一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器的制作方法

本发明涉及一种fbar微压力传感器，具体涉及一种基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器。

背景技术：

近年来，随着微机电系统(mems)制造技术的快速发展，薄膜体声波谐振器(fbar)在无线通信领域获得了广泛的商业应用。其具有相对体积小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高等优点。同时，由于其谐振频率高，因而具有优异的传感灵敏特性。鉴于薄膜体声波谐振器本身具有的这些优良特性，其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。

微压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。按照原理划分，微压力传感器包括压阻式微压力传感器、电容式微压力传感器以及谐振式微压力传感器等。其中，fbar微压力传感器属于谐振式微压力传感器的一种。相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，fbar微压力传感器拥有更高的工作频率和品质因数，这意味着可以得到更高的分辨率和压力检测灵敏度。未来在石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、国防军工等行业有广泛的应用前景。

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(longitudinalmode)和剪切波模式(shearmode)。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，thicknessexcited）和侧向场激励模式（lfe，lateralfieldexcited）。其中侧向场激励剪切波模式fbar的压电薄膜c轴取向与厚度方向一致，但其电极位于压电薄膜的同一侧，即电场方向与压电层方向厚度方向垂直。相比于厚度方向激励模式fbar，侧向场激励模式fbar的制作工艺简单，且由于无需控制压电材料c轴取向倾斜角度，工艺重复性比需要压电材料c轴倾斜生长的厚度场激励模式要好。综上所述，侧向场激励剪切波模式的fbar具有众多的优点，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f0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三明治结构的纵波模式，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。

技术实现要素：

本发明为了解决上述现有技术的不足，提出了一种基于侧向场激励剪切波模式的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：

本发明为一种基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器。一种基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底、支撑层、空气隙、aln压电薄膜、双电极层、接地层、微压力敏感层、微压力施加层。

所述硅衬底上表面采用硅表面刻蚀工艺与所述aln压电薄膜间形成空气隙，在所述硅衬底上表面淀积一层支撑层连接所述aln压电薄膜，所述aln压电薄膜上表面为双电极层和所述接地层，所述接地层上表面淀积4个所述微压力敏感层，所述微压力敏感层上键合所述微压力施加层。采用空气隙型结构能很好地将声波限制于压电薄膜之内，获得较高的q值；且机械牢固度相比于硅片背面刻蚀型结构也得到了有效的提升。

进一步，所述aln压电薄膜的c轴取向与厚度方向一致，降低了aln压电薄膜倾斜角度在制备过程中的误差对传感器性能产生的影响。

进一步，所述支撑层采用si3n4材料。si3n4具有较低的热导率、较高的机械强度及较低的应力，可以增强器件结构的机械强度。

进一步，所述双电极层采用mo作为电极材料。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，所述双电极层设置在所述压电薄膜上表面的中部，所述接地层设置在所述压电薄膜上表面对称的两个边沿处，所述接地层上表面设有四个所述微压力敏感层。这样设计，可以增大了敏感区域的面积，更好地接收压力信号。

进一步，所述微压力施加层采用硅材料，所述微压力施加层作为微压力检测时的均匀受力结构。这样的设计，在检测时避免微压力直接作用在器件表面所造成的结构受损。

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侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器，采用侧向场激励模式，制作工艺简单且无需控制压电材料c轴取向倾斜角度。具有结构机械牢固度高、分辨率高、灵敏度高、功耗低、成本低等特点。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1a-a方向的结构示意图；

图3为图1b-b方向的结构示意图；

图4(a)-图4(j)为本发明主要制作工艺步骤示意图；

图5为本发明的压强-特征频率关系图；

图6为本发明在不同压力条件下的频响曲线图。

具体实施例

如图1、图2和图3所示为一种基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器，包括硅衬底1、支撑层2、空气隙3、aln压电薄膜4、双电极层5、接地层6、微压力敏感层7和微压力施加层8。

硅衬底1上表面采用硅表面刻蚀工艺与aln压电薄膜4间形成空气隙3，在硅衬底1上表面淀积一层支撑层2连接aln压电薄膜4，支撑层2为si3n4材料，aln压电薄膜4上表面为双电极层5和接地层6，双电极层5设置在aln压电薄膜4上表面的中部，并采用mo作为电极材料。接地层6设置在aln压电薄膜4上表面平行的两个边沿处，接地层6上表面淀积4个微压力敏感层7，微压力敏感层7上键合采用硅材料的微压力施加层8作为微压力检测时的均匀受力结构。

图4(a)-图4(j)为本发明基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器的制备工艺步骤示意图，包括4(a)-4(j)十个主要步骤。在制备开始前，先对硅衬底1进行rca清洗，去除硅衬底1上的污染颗粒。4(a)在硅衬底1上使用硅微加工工艺刻蚀一个空气隙3。4(b)使用lpcvd工艺生长一层si3n4材料的支撑层2。4(c)在已经形成好的结构上淀积一层牺牲层材料psg。4(d)化学机械抛光去除多余的牺牲层材料，使牺牲层材料完全填充在空气隙3中。4(e)使用磁控溅射生长一层aln压电薄膜层4。4(f)在aln压电薄膜层4上淀积双电极层5，并使用光刻工艺图形化双电极层5。4(g)在aln压电薄膜层4上淀积接地层6，并使用光刻工艺图形化接地层6。4(h)在接地层6上紧贴一层微压力敏感层7，并使用光刻技术图形化微压力敏感层7。4(i)使用hf腐蚀psg牺牲层材料，获得空气隙3。4(j)在微压力敏感层7上键合一层硅作为微压力施加层8。

为了验证本发明提出的基于侧向场激励剪切波模式的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5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。由图可见，基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器在0-1000kpa的压力范围内具有很好的线性度。图6为不同压力条件下基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器的频响曲线图。由图可见，基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器谐振频率随着外界压力的增大而降低。其中，压力在100-1000kpa范围内变化时谐振频率有较明显的变化。说明在小量程的微压力测量时，基于侧向场激励剪切波模式的fbar微压力传感器有着很高的灵敏度。