一种新型绝对压声表面波压力传感器的制备方法与流程

本发明属于气体压力传感器技术领域，涉及声表面波传感器，具体为一种新型绝对压声表面波压力传感器的制备方法。

背景技术：

声表面波(saw)压力传感器因其无线无源化、输出数字化信号、抗干扰能力强、低成本等诸多优点，被广泛应用于汽车、航空航天、石油钻井等环境。声表面波气体压力传感器的工作原理是，在叉指换能器(idt)上输入一周期性电信号，由压电材料将电能转化为周期性振动声表面波的机械能；相对应的，声表面波的机械振动经由压电效应将机械能转化为电能，再由叉指换能器传输到外端信号分析单元。但是在声表面波气体压力传感器的工作过程中，外界因素的变化极易对声表面波传播特性造成影响，进而引起谐振频率的变化。

具有绝对真空参考腔的绝对压声表面波压力传感器因其更宽的应用范围而被广泛研究，目前常见的绝对压声表面波压力传感器有以下几种。第一种是内嵌参考腔的声表面波压力传感器，通过背面刻蚀工艺将石英薄膜嵌入硅中，再将背面键合，形成封闭的空腔结构，当器件外部压力发生变化，器件的谐振频率也随之改变。第二种是先对衬底刻蚀，再用环氧树脂或者其它材料将压电膜片附着到衬底之上，从而形成一个密闭空腔，以此作为参考腔感知外部压力的变化。

但是，以上两种压力传感器因其制备工艺和结构的限制而存在一定的缺陷。首先，参考腔体的真空度得不到保证，测试时各种参数的变化或分子扩散，均会导致参考腔体内的压强发生变化，从而与标定的值之间出现偏差，导致测量的数据存在误差；其次，在测量绝对压时需要对器件进行外包装，从而降低了器件的集成度，增加了封装步骤，不利于批量化生产，且在此过程中易产生较大的寄生电容，导致器件的性能下降。

所以，对于现有的绝对压声表面波压力传感器还有改善的可能和空间。

技术实现要素：

针对现有绝对压声表面波压力传感器存在的问题，本发明提出了一种新型绝对压声表面波压力传感器的制备方法，在提高绝对压声表面波压力传感器的性能和精度的同时有效简化封装步骤，提高器件生产效率。

本发明具体技术方案如下：

一种新型绝对压声表面波压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、取两块硅片，在第一硅片表面通过深度反应离子刻蚀(drie)技术刻蚀出腔体阵列结构，然后对第二硅片表面热氧化，形成1μm厚的sio2层；

步骤2、通过化学机械抛光(cmp)技术对第一硅片的带腔体阵列结构面和第二硅片的sio2面抛光，再在真空环境下利用亲水键合技术将两硅片的抛光面键合，以保证硅片键合成功并形成真空腔，获得带集成真空腔阵列的soi衬底；

步骤3、将上述soi衬底的第二硅片顶部的si减薄至5μm，再将soi衬底划片成带集成真空腔单元的soi衬底，用于器件制备；

步骤4、在上述带集成真空腔单元的soi衬底的第二硅片表面沉积一层金属底电极；

步骤5、在金属底电极表面生长一层压电薄膜；

步骤6、在压电薄膜上生长一层金属薄膜，经光刻、刻蚀，获得叉指换能器和位于叉指换能器两侧的反射栅；

步骤7、沉积一层sio2作为温度补偿层和内层介质，并利用drie技术在sio2温度补偿层和压电薄膜上开窗口，使得之后沉积的导电金属能连接金属底电极和叉指换能器；

步骤8、沉积一层导电金属，用于连接金属底电极和叉指换能器，并将导电金属层制成gsg电极结构。

进一步地，步骤1中所述腔体的长和宽不超过叉指换能器的长和宽，深为20μm。

进一步地，步骤4中所述金属底电极采用mo、au或pt，厚度为0.2～0.3μm。

进一步地，步骤5中所述压电薄膜采用aln，厚度为0.9～1.2μm。

进一步地，步骤6中所述金属薄膜采用mo、au或pt，厚度为0.2～0.3μm。

进一步地，步骤7中所述sio2温度补偿层的厚度为0.6～0.8μm。

进一步地，步骤8中所述导电金属为al、mo、au或pt，厚度为0.8～1.2μm。

本发明制备了一种绝对压声表面波压力传感器，传感器内置的参考真空腔的压强与外部气压形成压强差，当外部气压变化时，传感器的谐振频率随之发生变化，根据频率与压强的关系，测得压力值。

本发明的有益效果为：

本发明采用先制备带集成真空腔阵列的soi衬底、后制备器件结构的制备工艺，能有效减小器件尺寸，提高集成度，大大简化后续芯片封装步骤，产生的寄生电容也远远小于传统器件；在生产上有助于实现器件的批量化生产，提升生产效率。此外，本发明制备方法获得的带真空腔的soi衬底使器件具有更好的气密性和应力匹配性，增强了传感器的测试精度及稳定性，可适用范围更加广泛。

附图说明

图1为本发明具体实施例制得的新型绝对压声表面波压力传感器的带集成真空腔单元的soi截面示意图。

图2为本发明具体实施例制得的新型绝对压声表面波压力传感器沿平行于叉指换能器电极方向的截面示意图。

图3为本发明具体实施例制得的新型绝对压声表面波压力传感器沿垂直于叉指换能器电极方向的截面示意图。

图4为本发明具体实施例制得的新型绝对压声表面波压力传感器的振动频率与压力关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。

本实施例制备了一种新型绝对压声表面波压力传感器，具体包括以下步骤：

步骤1、取两片硅片，在第一硅片表面通过深度反应离子刻蚀(drie)技术刻蚀出腔体阵列结构，腔深20μm，长和宽均为60μm，然后对第二硅片表面热氧化，形成1μmsio2层；

步骤2、通过化学机械抛光(cmp)技术对第一硅片的开口面和第二硅片的sio2面抛光，再在真空环境下利用亲水键合技术将两片硅片的抛光面键合，以保证硅片的键合成功并形成真空腔，获得带集成真空腔阵列的soi衬底；

步骤3、将上述soi衬底的第二硅片顶部的si减薄至5μm，再将soi衬底划片成带集成真空腔单元的soi衬底，用于器件制备；

步骤4、采用磁控溅射法在上述soi衬底的第二硅片表面沉积一层0.2μm厚的mo，作为金属底电极；

步骤5、利用原子层沉积镀膜技术在上述金属底电极表面生长一层aln压电薄膜，厚度为1μm；

步骤6、采用磁控溅射法在上述aln压电薄膜上生长一层0.2μm厚的mo，经光刻、刻蚀，获得叉指换能器和位于叉指换能器两侧的反射栅；其中，叉指换能器有40对叉指电极，间距和线宽均为1.25μm，叉指长度为450μm，反射栅均为60根，间距和线宽均为2.5μm，反射栅长度为455μm；

步骤7、在上述mo膜表面沉积一层0.7μm厚的sio2作为温度补偿层和内层介质，并利用drie技术在sio2温度补偿层和aln压电薄膜上开窗口；

步骤8、在上述sio2表面沉积一层1μm厚的al，用于连接mo金属底电极和mo叉指换能器，并将al膜制成gsg电极结构。

对本实施例制得的绝对压声表面波传感器进行压力测试，可以看出在外界压力的作用下，器件的谐振频率与压力之间保持良好的线性关系。