CN113049128A - 压电薄膜式温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种压电薄膜式温度传感器及其制备方法。压电薄膜式温度传感器包括：衬底，设置于所述衬底的布拉格反射层，设置于所述布拉格反射层远离所述衬底的部分表面的第一电极，设置于所述第一电极和所述布拉格反射层远离所述衬底的表面的压电薄膜层，以及设置于所述压电薄膜层远离所述第一电极的表面的第二电极。所述压电薄膜层为单晶材料层。本申请中，所述压电薄膜式温度传感器采用所述布拉格反射层作为声学反射层，相比于空气型或背蚀空腔型薄膜体声波谐振器结构刚度较好，工艺相对简单，良品率高，更加适合大批量生产。本申请中所述压电薄膜式温度传感器的结构设计简单，可无线化且与互补金属氧化物半导体工艺兼容的良好特性。
Description
技术领域
本申请涉及微电子器件技术领域，特别是涉及一种压电薄膜式温度传感器及其制备方法。
背景技术
目前，能源装备、钢铁冶金、航空航天领域，对温度的实时监测需求越来越强烈。在1000℃的高温恶劣环境下，传统的热电偶、光学测温方案存在较大的局限性，包括体积较大、安装难度高、有线连接在高温下容易失效、测试精度低、输出信号易受共模干扰、信号延迟大等问题。因此急需寻求一种可行的高温传感方案。
发明内容
基于此，有必要针对传统的热电偶、光学测温方案存在较大局限性的问题，提供一种压电薄膜式温度传感器及其制备方法。
一种压电薄膜式温度传感器，包括：
衬底；
布拉格反射层，设置于所述衬底；
第一电极，设置于所述布拉格反射层远离所述衬底的部分表面；
压电薄膜层，设置于所述第一电极和所述布拉格反射层远离所述衬底的表面，所述压电薄膜层为单晶材料层；
第二电极，设置于所述压电薄膜层远离所述第一电极的表面。
在一个实施例中，所述布拉格反射层包括：多个反射组，每个反射组包括两个阻抗层，一个高声阻抗层和一个低声阻抗层，相邻的两个所述反射组之间的所述阻抗层的类型不同。
在一个实施例中，所述布拉格反射层包括：四至六个所述反射组。
在一个实施例中，所述布拉格反射层包括：
四个反射组，与所述衬底接触的阻抗层为所述高声阻抗层，与所述第一电极接触的阻抗层为所述低声阻抗层。
在一个实施例中，所述衬底的材料为SiC，所述高声阻抗层的材料为AlN，所述低声阻抗层的材料为SiO2，所述压电薄膜层的材料为c轴晶向的单晶AlN，所述第一电极和所述第二电极的材料为金属Mo。
在一个实施例中，所述衬底的厚度为350μm±10μm，所述高声阻抗层的厚度为1.09μm±0.005μm，所述低声阻抗层的厚度为0.56μm±0.002μm，所述压电薄膜层的厚度为2μm±0.01μm，所述第一电极和所述第二电极的厚度均为0.1μm±0.005μm。
本申请还提供一种压电薄膜式温度传感器的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底的表面沉积布拉格反射层；
在所述布拉格反射层远离所述衬底的部分表面沉积第一电极；
在所述第一电极和所述布拉格反射层远离所述衬底的表面沉积压电薄膜层；
在所述压电薄膜层远离所述第一电极的表面沉积第二电极。
在一个实施例中，所述在所述衬底的表面沉积布拉格反射层的步骤包括：
在所述衬底的表面形成四个反射组，其中，每个所述反射组包括两个不同类型的阻抗层，一个高声阻抗层和一个低声阻抗层，相邻的两个所述反射组之间的所述阻抗层类型不同。
在一个实施例中，所述在所述衬底的表面形成四个反射组的步骤包括：
在所述衬底的表面沉积一个所述高声阻抗层；
在所述高声阻抗层的表面沉积一个所述低声阻抗层，一个所述高声阻抗层和一个所述低声阻抗层为一个反射组；
在所述反射组的表面继续沉积，共形成四个所述反射组，其中，与所述衬底接触的阻抗层为所述高声阻抗层，与所述第一电极接触的阻抗层为所述低声阻抗层。
在一个实施例中，所述在所述第一电极和所述布拉格反射层远离所述衬底的表面沉积压电薄膜层的步骤包括：
提供真空度高于5×10-7Torr的反应腔；
提供AlN靶材，并在所述衬底温度为150℃，所述反应腔中氮气与氩气流量比为3：2，所述反应腔中反应气体压力值为4.5mTorr的环境下，对所述AlN靶材采用200W的溅射功率，沉积3小时-6小时，以形成c轴取向的单晶AlN薄膜。
本申请一个实施例中，所述压电薄膜式温度传感器包括：衬底，设置于所述衬底的布拉格反射层，设置于所述布拉格反射层远离所述衬底的部分表面的第一电极，设置于所述第一电极和所述布拉格反射层远离所述衬底的表面的压电薄膜层，以及设置于所述压电薄膜层远离所述第一电极的表面的第二电极。所述压电薄膜层为单晶材料层。本申请中，所述压电薄膜式温度传感器采用所述布拉格反射层作为声学反射层，相比于空气型或背蚀空腔型薄膜体声波谐振器结构刚度较好，工艺相对简单，良品率高，更加适合大批量生产。本申请中所述压电薄膜式温度传感器的结构设计简单，可无线化且与互补金属氧化物半导体工艺兼容的良好特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器的结构示意图；
图2为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器的结构示意图；
图3为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器的结构示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器制备方法中部分流程示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器制备方法中部分流程示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器制备方法中部分流程示意图；
图7为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器中压电薄膜层的X射线衍射图；
图8为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器通过电路射频仿真软件计算的阻抗频率响应曲线；
图9为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器通过有限元仿真软件计算的阻抗频率响应曲线；
图10为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器的谐振频率随温度变化的曲线图；
图11为本申请一个实施例中提供的压电薄膜式温度传感器与无线传输模块集成的测试示意图。
附图标号说明：
压电薄膜式温度传感器100
衬底10
布拉格反射层20
反射组21
高声阻抗层22
低声阻抗层23
粘合层24
第一电极30 第一电极引出孔31
压电薄膜层40 光刻胶41 掩膜版42
第二电极50
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
目前在移动通信领域，薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,缩写FBAR)的应用较为广泛。FBAR的工作频率高、插入损耗小、抗干扰能力强、功率处理能力高、与集成电路(Integrated Circuit缩写IC)的工艺兼容性好。在传感领域，FBAR具有测试精度高、可无线化、频率量输出、体积小的特点，若再结合一些耐高温材料，在高温传感领域具有极大的应用潜力。
本申请提供一种压电薄膜式温度传感器及其制备方法，所述压电薄膜式温度传感器应用薄膜体声波谐振器实现温度监测。并且本申请提供的所述压电薄膜式温度传感器是基于布拉格反射层的固体装配型FBAR。本申请提供的所述压电薄膜式温度传感器的结构刚度较强，在恶劣环境中振动、加速度影响下基本不会出现结构损坏的问题，同时无需对衬底进行刻蚀降低了工艺难度。
固体装配型薄膜体声波谐振式温度传感器(以下简称器件)的基本原理：当环境温度发生变化时，压电材料的纵波声速会发生变化，器件的谐振条件会随纵波声速的变化而变化。因此在不同温度下器件的谐振频率不同，通过测量器件谐振频率的变化，并通过数据拟合即可获得环境温度参数。
请参阅图1，本申请提供一种压电薄膜式温度传感器100，包括：衬底10、布拉格反射层20、第一电极30、压电薄膜层40以及第二电极50。
所述衬底10用于承载所述布拉格反射层20。所述衬底10的材料和厚度选取可以参考所述压电薄膜式温度传感器100的应用环境。比如在1000℃的高温恶劣环境下，所述衬底10可以选取SiC材料。
所述布拉格反射层20设置于所述衬底10。所述布拉格反射层20的主要作用是抑制压电薄膜体声波向所述衬底10的泄露。所述布拉格反射层20可以包括多个周期的反射组21。理论上，所述布拉格反射层20周期的多少会影响其对声波的反射效果，以及谐振频率偏移量的大小。在一个实施例中，所述布拉格反射层20包括：四至六个所述反射组21。如图1所示，所述布拉格反射层20包括4个所述反射组21。如图3所示，所述布拉格反射层20包括5个所述反射组21。
所述第一电极30设置于所述布拉格反射层20远离所述衬底10的部分表面。所述第一电极30的选材一般为导电金属。所述第一电极30未进行图形化处理。
所述压电薄膜层40设置于所述第一电极30和所述布拉格反射层20远离所述衬底10的表面。所述压电薄膜层40为单晶材料层。所述压电薄膜式温度传感器100在工作时，所述压电薄膜层40会产生振动，从而激发薄膜内体声波。当薄膜厚度为体声波波长整数倍时，所述压电薄膜层40内会产生驻波从而达到谐振，此时所述压电薄膜层40沿厚度方向变形最大。
FBAR根据体声波传播模态的不同有纵波模式和剪切波模式。而本申请中所述压电薄膜层40可以选择单晶结构的AlN材料。AlN材料的纵波声速为11350m/s，剪切波声速约为纵波的一半，在所述压电薄膜层40厚度相同的情况下，纵波声速越高，FBAR谐振频率越高，因此为了获得较高的谐振频率，本申请选择纵波模式FBAR。
所述第二电极50设置于所述压电薄膜层40远离所述第一电极30的表面。所述第二电极50的选材与所述第一电极30的选材相同，一般为导电金属。所述第二电极50进行图形化处理。所述第一电极30与所述第二电极50重叠部分为谐振有效面积，形成共面波导，便于实现线极化、圆极化、双极化和多频段工作。
本申请中，所述压电薄膜式温度传感器100为固体装配型薄膜体声波谐振式温度传感器。所述压电薄膜式温度传感器100采用所述布拉格反射层20作为声学反射层，相比于空气型或背蚀空腔型FBAR结构刚度较好，工艺相对简单，良品率高，更加适合大批量生产。另外本实施例中，所述压电薄膜式温度传感器100的结构设计简单，且具有耐高温、谐振频率高、体积小、灵敏度高、结构刚度好、抗干扰能力强、可无线化且与CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容的良好特性。同时，所述压电薄膜式温度传感器100为燃气轮机等高温恶劣环境下的温度传感提供了实际可行的设计方案。
所述压电薄膜式温度传感器100在工作时给所述第一电极30接地，所述第二电极50输入连续交变扫频信号，从而形成沿所述压电薄膜层40厚度方向的交变电场。由于逆压电效应，所述压电薄膜层40会产生振动，从而激发所述压电薄膜层40内体声波的产生。由于所述压电薄膜层40为单晶材料层，因此激发的体声波以纵波为主。由于所述压电薄膜层40与外界空气对声波阻尼差别很大(空气声阻抗近似为零)，因此体声波在交界面上基本都会被反射回去。当所述压电薄膜层40的厚度为纵波波长的整数倍时，所述压电薄膜层40内产生纵波，从而形成谐振，此时所述压电薄膜层40沿厚度方向的变化最大。
在一个实施例中，所述布拉格反射层20包括：多个反射组21，每个反射组21包括两个阻抗层，一个高声阻抗层22和一个低声阻抗层23，相邻的两个所述反射组21之间的所述阻抗层的类型不同。
本实施例中，提供了所述布拉格反射层20的具体结构。在包括多个所述反射组21的所述布拉格反射层20中，所述高声阻抗层22和所述低声阻抗层23之间是交替分布的。在所述布拉格反射层20中包括多少个所述反射组21是发明人经过多次有限元仿真得出的模拟计算结果。模拟计算结果显示：所述布拉格反射层20中包括四个所述反射组21以下时，所述压电薄膜式温度传感器100对声反射的效果较差，阻抗频率曲线出现了较明显的寄生峰。这是由于当所述布拉格反射层20中包括较少的所述反射组21时，所述压电薄膜层40的体声波未被完全反射回去，从而导致其沿所述衬底10泄露。所述衬底10边缘反射回来的体声波对在所述压电薄膜层40内谐振的体声波造成干扰，从而表现为较大的寄生杂波。而当所述布拉格反射层20中包括四个所述反射组21时，阻抗频率曲线已经比较光滑。理论上所述布拉格反射层20中包括的所述反射组21越多，阻抗频率曲线越好。但是由于所述反射组21越多，工艺难度越大。因此本申请中限定，所述布拉格反射层20包括四至六个所述反射组21。
在一个实施例中，所述布拉格反射层20包括：四个所述反射组21。所述反射组21中与所述衬底10接触的阻抗层为所述高声阻抗层22。即，第一个所述反射组21中的所述高声阻抗层22紧挨着所述衬底10设置。所述反射组21中与所述第一电极30接触的阻抗层为所述低声阻抗层23。即最后一个所述反射组21中的所述低声阻抗层23紧挨着所述第一电极30设置。
本实施例中，所述布拉格反射层20包括四个所述反射组21是申请人经过多次模拟实验得出结果。当所述布拉格反射层20包括五个所述反射组21时，谐振频率仅增加了0.002GHz。如果在未来工艺制作成本降低的情况下，所述布拉格反射层20包括五个、六个或者七个所述反射组21也是可行的实施方案。
本申请提供的所述压电薄膜式温度传感器100，在所述衬底10和所述压电薄膜层40之间设计了所述布拉格反射层20。所述布拉格反射层20由厚度均为材料内纵波波长1/4的高低声学阻抗层组成。这样经所述布拉格反射层20反射回去的声波会与入射的声波发生干涉，从而达到将大部分的声波能量反射回所述压电薄膜层40的目的。
在一些实施例中，所述衬底10的材料可以为SiC、SiN或者其他耐1000℃以上高温的材料。所述第一电极30和所述第二电极50的材料可以为Mo、Cr、W或者其他耐高温的导电材料。所述低声阻抗层23和所述高声阻抗层22也可以选用其他材料。所述低声阻抗层23和所述高声阻抗层22在选材时需要满足以下条件：保证材料耐1000℃高温，且所述低声阻抗层23和所述高声阻抗层22的热膨胀系数相近，所述高声阻抗层22介质密度和杨氏模量较大，所述低声阻抗层23介质密度和杨氏模量较小。
在一个具体的实施例中，所述衬底10的材料为4H-SiC。所述高声阻抗层22的材料为AlN，所述低声阻抗层23的材料为SiO2。所述压电薄膜层40的材料为c轴晶向的单晶AlN，即00l晶向的AlN。所述第一电极30和所述第二电极50的材料为金属Mo。本实施例中，选用AlN作为所述高声阻抗层22，选用SiO2作为所述低声阻抗层23的优势在于，两者均为非金属材料，能够较好抑制寄生电容的产生，AlN在所述压电薄膜层40也有应用，选择其作为声阻抗层能一定程度上减小工艺的复杂程度。所述第一电极30和所述第二电极50选择Mo除了耐高温外，金属Mo与所述压电薄膜层40的AlN材料具有较好的晶格匹配度，在单晶的AlN上金属Mo的生长效果较好。本申请实施例中，所述低声阻抗层23的材料为SiO2，使得所述低声阻抗层23和所述压电薄膜层40的匹配较好，所述压电薄膜层40的生长良好。
在一个实施例中，所述衬底10的厚度为350μm±10μm，所述高声阻抗层22的厚度为1.09μm±0.005μm，所述低声阻抗层23的厚度为0.56μm±0.002μm，所述压电薄膜层40的厚度为2μm±0.01μm，所述第一电极30和所述第二电极50的厚度均为0.1μm±0.005μm。本申请中所述高声阻抗层22和所述低声阻抗层23的厚度通过三明治压电堆(所述三明治压电堆即为金属-压电薄膜-金属构成的压电堆，在本申请中即所述第一电极30-所述压电薄膜层40-所述第二电极50构成的压电堆)的谐振频率计算得到，两者厚度均为材料内纵波波长的1/4。
本实施例中，给出的上述厚度数据均是发明人经过多次实验得出的，在上述结构膜层的厚度范围内得出的所述压电薄膜式温度传感器100的谐振频率更高，反应更灵敏。
请参阅图4至图6，本申请还提供一种压电薄膜式温度传感器的制备方法，包括：
提供衬底10。所述衬底10的材料和厚度选取可以参考所述压电薄膜式温度传感器100的应用环境。比如在1000℃的高温恶劣环境下，所述衬底10可以选取SiC材料。
在所述衬底10的表面沉积布拉格反射层20。所述布拉格反射层20的主要作用是抑制压电薄膜体声波向所述衬底10的泄露。所述布拉格反射层20可以包括多个周期的反射组21。理论上，所述布拉格反射层20周期的多少会影响其对声波的反射效果，以及谐振频率偏移量的大小。
在所述布拉格反射层20远离所述衬底10的部分表面沉积第一电极30。本步骤中，所述第一电极30未进行图形化处理，减少了对所述第一电极30的光刻工艺，避免了工艺污染，提高产品的良率，同时简化了工艺流程。
在所述第一电极30和所述布拉格反射层20远离所述衬底10的表面沉积压电薄膜层40。所述压电薄膜层40为具有c轴晶向的单晶膜层。
在所述压电薄膜层40远离所述第一电极30的表面沉积第二电极50。本步骤中，进一步包括：对所述第二电极50进行图形化处理，形成共面波导。所述第二电极50具备小体积，轻重量和平面结构使得所述压电薄膜式温度传感器100便于获得线极化、圆极化、双极化和多频段工作等优点。
在一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极均选择Mo电极。这是由于Mo与所述压电薄膜层30的晶格常数非常相近，因此生长情况良好。另外Mo电极还具有高熔点、轻质、热膨胀系数小的优点，金属Mo在500℃以上容易氧化，因此需要对上电极做钝化处理，可沉积一层氧化铝陶瓷进行保护。
本实施例中，所述压电薄膜式温度传感器100为固体装配型薄膜体声波谐振式温度传感器。所述压电薄膜式温度传感器100采用所述布拉格反射层20作为声学反射层，相比于空气型或背蚀空腔型FBAR结构刚度较好，工艺相对简单，良品率高，更加适合大批量生产。另外本实施例中，所述压电薄膜式温度传感器100的工艺步骤简单，谐振频率高，工艺兼容的良好特性。同时，所述压电薄膜式温度传感器100为燃气轮机等高温恶劣环境下的温度传感提供了实际可行的设计方案。
在一个实施例中，所述在所述衬底10的表面沉积布拉格反射层20的步骤包括：在所述衬底10的表面形成四个反射组21，其中，每个所述反射组21包括两个不同类型的阻抗层，一个高声阻抗层22和一个低声阻抗层23，相邻的两个所述反射组21之间的所述阻抗层类型不同。
本实施例中，所述布拉格反射层20包括四个所述反射组21是申请人经过多次模拟实验得出结果。
在一个实施例中，所述在所述衬底10的表面形成四个反射组21的步骤包括：
在所述衬底10的表面沉积一个所述高声阻抗层22。
在所述高声阻抗层22的表面沉积一个所述低声阻抗层23，一个所述高声阻抗层22和一个所述低声阻抗层23为一个反射组21。
在所述反射组21的表面继续沉积，共形成四个所述反射组21，其中，与所述衬底10接触的阻抗层为所述高声阻抗层22。即所述高声阻抗层22接触所述衬底10。所述低声阻抗层23接触所述第一电极30。
本步骤中，在所述布拉格反射层20中所述高声阻抗层22和所述低声阻抗层23是交替分布的。并且，与所述衬底10接触的是所述高声阻抗层22，与所述第一电极30接触的是所述低声阻抗层23，沉积顺序对声反射效果有较大的影响，从而导致谐振频率有较大的偏移。
在一个实施例中，所述在所述第一电极30和所述布拉格反射层20远离所述衬底10的表面沉积压电薄膜层40的步骤包括：
提供真空度高于5×10-7Torr的反应腔。本步骤中，提供的真空度可以为5×10- 7Torr-5×10-8Torr。
提供AlN靶材，并在所述衬底10温度为150℃，所述反应腔中氮气与氩气流量比为3：2，所述反应腔中反应气体压力值为4.5mTorr的环境下，对所述AlN靶材采用200W的溅射功率，沉积3小时-6小时，以形成c轴取向的单晶AlN薄膜。本步骤中，具体的所述反应腔中可以设置氮气流量为30sccm，氩气流量为20sccm。
如图7左侧所示获得的所述压电薄膜层40中AlN薄膜的X射线衍射图显示衍射峰在35.92℃，如图7右侧所示获得的所述压电薄膜层40中AlN薄膜的摇摆曲线半高宽仅为1.19℃。图7证明了，本申请中制备的所述压电薄膜层40的单晶结构良好，有利于提高所述压电薄膜式温度传感器100的性能。
请再次参阅图4-图6，在一个具体的实施例中，所述方法包括：
(1)对所述衬底10(可以是SiC衬底)进行标准RCA清洗。目前使用的RCA清洗大多包括四步，即先用含硫酸的酸性过氧化氢进行酸性氧化清洗，再用含胺的弱碱性过氧化氢进行碱性氧化清洗，接着用稀的氢氟酸溶液进行清洗，最后用含盐酸的酸性过氧化氢进行酸性氧化清洗，在每次清洗中间都要用超纯水(DI水)进行漂洗，最后再用低沸点有机溶剂进行干燥。清洗后检查有无质量问题。具体的质量检查包括有无裂纹，粗糙度以及标准晶圆厂家给出的必检项目。
(2)在所述衬底10(SiC)的表面使用磁控溅射沉积一层所述高声阻抗层22(AlN)。沉积完成后，在所述高声阻抗层22(AlN)的表面溅射
的粘合层24，所述粘合层24可以为Ti或者Pt。所述粘合层24作为后续步骤沉积所述低声阻抗层23的粘附层。一个实施例中，所述粘合层24可以为Ti。需要说明的是随着工艺的进步，所述粘合层24可以省略，而在所述高声阻抗层22的表面直接沉积所述低声阻抗层23。
(3)在所述高声阻抗层22(AlN)的表面使用等离子体增强化学的气相沉积法沉积一层所述低声阻抗层23(一个实施例中所述低声阻抗层23为SiO2)。沉积完成后，在所述低声阻抗层23(SiO2)的表面溅射
的所述粘合层24，作为后续步骤进一步沉积所述高声阻抗层22AlN的粘附层金属。
(4)重复进行步骤(2)和步骤(3)共四次，累计沉积四个周期由所述高声阻抗层22AlN和所述低声阻抗层23SiO2形成的所述布拉格反射层20。
(5)在所述布拉格反射层20的表面溅射一层所述第一电极30。所述第一电极30为金属Mo。所述第一电极30无需图像化处理，减少光刻造成的污染，提高产品的良率。
(6)使用磁控溅射在所述第一电极30的表面沉积一层具有高c轴取向的所述压电薄膜层40(一个实施例中，所述压电薄膜层40为具有高c轴取向的AlN薄膜)。对所述压电薄膜层40进行光刻图形化操作，以形成连接所述第一电极30的第一电极引出孔31。具体的，在所述压电薄膜层40的表面设置光刻胶41，并在所述光刻胶41的表面设置掩膜版42。经过UV光源进行照射，以形成所述第一电极引出孔31。本步骤中，在沉积高c轴取向的所述压电薄膜层40AlN的过程中，工艺参数可以设置为：真空度低于5×10-7Torr，衬底温度为150℃，靶材溅射功率为200W，氮气流量为30sccm，氩气流量为20sccm，氮氩比为3：2，工作气体压力为4.5mTorr。
(7)在所述压电薄膜层40AlN的表面溅射所述第二电极50(一个实施例中所述第二电极50为金属Mo)。并对所述第二电极50进行光刻图形化操作。所述第二电极50不覆盖所述第一电极引出孔31。所述第一电极引出孔31用于将所述第一电极30引出。
(8)在所述第二电极50的表面沉积一层钝化层。所述钝化层可以为氧化铝陶瓷。所述钝化层的设置，主要是防止所述第二电极50Mo氧化。所述钝化层还可以是其他常见的非金属氧化物。所述钝化层需要耐高温并且与所述第二电极50Mo可以紧密结合。
所述压电薄膜式温度传感器100的作用原理是：所述压电薄膜层40的振动会产生对应的电场，从而在金属电极(所述第一电极30和所述第二电极50)之间形成电信号，该电信号的频率与薄膜振动频率相同。将该电信号通过引线键合引出，并记录输出的频率阻抗关系即可获得压电器件的谐振频率。对得出的压电器件的谐振频率进行数据拟合即可获得环境温度参数。
所述压电薄膜式温度传感器100可以采用单端口配置，所述第二电极50兼具激励输入与信号输出功能，所述第一电极30接地，通过测量所述第二电极50的回波损耗即可获得结构的谐振频率。
为了验证本申请提出的固体装配型薄膜体声波谐振式温度传感器(SMR)的可行性，申请人对完整的SMR进行了电路建模。申请人分别通过电路射频仿真软件和有限元仿真软件计算了SMR的阻抗频率响应曲线，如图8和图9所示。图8和图9可知，电路射频仿真得出的SMR的串联谐振频率在2.097GHz，有限元仿真获得的SMR的串联谐振频率在2.5455GHz。两者得出的串联谐振频率整体趋势相同，都工作在2-3GHz这个频率区间段上，而且主谐振峰尖锐易读。两者谐振频率不同是由于两者对SMR的还原处理存在一些差别，一般来说电路仿真还原过程简化处理较多，但两者基本曲线形式相同验证了设计结构的合理性。
申请人进一步，在有限元仿真中加入温度场耦合，如图10所示，获得了SMR谐振频率随温度变化关系。图10中可以看出SMR谐振频率在0-800℃下随温度变化线性，其测试灵敏度达到-0.018MHz/℃，即温度每升高1℃，SMR的谐振频率下降0.018MHz，该灵敏度较好地满足温度传感的需求。
在一个实施例中，将所述压电薄膜式温度传感器100与天线进行集成，使得所述压电薄膜式温度传感器100可以通过无线传输方式进行温度传感，其集成方案如图11所示。图11中的射频信号发生器向所述压电薄膜式温度传感器100发射无线调制信号，示波器显示接收信号。如图11所示，工作时射频信号发生器将调制后的扫频信号通过天线发送至所述压电薄膜式温度传感器100。所述压电薄膜式温度传感器100中的所述压电薄膜层40接收到扫频信号后在所述第一电极30和所述第二电极50之间会形成一个交变的电压信号。由于所述压电薄膜层40(具有c轴取向的AlN材料)的逆压电效应，所述压电薄膜层40会产生振动，从而激发薄膜内体声波。当薄膜厚度为体声波波长整数倍时所述压电薄膜层40内会产生驻波从而达到谐振，此时所述压电薄膜层40沿厚度方向变形最大。由于压电效应所述压电薄膜层40的振动也会在金属电极上形成电信号，该电信号通过所述压电薄膜层40天线端发出，经过示波器接收。通过测量该输出信号的回波损耗获得所述压电薄膜式温度传感器10的谐振频率，由于不同温度下所述压电薄膜层40谐振频率不同，即可通过测量输出端的谐振频率得到对应的环境温度。
经过上述图8至图10的验证，可以得出本申请提供的固体装配型薄膜体声波谐振式温度传感器(SMR)即所述压电薄膜式温度传感器100的技术方案是可行有效的，并且具有明显的测试优势。所述压电薄膜式温度传感器100的结构设计简单，且具有耐高温、谐振频率高、体积小、灵敏度高、工艺兼容性好。同时，所述压电薄膜式温度传感器100为燃气轮机等高温恶劣环境下的温度传感提供了实际可行的设计方案。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种压电薄膜式温度传感器，其特征在于，包括：
衬底(10)；
布拉格反射层(20)，设置于所述衬底(10)；
第一电极(30)，设置于所述布拉格反射层(20)远离所述衬底(10)的部分表面；
压电薄膜层(40)，设置于所述第一电极(30)和所述布拉格反射层(20)远离所述衬底(10)的表面，所述压电薄膜层(40)为单晶材料层；
第二电极(50)，设置于所述压电薄膜层(40)远离所述第一电极(30)的表面。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜式温度传感器，其特征在于，所述布拉格反射层(20)包括：多个反射组(21)，每个反射组(21)包括两个阻抗层，一个高声阻抗层(22)和一个低声阻抗层(23)，相邻的两个所述反射组(21)之间的所述阻抗层的类型不同。
3.根据权利要求2所述的压电薄膜式温度传感器，其特征在于，所述布拉格反射层(20)包括：四至六个所述反射组(21)。
4.根据权利要求3所述的压电薄膜式温度传感器，其特征在于，所述布拉格反射层(20)包括：
四个反射组(21)，与所述衬底(10)接触的阻抗层为所述高声阻抗层(22)，与所述第一电极(30)接触的阻抗层为所述低声阻抗层(23)。
5.根据权利要求4所述的压电薄膜式温度传感器，其特征在于，所述衬底(10)的材料为SiC，所述高声阻抗层(22)的材料为AlN，所述低声阻抗层(23)的材料为SiO2，所述压电薄膜层(40)的材料为c轴晶向的单晶AlN，所述第一电极(30)和所述第二电极(50)的材料为金属Mo。
6.根据权利要求5所述的压电薄膜式温度传感器，其特征在于，所述衬底(10)的厚度为350μm±10μm，所述高声阻抗层(22)的厚度为1.09μm±0.005μm，所述低声阻抗层(23)的厚度为0.56μm±0.002μm，所述压电薄膜层(40)的厚度为2μm±0.01μm，所述第一电极(30)和所述第二电极(50)的厚度均为0.1μm±0.005μm。
7.一种压电薄膜式温度传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底(10)；
在所述衬底(10)的表面沉积布拉格反射层(20)；
在所述布拉格反射层(20)远离所述衬底(10)的部分表面沉积第一电极(30)；
在所述第一电极(30)和所述布拉格反射层(20)远离所述衬底(10)的表面沉积压电薄膜层(40)；
在所述压电薄膜层(40)远离所述第一电极(30)的表面沉积第二电极(50)。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底(10)的表面沉积布拉格反射层(20)的步骤包括：
在所述衬底(10)的表面形成四个反射组(21)，其中，每个所述反射组(21)包括两个不同类型的阻抗层，一个高声阻抗层(22)和一个低声阻抗层(23)，相邻的两个所述反射组(21)之间的所述阻抗层类型不同。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底(10)的表面形成四个反射组(21)的步骤包括：
在所述衬底(10)的表面沉积一个所述高声阻抗层(22)；
在所述高声阻抗层(22)的表面沉积一个所述低声阻抗层(23)，一个所述高声阻抗层(22)和一个所述低声阻抗层(23)为一个反射组(21)；
在所述反射组(21)的表面继续沉积，共形成四个所述反射组(21)，其中，与所述衬底(10)接触的阻抗层为所述高声阻抗层(22)，与所述第一电极(30)接触的阻抗层为所述低声阻抗层(23)。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述在所述第一电极(30)和所述布拉格反射层(20)远离所述衬底(10)的表面沉积压电薄膜层(40)的步骤包括：
提供真空度高于5×10-7Torr的反应腔；
提供AlN靶材，并在所述衬底(10)温度为150℃，所述反应腔中氮气与氩气流量比为3：2，所述反应腔中反应气体压力值为4.5mTorr的环境下，对所述AlN靶材采用200W的溅射功率，沉积3小时-6小时，以形成c轴取向的单晶AlN薄膜。
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