两个空腔9,分别为第一密闭空腔91和第二密闭空腔92,其中第一密闭空腔91底部与通孔2相连通;绝缘衬底上设置三个FBAR谐振器;其中第一个FBAR谐振器设置位于第一密闭空腔91正上方,第二个FBAR谐振器设置位于第二密闭空腔92正上方,余下第三个FBAR谐振器设置位于衬底无密闭空腔部位上方。
进一步的,所述第一密闭空腔91和第二密闭空腔92的腔体宽度大于对应的FBAR谐振器的下电极6、压电材料7的宽度。
利用淀积在压电材料上的第三个FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来测定温度;利用生长在第二密闭空腔92上的第二个FBAR谐振器的谐振频率会随外界压力变化而改变的特性来测定压力,利用生长在与外界相通的第一密闭空腔91上的第一个FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来进行对压力传感器模块的温度补偿。
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。压力传感器模块具备温度补偿的特点,通过两个模态的对比可以更加精确地测定压力。
FBAR谐振器由下电极6、压电材料7与上电极8组成,谐振器的谐振频率与温度的关系如公式所示:
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FBAR谐振器的速度;TCF为温度频率系数;λ是FBAR谐振器的波长;f是体声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7位于空腔上时,FBAR谐振器的谐振频率与施加在谐振器上的压力有关,其关系如公式所示:
其中v0为标准大气压时FBAR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。
温度集成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,温度集成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,然后利用利用生长在空腔上的FBAR谐振器与生长在与外界相通的空腔上的FBAR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、高压力等极端恶劣环境中,依然具有优异的性能。
图1所示为经过压力、温度集成传感器的制备方法所述各步骤处理后的结构示意图,压力、温度集成传感器的制备方法包括以下步骤:
a、采用玻璃作为底座1,通过刻蚀设置通孔2;
b、采用单晶硅作为衬底3,上表面生长氧化硅层4;
c、生长氮化硅层5;
d、生长下电极6,即金属,溅射金属形成FBAR谐振器的下电极及其引脚结构;
e、生长压电材料7即氮化铝,光刻、腐蚀形成FBAR谐振器压电层结构;
f、生长上电极8,即金属,溅射金属形成FBAR谐振器的上电极结构;
g、对单晶硅衬底3进行各向异性腐蚀,并在下表面刻蚀形成空腔9;
h、将单晶硅衬底3下表面与底座1上表面键合在一起。
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 (8)
1.一种压力、温度集成传感器,其特征是,包括底座(1)、衬底(3)、绝缘衬底及FBAR谐振器,所述FBAR谐振器包括下电极(6)、压电材料(7)与上电极(8);
所述衬底(3)为单晶硅衬底,所述底座(1)采用玻璃材质,且沿厚度方向设置有通孔(2),
所述单晶硅衬底(3)下表面键合在底座(1)上表面,所述衬底(3)内部设有第一密闭空腔(91)和第二密闭空腔(92),其中第一密闭空腔(91)的底部与通孔(2)相连通;
所述衬底(3)上设置绝缘衬底,绝缘衬底上设置至少三个FBAR谐振器;
其中一个FBAR谐振器设置位于第一密闭空腔(91)正上方,一个FBAR谐振器设置位于第二密闭空腔(92)正上方,余下至少一个FBAR谐振器设置位于衬底无密闭空腔部位上方;
利用淀积在压电材料上的第三个FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来测定温度;利用生长在第二密闭空腔(92)上的第二个FBAR谐振器的谐振频率会随外界压力变化而改变的特性来测定压力,利用生长在与外界相通的第一密闭空腔(91)上的第一个FBAR谐振器的谐振频率会随外界温度变化而改变的特性来进行对压力传感器模块的温度补偿;
FBAR谐振器的谐振频率与温度的关系如公式所示:
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FBAR谐振器的速度;TCF为温度频率系数;λ是FBAR谐振器的波长;f是体声波在待测温度下实际测定的谐振频率;T是待测温度;
FBAR谐振器的压电材料(7)位于空腔上时,FBAR谐振器的谐振频率与施加在谐振器上的压力有关,关系如公式所示:
其中v0为标准大气压时FBAR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;
利用生长在空腔上的FBAR谐振器与生长在与外界相通的空腔上的FBAR谐振器差频输出从而完成对压力传感器的温度补偿。
2.根据权利要求1所述的压力、温度集成传感器,其特征是,所述绝缘衬底包括氧化硅层(4)和氮化硅层(5),氧化硅层(4)生长在衬底(3)上表面,氮化硅层(5)生长在氧化硅层(4)上表面,氧化硅层(4)和氮化硅层(5)共同构成绝缘衬底;氮化硅层(5)上设置FBAR谐振器。
3.根据权利要求1所述的压力、温度集成传感器,其特征是,所述单晶硅包括N型单晶硅、P型单晶硅。
4.根据权利要求1所述的压力、温度集成传感器,其特征是,所述下电极(6)为金属。
5.根据权利要求1所述的压力、温度集成传感器,其特征是,所述压电材料(7)为氮化铝。
6.根据权利要求1所述的压力、温度集成传感器,其特征是,所述上电极(8)为金属。
7.一种权利要求1至6任一项所述的压力、温度集成传感器的制备方法,其特征是,包括:
在玻璃底座(1)上刻蚀通孔(2);
在单晶硅衬底(3)上生长氧化硅层(4);
在氧化硅层(4)上生长氮化硅层(5);
生长金属,溅射金属,形成FBAR谐振器的下电极(6)结构;
生长压电材料(7),光刻、刻蚀形成FBAR谐振器的压电层结构;
生长金属,溅射金属,形成FBAR谐振器的上电极(8)结构;
对单晶硅衬底(3)进行各向异性腐蚀,并对下表面刻蚀形成第一密闭空腔(91)和第二密闭空腔(92);
将单晶硅衬底(3)下表面与底座(1)上表面键合在一起。
8.根据权利要求7所述的压力、温度集成传感器的制备方法,其特征是,所述第一密闭空腔(91)和第二密闭空腔(92)的腔体宽度大于对应的FBAR谐振器的下电极(6)、压电材料(7)的宽度。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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