CN205665407U - 一种柔性结构的fbar伽马辐照传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，包括声波反射层、检测元件FBAR、辐照敏感层以及读出电路；声波反射层包括柔性衬底、沉积在衬底上的声波阻挡层；检测元件FBAR包括底电极、压电层、顶电极，设置有辐照敏感层；所述顶电极采用具有耐伽马辐照性能好、高电导率、低密度的CNT柔性碳纤维材料，可使本实用新型比传统金属电极的传感器寿命更长，具有更高的测量灵敏度及柔性可弯曲；以柔性可弯曲材料作为柔性衬底制作的伽马辐照传感器能适应更加复杂的不平整表面条件，同时根据测量条件能够任意布置，扩大了本实用新型的应用范围；由于制备工艺简单，集成机械牢度强、结构尺寸更小，进一步降低了生产成本和开发周期。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器。
技术背景
电离辐照传感有大量的应用，在大型高能物理实验中，高剂量辐照测试是理解硅基电子器件退化的重要手段。在核材料探测和安保应用中，由于辐照源可能被部分遮蔽，需要低剂量的传感器。在天文学领域，需要测量高能辐照的通量和方向。在治疗癌症的放射性疗法中，需要确定辐照入射的精确位置和大小。目前，已有多种传感器用于辐照的探测。
薄膜体声波谐振器（FBAR， thin-film bulk acoustic wave resonators）是一种制备在硅衬底上的可检测辐照的新型传感器，具有高灵敏度、高工作频率、低功耗等特点。使用FBAR传感器测量伽马辐照剂量的工作原理是：辐照使FBAR的平板电容（C0）增加，从而减小了FBAR的谐振频率；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移实现辐照剂量的检测。
现有的FBAR伽马辐照传感器中，大多使用硅衬底制备FBAR伽马辐照传感器。硅衬底硬脆的性质使FBAR器件难以进行弯曲或延展，一旦有较大变形将导致器件彻底损坏，无法进行辐照探测。随着柔性材料的发展，在柔性衬底上，如高分子聚合物或者非晶碳材料上制备的FBAR压电振荡堆具备了柔韧、延展、可自由弯曲的特点，能适应更加复杂的不平整表面条件，因此扩大了传感器的应用范围。公开日为2015年8月12日，公开号为CN104833996A的中国发明专利申请文献，公开了“一种膜片上FBAR结构的阵列式伽马辐照剂量计”，是一种硅基通孔型 FBAR结构的伽马辐照传感器。该器件的主要缺陷是FBAR传感器无法测量弯曲表面的辐照剂量值。同时由于FBAR通孔型结构的工艺复杂性较大，器件的机械牢度差，制作成本更高。
现有的FBAR伽马辐照传感器中，大多使用的是金属电极制备的伽马辐照传感器。相比CNT电极材料，金属电极并不是理想的耐辐照的电极材料。使用CNT（Carbon nanotube）材料做电极材料，制备的FBAR伽马辐照传感器有以下几个优势：1.具有更长的使用寿命。CNT是耐辐照的材料，利用CNT材料制备的FBAR传感器的性能优良，延长了FBAR器件的使用寿命。2.具有更小的欧姆损耗。CNT是高电导率的材料，使用CNT做电极时，引入的欧姆电极损耗更小，使得FBAR器件的Q值更高，因此FBAR具有更高的灵敏度。3.具有柔韧性和延展性。CNT是具有良好柔韧性和延展性的碳纤维材料，因此制备的FBAR器件能应用于弯曲表面，扩大了传感器的使用范围。
2006年，H.Woongki等人在2006年“纳米技术”会议上报道的文献“Radiationhardness of the electrical properties of carbon nanotube network field effecttransistors under high-energy proton irradiation”指出，CNT基FET在10 ~ 35MeV的高剂量的质子辐照（重粒子、质子、α粒子等均属于高能粒子）下器件性能仍然良好，而J.Oiler等人在2011年6月第16届 “国际固态传感器、执行器和微系统”会议上报道的文献“The Sensitivity Enhancement for the Radiation Sensor Based on Film BulkAcoustic-Wave Resonator”中指出，一种金属电极的伽马辐照传感器，在能量为2.5Mev的γ射线辐照下，随着辐照剂量增加（100 Krad-200 Krad），器件的灵敏度下降（0.7 kHz/krad - 0.6 kHz/krad）。从上述文献可以看出，金属电极材料相比CNT电极材料，制备FBAR传感器时，并不是理想的耐辐照材料，用于辐照剂量测量时，金属电极的FBAR器件自身的老化会引入一部分测量误差。
总之，为了实现更高的测量精度、提高器件的使用寿命、使器件用于多种测量场合，需要研究一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，克服现有技术存在的问题。
实用新型内容
为解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，该传感器具有高灵敏度（FBAR传感器具有高Q值）、使用寿命长（CNT材料的耐辐照特性）、柔性可弯曲（CNT为柔性的碳纤维材料）等特点，可望满足高精度辐照探测、小型化、测量弯曲表面的需求，能用于高剂量的辐照剂量检测使用。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：包括声波反射层、检测元件FBAR以及读出电路；所述检测元件FBAR设置于声波反射层上，检测元件FBAR穿过声波反射层连接读出电路；
所述检测元件FBAR包括自下而上依次沉积的底电极、压电层、顶电极，所述检测元件FBAR中还设置有辐照敏感层，所述顶电极采用碳纳米管（Carbon Tube；CNT）材料。
对于声波反射层的具体结构和连接关系进一步地限定为：
所述声波反射层包括柔性衬底、沉积在柔性衬底上的声波阻挡层；所述声波阻挡层用于将声波限制在底电极-压电层-辐照敏感层-顶电极之间，或者底电极-辐照敏感层-压电层-顶电极之间。
对于检测元件FBAR的具体结构和连接关系进一步限定为：
所述检测元件FBAR还包括一对焊盘和一对于声波反射层纵向贯穿设置的互连通孔内，互连通孔内填充满导电介质，互连通孔的顶部分别与顶电极、底电极连接，互连通孔的底部均连接焊盘。
所述互连通孔可以分为顶电极通孔和底电极通孔，顶电极通孔和底电极通孔对应连接的焊盘为顶电极焊盘和底电极焊盘。
所述辐照敏感层可沉积在压电层与顶电极之间，具体结构如下：
所述底电极紧贴沉积于声波反射层上，并与底电极通孔上端面的导电介质连接；所述压电层紧贴沉积于底电极的整个上表面；所述辐照敏感层沉积于压电层的整个上表面并向远离底电极通孔的方向延伸包覆底电极、压电层的侧面且覆盖于声波反射层上；所述顶电极与顶电极通孔上端面的导电介质连接，并紧贴沉积于辐照敏感层的侧面并延伸至辐照敏感层的上表面的一部分上；所述辐照敏感层靠近底电极通孔的上表面为露出部分，未被顶电极覆盖。
或者，所述辐照敏感层可沉积在压电层与底电极之间，具体结构如下：
所述底电极紧贴沉积于声波反射层上，并与底电极通孔上端面的导电介质连接；所述辐照敏感层紧贴沉积于底电极的整个上表面；所述压电层沉积于辐照敏感层的整个上表面并向远离底电极通孔的方向延伸包覆底电极、辐照敏感层的侧面且覆盖于声波反射层上；所述顶电极与顶电极通孔上端面的导电介质连接，并紧贴沉积于压电层的侧面并延伸至压电层的上表面的一部分上。所述读出电路有两种方案：
第一种方案为基于六端口反射计的读出电路，该方案又有两种不同的子方案，一种是在六端口反射计的1端口连接信号源，2端口连接待测器件；另一种是在六端口反射计的1端口连接一个标准负载，2端口连接一个基于FBAR的Pierce振荡器。
第二种方案采用基于Pierce振荡器的读出电路，根据FBAR在串、并联谐振频率之间呈现感性的特点，将其与两个电容C1，C2构成了组成Pierce振荡器的基本电抗元件，满足回路总电抗为零的振荡条件，四个电阻R1，R2，Re，Rc为振荡器的三极管提供工作所需的直流偏置，L1防止高频信号干扰电源，L2防止高频信号到地，Cb耦合电容的作用是将反馈信号耦合到振荡器的输入端，缓冲器的作用对外接电路进行隔离，防止外接电路对振荡器造成干扰，影响振荡器的起振条件和频率稳定度。分频器将传感器输出的数GHz信号的频率降低到满足数字信号处理的频段，ADC将模拟信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理。
对于辐照敏感层沉积在压电层与顶电极之间的检测元件FBAR，其制备方法包括以下步骤：
步骤一：制备衬底；
步骤二：在衬底上制备声波阻挡层；
步骤三：在声波阻挡层上制备底电极通孔并填充导电介质；
步骤四：在声波阻挡层上制备底电极；
步骤五：在底电极上上制备压电层；
步骤六：在压电层上制备辐照敏感层；
步骤七：在辐照敏感层上制备顶电极；
步骤八：在衬底的下表面制备焊盘。
对于辐照敏感层沉积在压电层与底电极之间的检测元件FBAR，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备衬底；
步骤2：并在衬底上制备声波阻挡层；
步骤3：在声波阻挡层上制备底电极通孔并填充金属电介质；
步骤4：在声波阻挡层上制备底电极；
步骤5：在底电极上制备辐照敏感层；
步骤6：在辐照敏感层上制备压电层；
步骤7：在压电层上制备顶电极；
步骤8：在衬底的下表面制备焊盘。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所述衬底所用材质为金属箔片或者高分子聚合物等，是具备一定延展性和弯曲性的柔性材料，能够与被辐照器件共形，测量弯曲表面条件的伽马辐照计量值，提高测量精度。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所述声波阻挡层材料为非晶碳材料或者高分子聚合物等具有低声阻抗的材料。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所述底电极采用电子束蒸发沉积的方法制备，所述底电极材料为Au，Cu，Al，Mo，Pt，Ti等金属材料。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所述压电层采用直流反应磁控溅射沉积的方法制备，所述压电层材料为ZnO或者AlN。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所示辐照敏感层的材料为SiO2或者SiN，使用PECVD等离子体化学气相沉积的方法制备；所述的SiO2层或者SiN层即作辐照敏感层又作温度补偿层，具有正温度补偿系数的SiO2或者SiN材料与负温度系数的FBAR压电层材料复合，可提高FBAR的温度稳定性。当伽马辐照入照到辐照敏感层和压电层上，产生电子-空穴对（EHPs, electron-hole pairs），引发电离损伤，产生电子-空穴对。电子-空穴对产生后，一小部分电子和空穴很快就会复合。由于电子具有更高的迁移率，会比空穴复合得更快，导致多余的空穴迁移到辐照敏感层的深孔陷阱中或辐照敏感层/压电层界面处。此处，捕获的电荷得以积累，改变了压电层或辐照敏感层的表面电势，使得平板电容（C0）增大，从而减小了FBAR的谐振频率，利用所述的读出电路测量FBAR谐振频率的偏移，就能计算出辐照剂量。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所述顶电极采用等离子体化学气相沉积（PECVD） 的方法制备；所述顶电极材质为单壁或者多壁结构的CNT。CNT材料具有耐伽马辐照性能好、低密度、高电导率、具有弯曲性的碳纤维材料等特点。
使用CNT（Carbon nanotube）材料做电极材料，制备的FBAR伽马辐照传感器有以下几个优势：1.具有更长的使用寿命。CNT是耐辐照的材料，利用CNT材料制备的FBAR传感器性能优良，延长了FBAR器件的使用寿命。2.具有更小的欧姆损耗。CNT是高电导率的材料，使用CNT做电极时，引入的欧姆电极损耗更小，使得FBAR器件的Q值更高，因此FBAR传感器的灵敏度更高。3.具有柔韧性和延展性。CNT是具有良好柔韧性和延展性的碳纤维材料，因此制备的FBAR器件能应用于弯曲表面，扩大了传感器的使用范围。
所述衬底材质为低声阻抗的柔性材料，在界面处有效衰减压电振荡堆内体声波的传播速度，提高器件的Q值，因此提高测量的灵敏度。
在上述两种检测元件FBAR的制备方法中，所示互连通孔采用垂直通孔技术制造，所述互连通孔内装有导电介质，导电介质可以是金属，导电聚合物。
本实用新型的有益效果如下：
1、本实用新型使用CNT材料作为检测元件FBAR的顶电极，可以提高伽马辐照传感器的使用寿命，提高FBAR的灵敏度，使器件弯曲可延展；
2、本实用新型使用柔性衬底材料，不仅质轻、超薄、易弯曲，而且柔韧性好，可用于复杂的测量条件；
3、本实用新型使用低声阻抗的声波阻挡层材料能够很好地将声波限制在顶电极-压电层-底电极之间，减小声波能量的损失，提高FBAR器件的Q值，增强器件灵敏度；同时声波阻挡层材料能够与器件共形沉积在三维结构表面；
4、本实用新型提供的柔性结构的伽马辐照传感器的制备方法，是在衬底表面直接沉积检测元件FBAR，相比形成通孔型，空腔型，或者布拉格反射层结构的工艺，极大地简化了伽马辐照传感器的工艺流程，缩短了制作周期，降低了生产成本。
附图说明
图1为实施例1中的结构的横截面示意图；
图2-8为制作实施例1的制作工艺步骤示意图；
图9为实施例2中的结构的横截面示意图；
图10-11分别为本实用新型两种读出电路的示意图。
图中，附图标记为：1-声波反射层，2-互连通孔，3-底电极，4-压电层，5-辐照敏感层，6-顶电极，7-焊盘。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，包括声波反射层1、检测元件FBAR以及读出电路；所述检测元件FBAR设置于声波反射层1上，检测元件FBAR穿过声波反射层1连接读出电路。
所述声波反射层1包括柔性衬底、沉积在柔性衬底上的声波阻挡层；衬底所用材质为者高分子聚合物，是具备一定延展性和弯曲性的柔性材料，能够与被辐照器件共形，测量复杂表面条件的伽马辐照计量值，提高测量精度。
所述检测元件FBAR包括自下而上依次沉积的底电极3、压电层4、顶电极6，所述检测元件FBAR中还设置有辐照敏感层5，所述顶电极6采用CNT 材料。所述检测元件FBAR还包括一对焊盘7和一对于声波反射层1纵向贯穿设置的互连通孔2内，互连通孔2内填充满导电介质，互连通孔2的底部均连接焊盘7，互连通孔2的顶部分别与顶电极6、底电极3连接。
所述辐照敏感层5，优选地置于顶电极6与压电层4之间；优选的，底电极3材料为Au；优选的压电层4材料为ZnO；顶电极6材料为单壁CNT；互连通孔2内填充的导电介质，优选的导电介质为Al。
本实用新型的制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备衬底，并在衬底上制备声波阻挡层；
步骤2：在声波阻挡层上制备底电极3的互连通孔2并填充金属电介质；
步骤3：在声波阻挡层上制备底电极3；
步骤4：在底电极3上制备压电层4；
步骤5：在压电层4上制备辐照敏感层5；
步骤6：在辐照敏感层5上制备顶电极6；
步骤7：在衬底的下表面制备焊盘7。
具体如图2-8所示：
图2中，通过旋转涂胶法旋涂聚酰亚胺，然后烘烤固化形成衬底和声波阻挡层；
图3中，互连通孔2通过垂直通孔技术（TSV, Through-Silicon-Via）制造，通过电镀工艺在互连通孔2中填充金属；
图4中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在声波阻挡层上面形成底电极3；
图5中，通过低温反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在底电极3上表面沉积并图形化压电层4；
图6中，通过PECVD沉积和RIE刻蚀在压电层4上表面形成辐照敏感层5；
图7中，通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在辐照敏感层5上沉积并图形化顶电极6；
图8中，在衬底的下表面沉积并图形化形成焊盘7。
在实施过程中，当所述衬底的材质为高分子聚合物时，优选的使用PI材料即作为衬底又作为声波阻挡层。为了保证FBAR 的高性能，需要将声波限制在FBAR三层结构中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射。PI层的声阻抗接近零，能够很好的反射声波，但是为了保证声波完全反射，PI层的厚度必须在9μm以上。
本实施例中，如图10所示，所述读出电路为基于Pierce振荡器的读出电路结构；或者，如图11所示，所述读出电路为基于六端口反射计的读出电路结构，其中1端口连接信号源，2端口连接待测器件FBAR。
实施例2
如图9所示，一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，和实施例1区别在于：所述辐照敏感层5，置于底电极3与压电层4之间。
相应的制备方法包括以下步骤：
步骤1：制备衬底；
步骤2：在衬底上制备声波阻挡层；
步骤3：在声波阻挡层上制备底电极3的互连通孔2并填充金属电介质；
步骤4：在声波阻挡层上制备底电极3；
步骤5：在底电极3上制备辐照敏感层5；
步骤6：在辐照敏感层5上制备压电层4；
步骤7：在压电层4上制备顶电极6；
步骤8：在衬底的下表面制备焊盘7。
具体流程为：
首先，通过旋转涂胶法旋涂聚酰亚胺，然后烘烤固化形成衬底和声波阻挡层；
通过垂直通孔技术（TSV，Through-Silicon-Via）制造互连通孔2，通过电镀工艺在互连通孔2中填充金属；
通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在声波阻挡层上面形成底电极3；
通过PECVD沉积和RIE刻蚀在底电极3上表面形成辐照敏感层5；
通过低温反应磁控溅射和TMAH溶液腐蚀在辐照敏感层5上表面沉积并图形化压电层4；
通过热蒸发沉积和超声剥离工艺在压电层4上面沉积并图形化顶电极6；
在衬底的下表面沉积并图形化形成焊盘7。
本实施例中，同样，所述读出电路可分别如图10所示的基于Pierce振荡器的读出电路结构，或者采用如图11所示的基于六端口反射计的读出电路结构，其中1端口连接信号源，2端口连接待测器件FBAR。
Claims (7)
1.一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：包括声波反射层、检测元件FBAR以及读出电路；所述检测元件FBAR设置于声波反射层（1）上，检测元件FBAR穿过声波反射层（1）连接读出电路；所述声波反射层（1）包括柔性衬底和沉积在柔性衬底上的声波阻挡层；所述检测元件FBAR包括自下而上依次沉积的底电极（3）、压电层（4）、顶电极（6），所述检测元件FBAR中还设置有辐照敏感层（5），所述顶电极（6）采用碳纳米管材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述检测元件FBAR还包括一对焊盘（7）和一对于声波反射层（1）纵向贯穿设置的互连通孔（2）内，互连通孔（2）内填充满导电介质，互连通孔（2）的底部均连接焊盘（7），互连通孔（2）的顶部分别与顶电极（6）、底电极（3）连接；所述互连通孔（2）分为顶电极通孔和底电极通孔，顶电极通孔和底电极通孔对应连接的焊盘（7）为顶电极焊盘和底电极焊盘。
3.根据权利要求2所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述辐照敏感层（5）沉积在压电层（4）与顶电极（6）之间，具体结构为：所述底电极（3）紧贴沉积于声波反射层（1）上，并与底电极通孔上端面的导电介质连接；所述压电层（4）紧贴沉积于底电极（3）的整个上表面；所述辐照敏感层（5）沉积于压电层（4）的整个上表面并向远离底电极通孔的方向延伸包覆底电极（3）、压电层（4）的侧面且覆盖于声波反射层（1）上；所述顶电极（6）与顶电极通孔上端面的导电介质连接，并紧贴沉积于辐照敏感层（5）的侧面并延伸至辐照敏感层（5）的上表面的一部分上。
4.根据权利要求2所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述辐照敏感层（5）沉积在压电层（4）与底电极（3）之间，具体结构为：
所述底电极（3）紧贴沉积于声波反射层（1）上，并与底电极通孔上端面的导电介质连接；所述辐照敏感层（5）紧贴沉积于底电极（3）的整个上表面；所述压电层（4）沉积于辐照敏感层（5）的整个上表面并向远离底电极通孔的方向延伸包覆底电极（3）、辐照敏感层（5）的侧面且覆盖于声波反射层（1）上；所述顶电极（6）与顶电极通孔上端面的导电介质连接，并紧贴沉积于压电层（4）的侧面并延伸至压电层（4）的上表面的一部分上。
5.根据权利要求1所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述读出电路是基于六端口反射计的读出电路，所述六端口反射计的一个端口连接标准负载，另一端口连接基于FBAR的Pierce振荡器。
6.根据权利要求1所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述读出电路是基于Pierce振荡器的读出电路。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种柔性结构的FBAR伽马辐照传感器，其特征在于：所述柔性衬底采用金属箔片或者高分子聚合物；所述声波阻挡层采用非晶碳材料或者高分子聚合物；所述底电极（3）采用Au，或Cu，或Al，或Mo，或Pt，或Ti；所述压电层（4）采用ZnO或者AlN；所述辐照敏感层（5）的材料为SiO2或者SiN。
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