CN111174951A - 一种压电式传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种压电式传感器及其制备方法，所述压电式传感器包括：基板、多个压电悬臂梁、固定柱；基板带有多个空腔；压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，压电悬臂梁的自由端面积大于固定端面积；固定柱设置在基板中心用于固定压电悬臂梁。本发明提供的压电式传感器通过提出一种新的压电悬臂梁的结构形式，结合带有特定形状和深度空腔的衬底，可显著提升传感器灵敏度等性能。所述压电式传感器的制备方法，包括：带有空腔衬底的加工，衬底之上压电悬臂梁中支撑层和压电叠层的沉积和刻蚀。所述制备方法，工艺简单，兼容性强，适用于包含各类压电材料和各类衬底的压电式传感器加工。
Description
技术领域
本发明涉及到MEMS压电器件领域，特别是涉及一种压电式传感器及其制备方法。
背景技术
压电式传感器是基于压电材料的压电效应做机电转换的器件，可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。传统的压电式传感器采用不同切型的石英晶体或者锆钛酸铅(PZT)等多种压电陶瓷制成，具有灵敏度高、性能稳定、频响好及工作可靠等优点。但是随着微机电系统(MEMS)技术的发展，对压电式传感器的尺寸、集成制造兼容性、制造成本以及环境友好性提出了新的要求。新一代适用于微纳集成制造传感器的压电材料包括有氮化铝(AlN)，钪掺杂氮化铝(ScAlN)，氧化锌(ZnO)，铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等。
MEMS压电式传感器一般包括有圆盘式、桥式和悬臂梁式等，外界机械振动或声学振动等力学信号施加在压电振膜上后，经压电效应转变为电信号进行信号的采集和传输。但是对于压电式传感器，当压电振膜的尺寸和厚度确定后，就很难进一步提升传感器的灵敏度和信噪比等性能，另一方面压电式传感器的工艺制程直接影响着传感器的制造成本，所以需要精简制造工序及降低制造难度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是对于某一特定类型的压电式传感器，在不改变压电振膜的尺寸和厚度的情况下，难以进一步提升传感器的灵敏度和信噪比等性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种压电式传感器，其特征在于，包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H>0且H为正整数，N>0且N为正整数。
作为优选，所述基板选取不含电路结构的基板，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，0<M≤H且M为正整数。
作为优选，所述基板选取含有电路结构的基板，通过硅通孔刻蚀工艺，在所述固定柱处将压电叠层的电极连接至所述基板的电路结构上。
所述压电式传感器的制备方法包括四种压电式传感器的制备方法。
第一种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中底电极作为刻蚀停止层；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中支撑层作为刻蚀停止层；
若所述基板上存在连接结构：
选取表面带有热氧化/沉积的SiO2层的Si基底，所述Si基底不含电路结构，与基板作键合连接处理；
在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
与基板键合的所述Si基底含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述Si基底中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
第二种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基板上刻蚀一定深度的空腔；
沉积SiO2等材料填充空腔，作为牺牲层；
进行化学机械研磨(CMP)，保持基板的表面平整；
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含有电路结构，在所述基板外周引出底电极和顶电极；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构；
刻蚀出压电悬臂梁结构；
通过间隙刻蚀释放牺牲层。
第三种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
选用带有订制空腔的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板，上方的硅层作为压电悬臂梁的支撑层；
在所述基板上沉积底电极-压电薄膜层-顶电极构成的压电叠层；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述SOI基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述SOI基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构。
第四种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基板的刻蚀一定深度的空腔；
在基板上沉积一层SiO2；
键合铌酸锂(LN)/钽酸锂(LT)晶圆片在基板之上；
在晶圆片上方沉积顶电极；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
在所述第一种压电式传感器的制备方法或第二种压电式传感器的制备方法中，所述支撑层材料为Si、SiC、Si3N4或蓝宝石。
在所述第四种压电式传感器的制备方法种，所述铌酸锂晶圆片自上而下由铌酸锂薄膜、电极层、SiO2层和铌酸锂基板组成；所述钽酸锂晶圆片自上而下由钽酸锂薄膜、电极层、SiO2层和钽酸锂基板组成。
本发明的有益效果是：在保持压电式传感器尺寸不变的情况下，可显著提升传感器的灵敏度和信噪比，由此，可以在基板上制造出性能更优的小型化压电式传感器，且提出的制备方法工艺简单，与CMOS工艺兼容性强，适用于包含各类压电材料和各类衬底的压电式传感器加工。
附图说明
图1：是本发明其中一实施例的压电式传感器俯视轮廓图；
图2：是本发明其中一实施例通过背腔刻蚀基板制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图3：是本发明其中一实施例通过预埋牺牲层制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图4：是本发明其中一实施例选用带有订制空腔的基板制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图5：是本发明其中一实施例通过键合铌酸锂或钽酸锂晶圆片制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图6：是本发明其中一个实施例的压电式传感器电极分布俯视图。
图7：是本发明中压电式传感器的压电悬臂梁两种结构的截面图。
1-基板，101-基板固定层，102-第一绝缘层，103-器件连接层，104-空腔，105-固定柱，106-牺牲层，2-器件支撑层，3-压电叠层，301-第一底电极，302-压电薄膜，303-第一顶电极，4-压电悬臂梁，5-晶圆片，501-LN/LT衬底，502-第二绝缘层，503-第二底电极，504-LN/LT压电薄膜，505-第二顶电极，6-基板外周，7-压电振膜，8-固定区域，9-间隙，10-连接结构，11-自由端顶电极，12-固定端顶电极，13-引出顶电极，14-引出底电极，15-振动区域，16-面积较大端，17-面积较小端，18-压电单晶片，1801-压电单晶片压电叠层，1802-压电单晶片支撑层，19-压电双晶片。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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，并获得其他的实施方式。
本发明实施例中涉及一种压电式传感器，包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H＝4，N＝1。
在本发明具体实施方式中，选取的所述基板不含电路结构，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，所述压电悬臂梁为单晶片结构，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，M＝1。
下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施方式：
参考图1，本实施例中，压电式传感器包括有四个倒梯形的压电振膜7；固定端位于衬底中心的固定区域8；相邻所述压电振膜7之间设置有一定宽度的间隙9，可减小所述压电振膜7工作振动时的空气阻尼，减小传感器的噪声信号；在间隙9之间设置有连接基板外周6和所述固定区域8的连接结构10，用于后续在所述基板外周6上引出由所述压电振膜7因压电效应产生的电信号。
参考图2，在一实施例中，提出第一种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上沉积器件支撑层2和压电叠层3，其中，所述基板1中的基板固定层101材料为Si，第一绝缘层102材料为SiO2，器件连接层103材料为Si；
步骤二：通过背腔刻蚀工艺刻蚀器件连接层103，所述器件支撑层2作为背腔刻蚀的截止层；
步骤三：选取基板固定层101，表面带有热氧化或沉积形成的第一绝缘层102，将其通过键合工艺连接在所述器件连接层103上；
步骤四：依次刻蚀压电叠层3和器件支撑层2，形成压电悬臂梁4。
参考图3，在一实施例中，提出第二种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上刻蚀一定深度的空腔104，沉积SiO2等材料填充所述空腔104，作为牺牲层106，进行化学机械研磨(CMP)处理，保持基板1的表面平整；
步骤二:在基板1上沉积器件支撑层2和压电叠层3；
步骤三：依次刻蚀所述压电叠层3和所述器件支撑层2，形成压电悬臂梁4轮廓；
步骤四：通过间隙刻蚀释放牺牲层106，形成压电悬臂梁4结构。
参考图4，在一实施例中，提出第三种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选用带有订制空腔104的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板1；
步骤二：在所述基板1上沉积压电叠层3；
步骤三：依次刻蚀所述压电叠层3和器件连接层103，在该实施例中器件连接层103同时起到压电悬臂梁4的支撑层的作用。
参考图5，在一实施例中，提出第四种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上刻蚀一定深度的空腔104；
步骤二：在刻蚀后的所述基板1上一层较薄的第一绝缘层102，材料为SiO2；
步骤三：将铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)晶圆片5键合连接在所述基板1之上，在晶圆片上方沉积第二顶电极505；
步骤四：依次刻蚀所述晶圆片5各层材料，形成压电悬臂梁4。
所述铌酸锂(LN)晶圆片自上而下由LN压电薄膜504、第二底电极503、第二绝缘层502和LN衬底501组成。所述钽酸锂(LT)晶圆片自上而下由LT压电薄膜504、第二底电极503、第二绝缘层502和LT衬底501组成。
参考图6，为本发明其中一个实施例的压电式传感器电极分布俯视图，将第一顶电极303或第二顶电极505进行图案化刻蚀，形成自由端顶电极11和固定端顶电极12；产生的电信号在基板外周6上引出，形成引出顶电极13和引出底电极14。在振动区域15内，利用压电悬臂梁4的面积较大端16接收振动信号，所述压电悬臂梁4的弯曲挠度更大，产生的电信号更高。在压电悬臂梁4振动过程中，应力和应变主要集中在固定端，也就是所述压电悬臂梁4的面积较小端17，由于压电材料的压电效应，产生的电信号也主要集中在面积较小端17，所以通过所述固定端顶电极12引出电信号至所述基板外周6上。
参考图7，是本发明中压电式传感器的压电悬臂梁两种结构的截面图，如图7(a)所示，为压电单晶片18悬臂梁，由压电单晶片压电叠层1801和压电单晶片支撑层1802组成；如图7(b)所示，为压电双晶片19悬臂梁，不含支撑层，所述压电双晶片19的中性面位于其中间电极层。所述两类悬臂梁结构均适用于本发明压电式传感器的加工制造。
特别地，本发明提供的技术方案能有效提高压电式传感器的灵敏度以及信噪比，且提供的新结构制备方法简单，与CMOS工艺兼容，适用于含各类压电薄膜材料的微型压电式传感器的大批量生产。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种压电式传感器，其特征在于，所述压电式传感器包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H>0且H为正整数，N>0且N为正整数。
2.根据权利要求1所述的压电式传感器，其特征在于：所述基板选取不含电路结构的基板，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，0<M≤H且M为正整数。
3.根据权利要求1所述的压电式传感器，其特征在于：所述基板选取含有电路结构的基板，通过硅通孔刻蚀工艺，在所述固定柱处将压电叠层的电极连接至所述基板的电路结构上。
4.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中底电极作为刻蚀停止层；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中支撑层作为刻蚀停止层；
若所述基板上存在连接结构：
选取表面带有热氧化/沉积的SiO2层的Si基底，所述Si基底不含电路结构，与基板作键合连接处理；
在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
与基板键合的所述Si基底含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述Si基底中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
5.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基板上刻蚀一定深度的空腔；
沉积SiO2等材料填充空腔，作为牺牲层；
进行化学机械研磨(CMP)，保持基板的表面平整；
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含有电路结构，在所述基板外周引出底电极和顶电极；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构；
刻蚀出压电悬臂梁结构；
通过间隙刻蚀释放牺牲层。
6.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选用带有订制空腔的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板，上方的硅层作为压电悬臂梁的支撑层；
在所述基板上沉积底电极-压电薄膜层-顶电极构成的压电叠层；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述SOI基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述SOI基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构。
7.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基板的刻蚀一定深度的空腔；
在基板上沉积一层SiO2；
键合铌酸锂或钽酸锂晶圆片在基板之上；
在晶圆片上方沉积顶电极；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
8.根据权利要求4或5所述压电传感器的制备方法，其特征在于：所述支撑层材料为Si、SiC、Si3N4或蓝宝石。
9.根据权利要求7所述压电传感器的制备方法，其特征在于：所述铌酸锂晶圆片自上而下由铌酸锂薄膜、电极层、SiO2层和铌酸锂基板组成；所述钽酸锂晶圆片自上而下由钽酸锂薄膜、电极层、SiO2层和钽酸锂基板组成。
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