CN107525610B - 基于厚度方向激励剪切波模式的fbar微压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子器件领域，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底，硅衬底上表面淀积绝缘层，绝缘层上表面沉积布拉格反射层，布拉格反射层上表面淀积有底电极，AlN压电薄膜设置在底电极和布拉格反射层上方，AlN压电薄膜上表面设置有与底电极形状相同、位置对应的顶电极，压电薄膜上表面还设置有淀积4个微压力敏感层，微压力敏感层对称设置在压电薄膜的边缘处，且与顶电极错位设置，微压力敏感层上键合微压力施加层。本发明具有高Q值和高工作频率的优点，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，可以广泛应用于微压力传感器领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种FBAR微压力传感器，具体涉及一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，属于微电子器件领域。
背景技术
随着集成电路制作工艺的发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)发展迅速。因为其品质因数高、谐振频率高、插入损耗低、检测精度高、与CMOS工艺兼容，相对体积小等优点。很好的满足了手持移动及穿戴设备的需求，因而其在移动通信领域中获得了广泛的商业应用。在此基础上，其应用于传感器领域的优越性正引起人们广泛的研究兴趣。
压力是最基本的物理量之一，无论是在日常生活中，还是在工业领域内，微压力传感器都被广泛使用。力学传感器种类繁多，如压阻式微压力传感器，电容式微压力传感器，电感式微压力传感器及谐振式微压力传感器。FBAR微压力传感器属于谐振式微压力传感器，其工作在GHz频段，因而具有高灵敏度以及高分辨率。未来在民用和军用电子设备中有广泛的应用前景。
根据FBAR中体声波传播模式的不同，可以将FBAR器件分为纵波模式(longitudinal mode)和剪切波模式(shear mode)。通常剪切波声速大约是纵波声速的一半，这使得时变信号在给定瞬时能够在更小尺寸的晶体基片上完全呈现。故在相同的谐振频率下，剪切波模式的FBAR的尺寸要比纵波模式的FBAR的尺寸小很多；且由于纵波在液相环境中传输时衰减较大，剪切波模式的FBAR在液相环境中的Q值要比纵波模式的FBAR高，因此剪切波模式的FBAR体积更小、更适用于液相环境或粘性介质中的传感应用。
根据声波激励方式的不同，可以将剪切波模式FBAR器件分为厚度方向激励模式（TE，Thickness Excited）和侧向场激励模式（LFE，Lateral Field Excited）。厚度方向剪切波模式FBAR的两个电极位于压电薄膜的两侧，电场方向为厚度方向，压电薄膜c轴取向与电场方向呈一定的夹角。相比于侧向场方向激励模式FBAR，厚度方向激励模式FBAR是电极-压电层-电极三明治结构，激发出来的体声波在电极与空气的交界面得到很好的反射，从而使体声波限制在FBAR的压电层中，即厚度方向激励剪切波模式的FBAR的能量损耗较小，未来在传感器领域内有着很广泛的应用前景。
中国工程物理研究院电子工程研究所公布了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，公布号为CN104614099A，该发明的特征在于采用了膜片上FBAR结构，结构集成了力敏结构、检测元件和复合薄膜。FBAR作为一种电声谐振器，将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f 0 的偏移来检测压力。该方案的缺点是：一、该微压力传感器采用的是背部刻蚀型的结构，该结构因采用MEMS的体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分硅材料，势必影响器件的机械牢固度，虽然设置了低应力的支撑层，但大幅度降低了成品率；二、该微压力传感器采用的是纵波模式，纵波在液相环境或粘性介质中衰减较大，采用纵波模式局限了FBAR微压力传感器的应用领域和场合。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术的不足，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。这种FBAR微压力传感器具有高Q值和高工作频率，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，并能够在封闭环境、液相环境或粘性介质中的环境中工作。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底、绝缘层、布拉格反射层、底电极、AlN压电薄膜、顶电极、微压力敏感层及微压力施加层；所述绝缘层为淀积在硅衬底上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层上表面沉积布拉格反射层，所述布拉格反射层上表面淀积底电极，所述AlN压电薄膜设置在所述底电极和所述布拉格反射层的上表面，所述AlN压电薄膜上表面设置有与所述底电极形状相同，位置对应的顶电极，所述压电薄膜上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层，所述微压力敏感层对称设置在所述压电薄膜的边缘处，且与所述顶电极错位设置，所述微压力敏感层上键合所述微压力施加层，所述微压力敏感层用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层用于接收待测压力。本发明的微压力传感器采用固态装配型结构，不需要在结构上刻蚀空腔或者空气隙，可以很好地增强传感器的机械牢固度，并且单个传感器的尺寸更小，成本也更低。
进一步，所述AlN压电薄膜的c轴倾斜角度为46.5°，在这一角度下，FBAR微压力传感器工作在厚度方向激励的剪切波模式下。
进一步，所述布拉格反射层采用ta-C作为布拉格反射层的高声阻抗材料，采用AlN作为布拉格反射层的低声阻抗材料。ta-C 为四面体非晶碳材料，该材料具有弹性模量大，体声波传播速度快等优点，作为高声阻抗材料是很好地选择。AlN为氮化铝材料，选择AlN作为低声阻抗材料可以同压电薄膜材料相同，简化了相应的工艺步骤，相比于采用其他材料，与压电薄膜之间的热膨胀系数差别小，是理想的低声阻抗材料选择。
进一步，所述微压力敏感层和所述微压力施加层采用硅材料，所述上电极和下电极采用Mo材料。所述微压力施加层作为微压力检测时的均匀受力结构。可以避免微压力直接作用在器件表面所造成的结构受损。Mo作为电极材料的FBAR器件可以获得比其他电极材料更高的谐振频率和Q值。
进一步，所述底电极和所述顶电极均包括2个电极，分别对称分布于所述AlN压电薄膜的上下表面，其中一个底电极和对应的顶电极形成激励电极，另一个底电极和对应的顶电极形成检测电极。
进一步地，所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的制备工艺为：
a.对硅衬底进行RCA清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒；
b.在硅衬底上使用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积一层SiO2绝缘层；
c.使用磁控溅射工艺在绝缘层沉积布拉格反射层；
d.在已经形成好的结构上淀积底电极，并使用光刻工艺图形化底电极；
e.使用磁控溅射生长一层AlN压电薄膜层；
f.在AlN压电薄膜层上淀积顶电极，并使用光刻工艺图形化顶电极层；
g.在AlN压电薄膜层上淀积微压力敏感层，并使用光刻工艺图形化微压力敏感层；
h.在微压力敏感层上键合一层硅作为微压力施加层。采用固态装配型结构的优点是不需要在结构上刻蚀空腔或者空气隙，可以很好地增强传感器的机械牢固度，并且单个传感器的尺寸更小，成本也更低。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提出的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，采用厚度方向激励的模式，不需要背部刻蚀空腔，机械牢固度高，成品率高；不需要形成空气隙，单个器件尺寸较小，不需要昂贵的MEMS工艺形成背部的空腔或者空气隙，成本较低。具有分辨率高、灵敏度高、功耗低等特点。能够在封闭环境、液体环境或粘性介质环境中工作。可以满足微压力传感器微型化、集成化的技术需求。
附图说明
图1为本发明的俯视图；
图2为图1 A-A方向的结构示意图；
图3为本发明主要制作工艺步骤示意图；
图4为本发明的压强-特征频率关系图；
图5为本发明在不同压力条件下的频响曲线图。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通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。
如图1和图2所示为本发明提出的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括由下至上依次设置的硅衬底1、绝缘层2、布拉格反射层3、底电极4、AlN压电薄膜5、顶电极6、微压力敏感层7及微压力施加层8。
所述绝缘层2为淀积在硅衬底1上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层2上表面沉积布拉格反射层3，所述布拉格反射层3上表面淀积底电极4，所述AlN压电薄膜5设置在所述底电极4和所述布拉格反射层3的上表面，所述AlN压电薄膜5的上表面设置有与所述底电极4形状相同，且位置对应的顶电极6，所述压电薄膜5上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层7，所述微压力敏感层7对称设置在所述压电薄膜5的边缘处，且与所述顶电极6错位设置，所述微压力敏感层7上键合所述微压力施加层8，所述微压力敏感层7用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层8用于接收待测压力。
其中，所述AlN压电薄膜5的c轴方向与垂直方向的夹角为46.5°，所述垂直方向指的是该FBAR微压力传感器的厚度方向，使所述FBAR微压力传感器工作在厚度方向激励的剪切波模式下。
所述布拉格反射层3采用ta-C作为布拉格反射层的高声阻抗材料，采用AlN作为布拉格反射层的低声阻抗材料。ta-C 为四面体非晶碳材料，该材料具有弹性模量大，体声波传播速度快等优点，作为高声阻抗材料是很好地选择。AlN为氮化铝材料，选择AlN作为低声阻抗材料可以同压电薄膜材料相同，简化了相应的工艺步骤，相比于采用其他材料，与压电薄膜之间的热膨胀系数差别小，是理想的低声阻抗材料选择。
所述微压力敏感层7和所述微压力施加层8采用硅材料，所述上电极和下电极采用Mo材料。
进一步地，如图1所示，所述底电极4和所述顶电极6均包括2个电极，分别对称分布于所述AlN压电薄膜5的上下表面，其中一个底电极4和对应的顶电极6形成激励电极，另一个底电极4和对应的顶电极6形成检测电极。
图3为本发明基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的制备工艺步骤示意图，包括以下八个主要步骤：
a.对硅衬底1进行RCA清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒；
b.在硅衬底1上使用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层SiO2绝缘层2；
c.使用磁控溅射工艺在绝缘层2沉积布拉格反射层3；
d.在已经形成好的结构上淀积底电极4，并使用光刻工艺图形化底电极4；
e.使用磁控溅射生长一层AlN压电薄膜层5；
f.在AlN压电薄膜层5上淀积顶电极6，并使用光刻工艺图形化顶电极层6；
g.在AlN压电薄膜层5上淀积微压力敏感层7，并使用光刻工艺图形化微压力敏感层7；
h.在微压力敏感层7上键合一层硅作为微压力施加层8。
本发明提出的基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，电场沿压电层的厚度方向激励，但压电薄膜的c轴方向是倾斜的，与厚度方向成一定的角度。相比于纵波模式的FBAR传感器，基于压电层c轴倾斜生长的FBAR传感器在液相环境中可以获得更好的性能。纵波模式的FBAR传感器Q值衰减明显，剪切波模式的FBAR传感器内部声波沿压电层厚度方向传播，粒子振动方向与传播方向垂直，在液相环境汇总工作声波不易泄漏，可以获得更高的Q值。
本发明提出微压力传感器的工作原理如下：当FBAR的电极之间施加交变电压时，压电薄膜通过逆压电效应使其发生机械形变，从而激发了在压电薄膜中传播的体声波。特定波长的体声波形成驻波振荡，再由压电薄膜的正压电效应将特定波长的体声波转化为频率输出。压电薄膜表面微小的压力变化会引起其谐振频率的变化。因此，可以通过测量器件谐振频率的变化反映压电薄膜受力的变化，进而达到微小压力测量的目的。
为了验证本发明提出的基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的可行性，对其进行了多物理场有限元仿真。图4所示为基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的压强-特征频率关系。由图4可见，本发明提出的基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器在0-1800kPa的压力范围内具有很好的线性度，说明在进行微压力测量时，本发明的基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器有着较好的灵敏度。图5所示为基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的频响曲线图。由图5可见，基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器谐振频率为0.7108GHz。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底（1）、绝缘层（2）、布拉格反射层（3）、底电极（4）、AlN压电薄膜（5）、顶电极（6）、微压力敏感层（7）及微压力施加层（8）；
所述绝缘层（2）为淀积在硅衬底（1）上表面的SiO2绝缘层，所述绝缘层（2）上表面沉积布拉格反射层（3），所述布拉格反射层（3）上表面淀积底电极（4），所述AlN压电薄膜（5）设置在所述底电极（4）和所述布拉格反射层（3）的上表面，所述AlN压电薄膜（5）上表面设置有与所述底电极（4）形状相同，且位置对应的顶电极（6），所述压电薄膜（5）上表面还设置有淀积4个所述微压力敏感层（7），所述微压力敏感层（7）对称设置在所述压电薄膜（5）的边缘处，且与所述顶电极（6）错位设置，所述微压力敏感层（7）上键合所述微压力施加层（8），所述微压力敏感层（7）用于作为微压力检测时的均匀受力结构，所述微压力施加层（8）用于接收待测压力。
2.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述AlN压电薄膜(5)的c轴方向与垂直方向的夹角为46.5°。
3.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述布拉格反射层(3)采用ta-C作为布拉格反射层的高声阻抗材料，采用AlN作为布拉格反射层的低声阻抗材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述微压力敏感层（7）和所述微压力施加层（8）采用硅材料，所述上电极和下电极采用Mo材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，所述底电极（4）和所述顶电极（6）均包括2个电极，分别对称分布于所述AlN压电薄膜（5）的上下表面，其中一个底电极（4）和对应的顶电极（6）形成激励电极，另一个底电极（4）和对应的顶电极（6）形成检测电极。
6.根据权利要求1所述的一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，其制备工艺为：
a.对硅衬底（1）进行RCA清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒；
b.在硅衬底（1）上使用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层SiO2绝缘层（2）；
c.使用磁控溅射工艺在绝缘层（2）沉积布拉格反射层（3）；
d.在已经形成好的结构上淀积底电极（4），并使用光刻工艺图形化底电极（4）；
e.使用磁控溅射生长一层AlN压电薄膜（5）；
f.在AlN压电薄膜（5）上淀积顶电极（6），并使用光刻工艺图形化顶电极（6）；
g.在AlN压电薄膜（5）上淀积微压力敏感层（7），并使用光刻工艺图形化微压力敏感层（7）；
h.在微压力敏感层（7）上键合一层硅作为微压力施加层（8）。
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