CN113447166B - 基于频率检测原理的mems压力传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于频率检测原理的MEMS压力传感器，采用平面螺旋电感，且在该电感的一侧设置MEMS可变平行板电容，构成LC谐振电路；MEMS电容并联到CPW信号线和地线之间，其上极板为CPW信号线，且该上极板直接置于MEMS薄膜上，该MEMS薄膜正下方的衬底上设置凹槽，MEMS电容的下极板位于凹槽的底面和靠近地线的两个侧面上，且与地线相连；MEMS薄膜两端置于地线上，与凹槽形成密闭腔体。利用密闭腔体感测外部压强，当密闭腔体内外压差发生变化时，MEMS薄膜发生挠曲，引起MEMS电容的上极板和下极板之间的电容发生变化，使得CPW传输线上RF信号的谐振频率产生偏移，通过测量谐振频率值便可表征检测压力的大小。

Description

基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及射频微电子机械系统（RF MEMS）技术领域，具体涉及一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法。

背景技术

压力传感器能感受压力信号，并按照一定规律将压力信号转换成易测量的输出电信号的器件。它广泛用于汽车电子、自动控制、航天航空、生物医疗、环境监测等领域，是产业界常用的传感器之一。随着MEMS技术的发展，利用MEMS微加工工艺制备的压力传感器具有微型化、低功耗、批量化等优势；根据不同的压力测试类型，压力传感器可分为表压式、差压式和绝压式三种类型，而根据不同的压力测试原理，其主要又可分为压阻式、电容式、谐振式和压电式等原理。压阻式压力传感器是基于半导体材料（例如多晶硅等）的压阻效应原理，结构简单，但是受温度影响较大，需要专门抑制温漂设计；电容式压力传感器是基于电容间距或面积变化引起电容变化量原理，其灵敏度较高，但线性度就差，易受干扰；压电式压力传感器是基于材料（如PZT、AlN等）的压电效应原理，其响应速度较快，但压电材料制备复杂，部分难与标准工艺兼容；谐振式压力传感器是基于结构的谐振频率随压力变化原理，其灵敏度较高，但因压力变化对频率偏移改变较小，其分辨能力不高。随着消费电子、工程应用等对压力测量要求不断提高，因而迫切需求一种高能性的MEMS压力传感器，其具有简单灵活结构、高精度、高灵敏度、高分辨率、低成本等特点。现如今对RF MEMS技术进行了深入研究，使基于RF频率检测原理并满足上述特点的MEMS压力传感器成为可能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法，通过采用一个平面螺旋电感和一个MEMS可变平行板电容构成LC谐振电路，利用衬底上的凹槽和MEMS薄膜组成的密闭腔体来感测外部环境的压强，当密闭腔体的内外压差发生变化时，MEMS薄膜上产生的作用力使其发生挠曲，引起MEMS可变平行板电容的上极板和下极板之间的电容发生变化，进而使得CPW传输线上RF信号的谐振频率会随之产生偏移，从而通过测量谐振频率的值便可获取环境压强。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器，包括：CPW传输线，设置在衬底上，所述CPW传输线包括位于衬底中间部位的CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线与所述CPW地线相互平行；平面螺旋电感，包括下层通道和线圈两部分，位于两条所述CPW地线之间；MEMS可变平行板电容，设置于所述平面螺旋电感一侧，并联连接到所述CPW信号线和所述CPW地线之间，MEMS可变平行板电容分为上极板和下极板，所述上极板正下方的衬底上设置凹槽，所述下极板设置在所述凹槽的底面和靠近所述CPW地线的两个侧面上并呈倒置的拱桥状，所述下极板与所述CPW地线相连接；MEMS薄膜，设置在所述凹槽的顶部，并与所述上极板的底面接触，所述MEMS薄膜与所述上极板为一体关系，所述MEMS薄膜的两端分别设置在两个所述CPW地线上，所述MEMS薄膜与所述凹槽形成密闭腔体。

进一步地，所述平面螺旋电感的线圈架空与所述衬底之上，而所述下层通道位于所述衬底上；所述线圈的外部接头与所述CPW信号线相连接而其内部接头与所述下层通道相连接；所述下层通道的另一端与所述CPW信号线相连接；所述线圈下方的下层通道上覆盖绝缘介质层。

进一步地，所述凹槽为U型槽，所述凹槽的中轴线与所述CPW信号线平行，所述CPW信号线位于所述凹槽正上方。

进一步地，所述MEMS薄膜与所述凹槽构成的密闭腔体为完全密闭空间，即所述密闭腔体内部空气不与外部空气流通。

进一步地，所述MEMS薄膜与所述CPW信号线为一体关系，即位于所述凹槽上方的所述上极板能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与MEMS薄膜一起向上或向下运动。

进一步地，所述衬底上表面设置一层缓冲介质层。

一种如上所述的基于频率检测原理的MEMS压力传感器的制备方法，包括如下步骤：S10准备Si衬底，并在所述衬底上刻蚀出凹槽，后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层；S20在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得平面螺旋电感的下层通道和MEMS可变平行板电容的下极板，并初步获得CPW信号线和CPW地线；S30淀积并光刻PSG牺牲层，保留所述凹槽内部的PSG牺牲层；S40采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在所述PSG牺牲层上形成MEMS薄膜，并在所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中所述PSG牺牲层的释放，随后在所述下层通道与线圈之间形成绝缘介质层；S50依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成所述CPW信号线、CPW地线、平面螺旋电感和MEMS可变平行板电容；S60释放所述PSG牺牲层，并使用氮化硅材料填补所述MEMS薄膜上的释放孔。

进一步地，所述MEMS可变平行板电容、所述平面螺旋电感、所述CPW信号线以及所述CPW地线的材质为金。

进一步地，所述衬底采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm。

进一步地，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS薄膜、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。

进一步地，所述MEMS薄膜采用氮化硅，其厚度为0.5-3μm。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法，结合RF MEMS技术，其结构简单且易于测量。

（2）本发明的一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法，通过获取器件谐振频率的变化来求解外部压力值，器件具有高灵敏度。

（3）本发明的一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法，通过调整平面螺旋电感的线圈匝数和MEMS可变平行板电容的上下极板间距可实现电感和电容的改变，从而调控谐振频率的频段范围和信号幅度，以提升器件性能。

（4）本发明的一种基于频率检测原理的MEMS压力传感器及制备方法，所述MEMS压力传感器的制备工艺与Si基工艺兼容；由于体积小，不但大大减小了芯片面积，提高了集成度，而且在批量生产下价格相对低廉；同时采用全无源结构构成，具有零的直流功耗。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器俯视图；

图2所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的A-A剖面图；

图3所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的B-B剖面图；

图4所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的等效电路图；

图5所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的谐振频率检测示意图；

图6所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制造方法流程图；

图7～12所示为本发明一实施例的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制造过程流程图；

图中部件编号如下：

1CPW信号线、12 CPW地线、13衬底、131凹槽、132缓冲介质层、2 MEMS薄膜、3 MEMS可变平行板电容、31上极板、32下极板、4平面螺旋电感、41线圈、42下层通道、43绝缘介质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，如图1～图3所示，在衬底13上设置有缓冲介质层132、CPW传输线、平面螺旋电感4、MEMS可变平行板电容3、MEMS薄膜2、凹槽131以及绝缘介质层43。

所述CPW传输线包括位于衬底13中间部位的CPW信号线1以及位于所述CPW信号线1两侧的两条CPW地线12，所述CPW信号线1与所述CPW地线12相互平行设置。

其中，平面螺旋电感4介于两条CPW地线12之间，包括线圈41和下层通道42两个部分；所述线圈41位于所述衬底13之上，而所述下层通道42位于所述衬底13之上；所述线圈41的外部接头与所述CPW信号线1相连接而其内部接头与所述下层通道42相连接；所述下层通道42的另一端与所述CPW信号线1相连接；所述下层通道42上覆盖一层绝缘介质层43，以防止线圈41与下层通道42之间电短路；所述下层通道42为平面螺旋电感4的一端口，作为信号的输入或输出，而所述与所述CPW信号线1相连接的线圈41的外部接头作为平面螺旋电感的另一端口，作为信号的输出或输入。

如图3所示，下层通道42为导电层，与MEMS可变平行板电容的下极板32、CPW信号线和CPW地线的底层金属层属于同一工艺、同种材料制备而成。

所述MEMS可变平行板电容3设置于所述平面螺旋电感4一侧，并联连接到所述CPW信号线1和所述CPW地线12之间，所述MEMS可变平行板电容3分为上极板31和下极板32，所述上极板31正下方的所述衬底13上设置所述凹槽131，所述下极板32设置在所述凹槽131的底面和靠近所述CPW地线12的两个侧面上并呈倒置的拱桥状，所述下极板32与所述CPW地线12相连接。

所述MEMS薄膜2位于所述凹槽131的顶部，并与所述上极板31的底面直接接触，所述MEMS薄膜2的两端分别设置在两个所述CPW地线12上，所述MEMS薄膜2与所述凹槽131形成密闭腔体，并且该密闭腔体为完全密闭空间，即所述密闭腔体内部空气不与外部空气流通。

所述凹槽131为U型槽，所述凹槽的中轴线与所述CPW信号线1、MEMS薄膜2以及MEMS可变平行板电容3平行。

所述MEMS薄膜2与所述上极板31机械耦合，即位于所述凹槽131上方的所述上极板31与MEMS薄膜2直接连接，能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与MEMS薄膜2一起向上或向下运动。

所述衬底13上表面设置一层缓冲介质层132，缓冲介质层132用于实现衬底13与MEMS可变平行板电容3的下极板32之间电隔离。

如图4所示，本发明的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器可等效为一个两端口RF网络，CPW传输线作为RF信号的输入和输出端口，平面螺旋电感4的电感量为L，MEMS可变平行板电容的电容值为C；在工作时，由于所述密闭腔体内的压强不随环境压强的变化而变化，当外部环境压强（或压力F）发生变化，所述密闭腔体内外的压差随之变化，所述MEMS薄膜2产生向上或向下的形变，位于所述凹槽131上方的CPW信号线1随所述MEMS薄膜2共同发生相应的形变；当所述CPW传输线上传输RF信号时，平面螺旋电感4与MEMS可变平行板电容3构成RF谐振电路，此时RF信号受MEMS可变平行板电容3的上极板31和下极板32的间距影响（即电容C影响），从而导致谐振频率（f1、f2、f3…）的变化，如图5所示。因此，当外部环境压强发生变化时，会引起该结构的RF信号的谐振频率发生偏移，如图5所示，通过测量所述CPW传输线上RF信号的谐振频率大小，即可得到此时环境压强大小。

本发明还提供了以上基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，如图6～12所示，包括如下步骤：

S10准备Si衬底，该衬底例如采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm。

在所述衬底上刻蚀出凹槽，凹槽的深度例如为1-10μm；后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层132；缓冲介质层例如是厚度为0.1-0.5μm的二氧化硅层，如图7所示；

S20在所述缓冲介质层132上首先旋涂一层光刻胶并通过光刻工艺去除后续要蒸发金属层区域的光刻胶，然后蒸发一层金属层，此时一部分金属层位于在缓冲介质层132而另一部分金属层位于在光刻胶上，最后通过剥离工艺方式去除剩下光刻胶同时去除了光刻胶上的金属层，从而完全形成平面螺旋电感的下层通道和MEMS可变平行板电容的下极板32，并初步形成CPW信号线和CPW地线、即形成CPW信号线和CPW底线的底层金属层，如图8所示；

S30淀积并光刻牺牲层，在本实施例中牺牲层例如为PSG，本领域技术人员可知，其它可适用的材料也可以作为牺牲层，保留所述凹槽内部的PSG牺牲层，如图9所示；

S40在牺牲层上形成MEMS薄膜，该制备工艺例如采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，并在所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中所述PSG牺牲层的释放，随后在所述下层通道与线圈之间形成绝缘介质层，如图10所示；

S50依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成所述CPW信号线、CPW地线、平面螺旋电感和MEMS可变平行板电容，如图11所示；其中，MEMS薄膜、CPW地线、CPW信号线的厚度例如为0.5-5μm。

S60释放所述PSG牺牲层，并使用氮化硅材料填补所述MEMS薄膜上的释放孔，如图12所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，其特征在于，包括：

衬底；

CPW传输线，设置在衬底上，所述CPW传输线包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线，所述CPW信号线与所述CPW地线相互平行；

平面螺旋电感，包括下层通道和线圈两部分，位于两条所述CPW地线之间；

MEMS可变平行板电容，设置于所述平面螺旋电感一侧，并联连接到所述CPW信号线和所述CPW地线之间，MEMS可变平行板电容包括上极板和下极板，所述上极板正下方的衬底上设置凹槽，所述下极板设置在所述凹槽的底面和靠近所述CPW地线的两个侧面上，所述下极板与所述CPW地线相连接；其中，所述平面螺旋电感与所述MEMS可变平行板电容构成RF谐振电路；以及

MEMS薄膜，设置在所述凹槽的顶部，并与所述上极板的底面直接接触，所述MEMS薄膜的两端分别设置在两个所述CPW地线上，所述MEMS薄膜与所述凹槽形成密闭腔体。

2.根据权利要求1所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，其特征在于，所述平面螺旋电感的线圈架空于所述衬底之上，而所述下层通道位于所述衬底上；所述线圈的外部接头与所述CPW信号线相连接而其内部接头与所述下层通道相连接；所述下层通道的另一端与所述CPW信号线相连接；所述线圈下方的下层通道上覆盖绝缘介质层；所述衬底上表面设置一层缓冲介质层。

3.根据权利要求2所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凹槽为U型槽，所述凹槽的中轴线与所述CPW信号线平行，所述CPW信号线位于所述凹槽正上方。

4.根据权利要求3所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，其特征在于，所述MEMS薄膜与所述凹槽构成的密闭腔体为完全密闭空间，即所述密闭腔体内部空气不与外部空气流通。

5.根据权利要求1所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器，其特征在于，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS薄膜、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备衬底，并在所述衬底上刻蚀出凹槽，后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层；

在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得平面螺旋电感的下层通道和MEMS可变平行板电容的下极板，并初步获得CPW信号线和CPW地线；

淀积并光刻牺牲层，保留所述凹槽内部的牺牲层；

在所述牺牲层上形成MEMS薄膜，并在所述MEMS薄膜位于CPW信号线两侧的部分留有释放孔，用于后续步骤中所述牺牲层的释放，随后在所述下层通道与线圈之间形成绝缘介质层；

依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，完全形成所述CPW信号线、CPW地线、平面螺旋电感和MEMS可变平行板电容；

释放所述牺牲层，并填补所述MEMS薄膜上的释放孔。

7.根据权利要求6所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述MEMS可变平行板电容、所述平面螺旋电感、所述CPW信号线以及所述CPW地线的材质为金。

8.根据权利要求6所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述衬底采用高阻硅，其电阻率大于1kΩ·cm。

9.根据权利要求8所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的深度为1-10μm，所述MEMS薄膜、所述CPW地线和所述CPW信号线的厚度为0.5-5μm。

10.根据权利要求9所述的基于检测频率变化原理的MEMS压力传感器的制备方法，其特征在于，所述MEMS薄膜采用氮化硅，其厚度为0.5-3μm。

Images