一种基于fbar结构的压力传感器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及传感器技术领域，具体是一种基于fbar结构的压力传感器及其制备方法。
背景技术：2.目前，微压力传感器的结构主要有电容式、压阻式、机械谐振式等。压阻式和电容式微压力传感器在压力传感器中有着广泛应用，它们的灵敏度分别为0.01-1mv/(v
·
kpa)和0.1-100ff/kpa，输出信号为模拟量电信号。与压阻式传感器和电容式传感器相比，利用声波器件结构(如fbar、saw等)制作的压力传感器的频率信号具有更高的检测精度和准确度，这也意味着此类传感器有更高的分辨率；同时，此类传感器能更好地被用在无源无线传感器系统中。
3.薄膜体声波谐振器(fbar)被广泛应用在手机等无线通信终端中，具有低插损、高灵敏度、高工作频率、低功耗等优点，其结构主要有空气隙型、固体装配型、横膈膜型。固体装配型结构是由高阻抗声学层与低阻抗声学层交替叠加形成布拉格反射层，声波在阻抗交界面发生多次反射，形成驻波，从而将声波限制在压电振荡堆中，为了达到理想的声波反射效果，需要对每层薄膜进行精确的厚度、应力和粗糙度控制，工艺要求较高。横膈膜型结构虽然结构简单，但基底对压电振荡堆的支撑薄弱，大规模生产难度较大。空气隙型结构既能提高结构稳定性，又降低了生产工艺的难度，可以用来制作微压力传感器，但常规空气隙结构空腔下的衬底因厚度原因，会降低其对压力的敏感度。
技术实现要素：4.本发明的目的在于提供一种基于fbar结构的压力传感器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于fbar结构的压力传感器，包括基底，所述基底顶部开设有凹槽，所述基底表面覆盖有绝缘层；所述绝缘层与基底顶部凹槽包围形成空气腔室；所述绝缘层上覆盖有支撑层，所述支撑层上设置有压电振荡堆，所述压电振荡堆呈三明治结构，压电振荡堆从下往上依次包括底电极、压电层和顶电极；所述底电极覆盖于支撑层上；所述基底底部还开设有背部凹槽；还包括封装盖帽，封装盖帽键合安装于基底顶部；所述封装盖帽宽度小于基底宽度，底电极电信号引出端暴露在封装盖帽外；所述封装盖帽底部设置有容纳压电层和顶电极的凹槽；所述封装盖帽上还开设有上下贯穿的通孔，通孔内壁覆盖有金属种子层，通孔内还填充有通孔金属。
7.作为本发明进一步的方案：所述基底采用高阻硅片；所述基底顶部凹槽深度为1-30μm。
8.作为本发明再进一步的方案：所述绝缘层材质为sio2，所述绝缘层厚度为0.3-0.6μm。
9.作为本发明再进一步的方案：所述支撑层材质为si3n4，所述支撑层厚度为0.3-1μm。
10.作为本发明再进一步的方案：所述底电极材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm。
11.作为本发明再进一步的方案：所述压电层材料为aln，厚度为1-2μm，表面粗糙度为1-10nm。
12.作为本发明再进一步的方案：所述顶电极材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm。
13.作为本发明再进一步的方案：所述封装盖帽与基底之间采用圆片直接键合或带中间材料的圆片键合；所述封装盖帽材料采用si或玻璃。
14.上述的基于fbar结构的压力传感器的制备方法，包括基底工艺、封装盖帽工艺、基底与封装盖帽键合、封装盖帽减薄、在封装盖帽上制备通孔、填充通孔、基底底部制备凹槽和刻蚀封装盖帽露出压电振荡堆底电极；所述基底工艺包括基底顶部制备凹槽、制备绝缘层、填充牺牲层材料、牺牲层减薄抛光、制备压电堆；所述封装盖帽工艺包括制备台阶。
15.作为本发明再进一步的方案：包括以下步骤：
16.1)在高阻硅片基底顶部湿法腐蚀或干法刻蚀凹槽，深度为1-30μm；
17.2)利用lpcvd或热氧氧化工艺制备sio2作为绝缘层，厚度为0.3-0.6μm；
18.3)在凹槽内填充psg或ni做为牺牲层；
19.4)利用cmp工艺减薄牺牲层材料，并抛光，表面粗糙度为1-10nm；
20.5)利用pecvd或lpcvd制备si3n4，作为支撑层，厚度为0.3-1μm；
21.6)利用磁控溅射工艺制备底电极，底电极材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm，并利用rie刻蚀工艺图形化；
22.7)利用磁控溅射工艺制备压电层，压电层材料为aln，厚度为1-2μm，表面粗糙度为1-10nm；
23.8)利用磁控溅射制备顶电极，顶电极材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm，并利用rie刻蚀工艺图形化；
24.9)利用icp干法刻蚀和tmah湿法腐蚀相结合的工艺，完成压电层的图形化；
25.10)利用离子束刻蚀工艺刻蚀牺牲层释放通孔；
26.11)使用腐蚀液或腐蚀气体移除牺牲层材料，形成空气腔室；
27.12)利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺制备封装盖帽的台阶；
28.13)将基底和封装盖帽键合在一起；
29.14)利用cmp工艺，减薄、抛光封装盖帽；
30.15)利用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在封装盖帽的背面刻蚀或腐蚀通孔；
31.16)在步骤15)获得的通孔内填充金属种子层；
32.17)利用电镀工艺在通孔内填充通孔金属，并对表面进行减薄抛光；
33.18)干法刻蚀或湿法腐蚀基底底部，形成背部凹槽；
34.19)干法刻蚀去除封装盖帽多余材料，露出压电振荡堆的底电极。
35.相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
36.本发明提出的基于fbar结构的压力传感器，可通过对基底的背部凹槽施加压力，
引起基底正面压电振荡堆的形变，从而改变压电振荡堆的输出频率，实现了机械信号转换为电信号，具有量程小、灵敏度高、温度稳定性好、机械强度高、响应速度快、可用于无线信号传输等优点。
附图说明
37.图1为基于fbar结构的压力传感器的结构示意图。
38.图2为基于fbar结构的压力传感器的加工工艺流程图。
39.图3为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤1)加工后的基底的结构示意图。
40.图4为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤2)加工后的基底的结构示意图。
41.图5为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤3)加工后的基底的结构示意图。
42.图6为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤4)加工后的基底的结构示意图。
43.图7为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤5)加工后的基底的结构示意图。
44.图8为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤6)加工后的基底的结构示意图。
45.图9为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤7)加工后的基底的结构示意图。
46.图10为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤8)加工后的基底的结构示意图。
47.图11为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤11)加工后的基底的结构示意图。
48.图12为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤12)加工后的封装盖帽结构示意图。
49.图13为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤13)加工后的传感器的结构示意图。
50.图14为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤14)加工后的传感器的结构示意图。
51.图15为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤15)加工后的传感器的结构示意图。
52.图16为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤16)加工后的传感器的结构示意图。
53.图17为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤17)加工后的传感器的结构示意图。
54.图18为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤18)加工后的传感器的结构示意图。
55.图19为基于fbar结构的压力传感器的制备方法步骤19)加工后的传感器的结构示意图。
56.附图标记注释：1-基底、2-绝缘层、3-支撑层、4-底电极、5-压电层、6-顶电极、7-封装盖帽、8-金属种子层、9-通孔金属、10-空气腔室、11-背部凹槽。
具体实施方式
57.以下实施例会结合附图对本发明进行详述，在附图或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在实际应用中，各部件的形状、厚度或高度可扩大或缩小。本发明所列举的各实施例仅用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。对本发明所作的任何显而易知的修饰或变更都不脱离本发明的精神与范围。
58.实施例1
59.请参阅图1，本发明实施例中，一种基于fbar结构的压力传感器，包括基底1，优选地，所述基底采用高阻(100)晶向的硅片，所述基底1顶部开设有凹槽，凹槽深度为1-30μm，所述基底1表面覆盖有绝缘层2，优选地，所述绝缘层2材质采用sio2、si3n4等；进一步地，所述绝缘层2材质为利用lpcvd或热氧氧化工艺制备sio2，绝缘层2厚度为0.3-0.6μm；所述绝缘层2与基底1顶部凹槽包围形成空气腔室10；所述绝缘层2上覆盖有支撑层3，优选地，所述支撑层3材质为利用pecvd或lpcvd制备si3n4，支撑层3厚度为0.3-1μm；所述支撑层3上设置有压电振荡堆，所述压电振荡堆呈三明治结构，压电振荡堆从下往上依次包括底电极4、压电层5和顶电极6；所述底电极4覆盖于支撑层3上；优选地，底电极4和顶电极6材料采用ti、pt、al、mo、aμ等；压电层5采用aln、alscn、zno、pzt、linbo3、litao3等压电材料；进一步地，所述底电极4材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm；所述压电层5材料为aln，厚度为1-2μm，表面粗糙度为1-10nm；所述顶电极6材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm；所述基底1底部还开设有背部凹槽11；
60.还包括封装盖帽7，封装盖帽7键合安装于基底1顶部；优选地，所述封装盖帽7与基底1之间采用圆片直接键合或带中间材料的圆片键合等，所述封装盖帽7材料采用si或玻璃等；所述封装盖帽7宽度小于基底1宽度，底电极4电信号引出端暴露在封装盖帽7外；所述封装盖帽7底部设置有容纳压电层5和顶电极6的凹槽；所述封装盖帽7上还开设有上下贯穿的通孔，通孔内壁覆盖有金属种子层8，通孔内还填充有通孔金属9，优选地，所述通孔金属9材料采用ti、cμ或w等。
61.上述传感器可通过对基底1的背部凹槽11施加压力，引起基底1正面压电振荡堆的形变，从而改变压电振荡堆的输出频率，实现了机械信号转换为电信号，具有量程小、灵敏度高、温度稳定性好、机械强度高、响应速度快、可用于无线信号传输等优点。
62.实施例2
63.请参阅图2～19，在实施例1的基础上，上述基于fbar结构的压力传感器的制备方法，包括基底工艺、封装盖帽工艺、基底与封装盖帽键合、封装盖帽减薄、在封装盖帽上制备通孔、填充通孔、基底底部制备凹槽和刻蚀封装盖帽露出压电振荡堆底电极；基底工艺包括基底顶部制备凹槽、制备绝缘层、填充牺牲层材料、牺牲层减薄抛光、制备压电堆；封装盖帽工艺包括制备台阶；具体包括以下步骤：
64.1)在高阻(100)晶向的硅片基底1顶部湿法腐蚀凹槽，深度为1-30μm；
65.2)利用lpcvd或热氧氧化工艺制备sio2作为绝缘层2，厚度为0.3-0.6μm；
66.3)在凹槽内填充psg或ni做为牺牲层；
67.4)利用cmp工艺减薄牺牲层材料，并抛光，表面粗糙度为1-10nm；
68.5)利用pecvd或lpcvd制备si3n4，作为支撑层3，厚度为0.3-1μm；
69.6)利用磁控溅射工艺制备底电极4，底电极4材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm，并利用rie刻蚀工艺图形化；
70.7)利用磁控溅射工艺制备压电层5，压电层5材料为aln，厚度为1-2μm，表面粗糙度为1-10nm；
71.8)利用磁控溅射制备顶电极6，顶电极6材料为mo，厚度为100-200nm，表面粗糙度为1-10nm，并利用rie刻蚀工艺图形化；
72.9)利用干法刻蚀、湿法腐蚀或干湿法相结合的工艺，完成压电层5的图形化；
73.10)利用离子束刻蚀工艺刻蚀牺牲层释放通孔；
74.11)使用腐蚀液或腐蚀气体移除牺牲层材料，形成空气腔室10；
75.12)利用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺制备封装盖帽7的台阶；
76.13)将基底1和封装盖帽7键合在一起；
77.14)利用cmp工艺，减薄、抛光封装盖帽7；
78.15)利用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，在封装盖帽7的背面刻蚀或腐蚀通孔；
79.16)在步骤15)获得的通孔内填充金属种子层8；
80.17)利用电镀工艺在通孔内填充通孔金属9，并对表面进行减薄抛光；
81.18)干法刻蚀或湿法腐蚀基底1底部，形成背部凹槽11；
82.19)干法刻蚀去除封装盖帽多余材料，露出压电振荡堆的底电极4。
83.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
84.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。