CN207585802U - 一种基于soi和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构，该声表面波高温压力传感器芯片包括SOI芯片基底，SOI芯片基底上形成有压力敏感层，压力敏感层上形成有压电薄膜，在压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。本实用新型的声表面波高温压力传感器芯片体积小，工作在射频段可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温压力测量领域具有非常大的应用潜力。

Description

一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片

技术领域

本实用新型属于半导体设计及制造技术领域，涉及MEMS传感器，具体涉及一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构。

背景技术

高温环境下的压力测量是测控技术的重点、难点之一。在航空航天、国防军工、石油化工、汽车工业等领域，常常需要在高温环境下进行压力的测量与控制，高性能的高温压力传感器是上述领域中的关键器件之一。

目前广泛使用的硅压阻式压力传感器，采用P-N结隔离应变电桥与应变膜，其工艺成熟且性能优异，但是P-N结漏电随着温度升高而急剧增大，当温度超过120℃时，传感器的性能会严重恶化甚至失效，另外，硅在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏，导致信号处理系统和电路的极度失调。以石英为基底的声表面波压力传感器技术已经相当成熟，但其工作温度一般为-20℃ -100℃，不宜在高于200℃的环境下使用。

中国专利CN 1514219提供了一种固态压阻式耐高温压力传感器，实现了 200℃以上恶劣环境的温度测量，但此传感器仍需电源供电，需要导线传输信号，难以胜任500℃以上高温要求。中国专利CN101775657涉及到了硅酸镓镧高温应用零温度补偿切型，但没有具体针对此晶体在传感器方面做深入的工作。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构。

为了实现本实用新型的上述目的，根据本实用新型的第一个方面，本实用新型提供了一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其包括 SOI芯片基底，所述SOI芯片基底上的二氧化硅层及其上的器件层共同构成SOI 压力敏感层，所述SOI压力敏感层上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。所述SOI芯片基底之下也可以具有第二芯片基底，在SOI芯片基底内从第二芯片基底延伸至压力敏感层之间形成有高真空密封腔室。

本实用新型的声表面波高温压力传感器芯片体积小，工作在射频段可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温压力测量领域具有非常大的应用潜力。

在本实用新型的一种优选实施方式中，采用SOI制备形成SOI芯片基底和压力敏感层，SOI器件层的电阻率≥5kΩ。制备的传感器芯片高温性能好，保证芯片质量；用SOI的加工工艺成熟，成品率高。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜，保证高温时的检测效果。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方呈平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金，能够满足多种温度传感器的要求。

例如在200℃以下选择铝；在600℃以下选择金；在800℃以下选择钼；在1000℃以下选择铂；在1200℃以下选择铱。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，在压力敏感层与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出并接地，也可不引出。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，可以在压力敏感层上方形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感层上方形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层，补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差。

为了实现本实用新型的上述目的，根据本实用新型的第二个方面，本实用新型提供了一种利用基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片的应用结构，其采用如下结构之一：

结构一：同时使用两个谐振器或两个延迟线形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差，所述两个谐振器或两个延迟线由于位置不同或结构参数不同而具有不同的温度敏感性能和/或压力敏感性能；

结构二：如所述芯片中存在两种或两种以上的对温度和压力敏感的声波模态，同时使用两种声波模态信号补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差，所述两种声波模态具有不同的温度敏感性能和/或压力敏感性能。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型一种优选实施例中基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器差压式芯片的制备流程图,其中，图1-1为SOI的示意图；图1-2 为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图1-3是在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图1-4是淀积形成绝缘保护层的示意图；图 1-5为开窗口至底电极的示意图；图1-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图 1-7为淀积导电金属层的示意图；图1-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；

图2是本实用新型一种优选实施例中基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片的制备流程图，其中，图2-1为提供SOI的示意图；图 2-2为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图2-3为在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图2-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图2-5为开窗口至底电极的示意图；图2-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图2-7为淀积导电金属层的示意图；图2-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；图2-9为将SOI背面与第二芯片基底键合形成高真空密封腔室的示意图；

图3是本实用新型另一种优选实施例中基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片的制备流程图(与图2不同之处在于：高真空密封腔室的制作工艺不再采用硅-玻璃阳极键合工艺，而是采用硅-硅键合工艺)，其中，图3-1为提供SOI的示意图；图3-2为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图3-3为在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图 3-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图3-5为开窗口至底电极的示意图；图 3-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图3-7为淀积导电金属层的示意图；图3-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；图3-9 为将SOI背面与硅基底键合形成高真空密封腔室的示意图；

图4(a)是本实用新型另一种优选实施例中传感器芯片不带底电极的结构示意图；图4(b)是本实用新型另一种优选实施例中传感器芯片带底电极的结构示意图；

图5是本实用新型一种优选实施例中在传感器芯片中加入一定厚度的二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层示意图；

图6是本实用新型一种优选实施例中使用两个谐振器形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差示意图，其中，图6(a)为响应信号的变化只反映环境温度变化的谐振器结构示意图，图6(b)为响应信号的变化反映环境温度变化和待测压力变化的双重作用的谐振器结构示意图。

附图标记：

1SOI基底层；2SOI隔离层；3SOI器件层；4底电极；

5压电层；6二氧化硅绝缘保护层；7叉指换能器；8叉指换能器；

9叉指换能器；10信号引出盘。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图4(a)是本实用新型第一种优选实施例的声表面波高温压力传感器芯片的剖视图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。

从图4(a)中可见，声表面波高温压力传感器芯片包括：SOI芯片基底， SOI芯片基底上形成有压力敏感层，在本实施方式中，采用SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)制备形成压力敏感层，SOI器件层的电阻率≥5kΩ。SOI 中隔离层2(二氧化硅)和其上的器件层3共同形成SOI压力敏感层，SOI隔离层之下的基底层1为SOI芯片基底，在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。

压力敏感层上形成有压电薄膜，在本实施方式中，压电薄膜为晶粒呈c 轴取向的纯AlN压电层5或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜5。在压电薄膜之上形成有叉指换能器7、8、9和反射栅。叉指换能器7、8、9和反射栅在压电薄膜上方呈平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。优选地叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金。

在本实施方式中，叉指换能器和反射栅可以组成声表面波单端谐振器、声表面波双端谐振器或声表面波延迟线。具体地，声表面波单端谐振器的结构为两个反射栅之间放置一个叉指换能器，声表面波双端谐振器的结构为两个反射栅之间放置两个叉指换能器或两个叉指换能器之间放置两个反射栅，声表面波延迟线的结构为两个或多个叉指换能器呈平行设置。

在本实施方式中，在SOI芯片基底内从基底底面延伸至压力敏感层之间形成有检测压力时提供参考压力的腔室，如图1-8所示，在差压结构中腔室为开放结构，并不是密封腔室。在本实用新型另外的优选实施方式中，SOI芯片基底之下为第二芯片基底，在SOI芯片基底内从第二芯片基底延伸至压力敏感层之间形成有检测压力时提供参考压力的高真空密封腔室，如图2-9所示，在绝压结构中腔室为高真空密封腔室。

本实用新型的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片的制备方法如下，如图1-8所示的差压式结构，其包括如下步骤：

S1，如图1-1所示，提供SOI，所述SOI器件层的电阻率≥5kΩ。

S2，如图1-2所示，在所述SOI正面淀积形成压电薄膜，在本实施方式中，压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的 AlN压电薄膜。

S3，如图1-3所示，在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅，最后形成的结构如图4(a)所示。在本实用新型另外的优选实施方式中，如图1-2 所示，步骤S2为在SOI正面淀积形成底电极，具体底电极的材料优选为Ti/Pt 材料，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜；如图1-3所示，在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅，最后形成的结构如图4(b)所示。叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金，在本实施方式中，叉指换能器和反射栅的材料优选为钼。

S4，如图1-4所示，淀积形成绝缘保护层6，具体材料优选为二氧化硅。

S5，如图1-5和1-6所示，光刻，刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层；在本实施方式中，图1-5为开窗口至底电极，图1-6为开窗口至叉指换能器。

S6，如图1-7所示，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘10，引出盘的材料为金属，优选为金。

S7，光刻，如图1-8所示，在所述SOI背面刻蚀，直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层。

图2-1至图2-9是本实用新型一种优选实施例中基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片的流程图，其包括如下步骤：

S1，如图2-1所示，提供SOI，所述SOI器件层的电阻率≥5kΩ。

S2，如图2-2所示，在所述SOI正面淀积形成压电薄膜，在本实施方式中，压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的 AlN压电薄膜。

S3，如图2-3所示，在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅；在本实用新型另外的优选实施方式中，如图2-2所示，步骤S2为在SOI正面淀积形成底电极，具体底电极的材料优选为Ti/Pt材料，在所述底电极之上淀积形成压电薄膜；如图2-3所示，在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅，叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金，在本实施方式中，叉指换能器和反射栅的材料优选为钼。

S4，如图2-4所示，淀积形成绝缘保护层，具体材料优选为二氧化硅。

S5，如图2-5和2-6所示，光刻，刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层；在本实施方式中，图2-5为开窗口至底电极，图2-6为开窗口至叉指换能器。

S6，如图2-7所示，淀积导电金属层，光刻，刻蚀，形成信号引出盘，引出盘的材料为金属，优选为金。

S7，如图2-8所示，光刻，在所述SOI背面刻蚀，直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层。

S8，如图2-9所示，将SOI背面与第二芯片基底键合形成高真空密封腔室。在本实施方式中，采用的第二芯片基底为玻璃。在本实施方式中，在抽真空的条件下进行键合，具体采用的真空等级可根据具体实验确定，优选高真空。

图3-1至图3-9是本实用新型另一种优选实施例中基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片流程图，与图2-9不同之处在于：高真空密封腔室的制作工艺不再采用硅-玻璃阳极键合工艺，而是采用硅-硅键合工艺，如图3-9所示。

如图5所示，在SOI正面先淀积形成二氧化硅平铺层，或者在SOI正面先淀积形成二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层，再形成其他的结构。例如再淀积形成底电极和压电薄膜，在所述压电薄膜上淀积形成叉指换能器和反射栅。

在本实施方式中，叉指换能器和反射栅可以组成声表面波单端谐振器、声表面波双端谐振器或声表面波延迟线。

图6(a)和图6(b)是本实用新型一种优选实施例中使用两个谐振器形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差示意图。在本实施方式中，也可使用两个延迟线形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差。由于结构参数不同，图6(a)中的谐振器响应信号的变化只反映环境温度变化，图6(b)中的谐振器响应信号的变化则反映环境温度变化和待测压力变化的双重作用。

如果所述芯片中存在两种或两种以上的对温度和压力敏感的声波模态，也可同时使用两种声波模态信号补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差，所述两种声波模态具有不同的温度敏感性能和(或)压力敏感性能。

本实用新型的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片能实现高温环境下的压力测量。在本实施方式中，压电薄膜通过磁控溅射技术在压力敏感层上沉积形成，叉指换能器和反射栅通过MEMS工艺在压电薄膜上制作，传感器芯片利用压电效应和逆压电效应进行声表面波的激发和接收。叉指换能器在压电薄膜表面激发出声表面波，该声表面波向两侧的反射栅处传播，传播至反射栅的位置后被反射返回。反射回的声表面波又通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，即响应信号。当待测压力作用在压电薄膜和压力敏感层上，导致该复合膜发生形变，声表面波传播的速度发生变化，进而响应信号发生变化，该电磁波响应信号经过特定的信号处理分析，实现压力测量。该传感器芯片可以做成差压结构，也可以通过真空密封键合工艺做成绝压结构。本实用新型结构简单、体积小、重量轻、精度高，可以应用于航空航天、石油化工、核工业等高温环境下压力参数的测量。

需要说明的是，说明书附图中图下面的小方框为材料说明。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，包括：

SOI芯片基底，所述SOI芯片基底上的二氧化硅层及其上的器件层共同构成SOI压力敏感层，所述SOI压力敏感层上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；

在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。

2.如权利要求1所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，SOI器件层的电阻率≥5kΩ；

和/或所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜。

3.如权利要求1所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方呈平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。

4.如权利要求1或3所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金。

5.如权利要求1所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，所述SOI芯片基底之下为第二芯片基底，在SOI芯片基底内从第二芯片基底延伸至压力敏感层之间形成有高真空密封腔室。

6.如权利要求1所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，在压力敏感层与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出并接地，也可不引出。

7.如权利要求1或6所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，在压力敏感层与底电极之间形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感层与底电极之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；或者在压力敏感层与压电薄膜之间形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感层与压电薄膜之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层。