一种基于相位检测原理的MEMS压力传感器及制备方法与流程

一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法
技术领域
1.本发明涉及射频微电子机械系统（rf mems）技术领域，具体涉及一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法。


背景技术：

2.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相位检测原理并满足上述特点的mems压力传感器成为可能。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提供一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法，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梁与cpw信号线之间的电容发生变化，进而使得rf信号在cpw传输线上传输前后的相位差发生变化，从而通过测量rf信号的相位便可获取环境压强。
4.为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：一种基于相位检测原理的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，所述衬底上设置凹槽，所述凹槽位于所述cpw信号线中间部位的下方；mems梁，位于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，与所述cpw地线相连接；mems薄膜，位于所述凹槽上方，并与所述cpw信号线的背面相接触，其两端置于所述cpw地线上，并与所述凹槽形成密闭腔体。
5.进一步地，所述凹槽为u型槽，所述凹槽的轴线与所述cpw信号线平行，所述cpw信号线位于所述凹槽正上方。
6.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。
7.进一步地，所述mems薄膜与所述cpw信号线为一体关系，即所述cpw信号线位于凹槽正上方的部分能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与所述mems薄膜一起发生形变。
8.进一步地，所述衬底和凹槽表面设置一层缓冲介质层。
9.一种如上所述的基于相位检测原理的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mems梁和cpw地线；s30淀积并光刻psg牺牲层，保留凹槽内部的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psg牺牲层的释放；s50在所述mems薄膜上依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，形成cpw信号线；s60释放psg牺牲层，并使用氮化硅材料填补mems薄膜上的释放孔。
10.进一步地，所述mems梁、所述cpw地线以及所述cpw信号线的材质为金。
11.进一步地，所述衬底采用高阻硅，其电阻率大于1kω
·
cm。
12.进一步地，所述凹槽的深度为1
‑
50μm，所述mems梁、所述cpw地线和所述cpw信号线的厚度为0.1
‑
5μm，进一步地，所述mems薄膜采用氮化硅，其厚度为0.1
‑
3μm。
13.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：（1）本发明的一种基于相位检测原理的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。
14.（2）本发明的一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法，通过获取器件相位值的变化来求解外部压力值，器件具有高灵敏度。
15.（3）本发明的一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法，由于mems梁固定于衬底上的凹槽内，故易于器件的封装。
16.（4）本发明的一种基于相位检测原理的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，不但节省了芯片面积，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，具有零的直流功耗。
附图说明
17.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的mems压力传感器俯视图；图2所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的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相位检测原理的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相位检测原理的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相位检测原理的mems压力传感器的制造方法流程图；
图6～11所示为本发明一实施例的基于相位检测原理的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梁。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
20.实施例1本实施例提供了一种基于相位检测原理的mems压力传感器，如图1～图3所示，包括：cpw传输线、衬底13、凹槽131、缓冲介质层132、mems薄膜2以及mems梁3；所述cpw传输线设置在所述衬底13上，所述衬底13上设置凹槽131，所述mems梁3设置于所述凹槽131内；所述mems薄膜2与所述凹槽131构成密闭腔体，所述衬底13采用高阻硅，电阻率大于1kω
·
cm。
21.所述cpw传输线包括位于所述衬底13中间部位的cpw信号线1以及位于所述cpw信号线1两侧的两条所述cpw地线12，所述cpw信号线1与所述cpw地线12相互平行。
22.所述凹槽131位于所述cpw信号线1中间部位的正下方。所述凹槽131为u型槽，所述凹槽131的轴线与所述cpw信号线1平行；所述衬底13和凹槽131表面设置一层缓冲介质层132。
23.所述mems梁3设置于所述凹槽131的底面上和靠近所述cpw地线12的两个侧面上并呈倒置的拱桥状，所述mems梁3与两条所述cpw地线12均连接。
24.所述mems薄膜2位于所述凹槽131正上方，并与所述cpw信号线1的背面相接触，所述mems薄膜2的两端置于所述cpw地线12上，完全覆盖所述凹槽131的顶部，并且与所述凹槽131形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。
25.所述mems薄膜2与所述cpw信号线1机械耦合，即mems薄膜2与cpw信号线1固定连接在一起，使得所述cpw信号线1位于凹槽131正上方的部分能够随着所述密闭腔体的内外压差变化与所述mems薄膜2一起发生形变。
26.如图4所示，本发明的基于相位检测原理的mems压力传感器可等效为一个两端口rf网络，位于在mems薄膜2上的cpw信号线1与位于凹槽131中的mems梁3构成电容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）发生变化时，所述密闭腔体的内外的压差随之变化，所述mems薄膜2产生向上或向下位移的形变，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，rf信号会受到所述cpw信号线1与所述mems梁3之间的间距影响（即电容c影响），从而导致rf信号的相位变化。因此当外部环境压强发生变化时，会引起rf信号的相位变化，通过测量所述cpw传输线上rf信号的相位大小，即可得到此时环境压强大小。
实施例2本发明还提供了以上基于相位检测原理的mems压力传感器的制备方法，如图5～11所示，包括如下步骤：s10准备si衬底13，所述衬底例如采用高阻硅，其电阻率大于1kω
·
cm，并在衬底上刻蚀出凹槽131，所述凹槽的深度例如为1
‑
50μm，后通过热氧化方式在所述衬底上生长一层缓冲介质层132，如图6所示。
27.s20在所述缓冲介质层上依次通过光刻、蒸发、剥离，获得mems梁和cpw地线；如图7所示；其中，mems梁3和cpw地线12为同一材质在同一工艺步骤中制备出来，并相互连接。
28.s30淀积并光刻psg牺牲层，保留凹槽内部的psg牺牲层，如图8所示；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psg牺牲层的释放，如图9所示；s50在所述mems薄膜上依次蒸发钛、金、钛种子层，并进行光刻、电镀、去除光刻胶、反刻，形成cpw信号线，如图10所示；s60释放psg牺牲层，并使用氮化硅材料填补mems薄膜上的释放孔，如图11所示。
29.其中，所述mems梁、所述cpw地线和所述cpw信号线的厚度例如为0.1
‑
5μm。
30.其中，所述mems薄膜例如采用氮化硅，其厚度例如为0.1
‑
3μm。
31.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。