一种谐振式压力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及压力传感器，尤其涉及一种谐振式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、压力传感器在航空航天、智能制造、汽车电子等领域中扮演着重要角色，其用于准确测量气体或液体中的压力参数。如在汽车电子领域，压力传感器在汽车工程中起到至关重要的作用，特别是在汽车胎压监测系统（tire pressure monitoring system, tpms）中的应用。

2、传统电容式压力传感器通过检测压缩或拉伸电容膜片引起形变所产生的电信号来测量外界压力，但膜片在长期压缩和拉伸的情况下难以延长使用寿命。微机械电子系统( microelectromechanical systems, mems)谐振式压力传感器具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点。

3、当前，多数谐振式硅微机械压力传感器采用梁膜一体化设计，其谐振器通过锚点固定在压力敏感膜表面。当外部压力作用于其上时，压力敏感膜发生变形，并将产生的应力传递至谐振器。在应力的影响下，谐振器的固有频率发生变化，通过监测频率的变化，可以间接测量压力的大小。而压力敏感膜片需要低压密封封装，且在工作中承受较大应力，导致器件的使用寿命和稳定性较差。此外，需要额外的校准程序来确定环境的绝对压力水平。与此同时，当前谐振式压力传感器的测量灵敏度仍然较低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种谐振式压力传感器及其制备方法，以提高器件的使用寿命、稳定性和测量灵敏度，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。

2、根据本发明的一方面，提供了一种谐振式压力传感器，包括：

3、依次层叠设置的基底层、第一电极层、压电层和第二电极层；

4、基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；

5、器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内，第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；

6、第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层和压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数。

7、可选的，空腔结构包括第四区域、第五区域和第六区域；其中，第五区域在衬底层的垂直投影的形状为拱形，第四区域和第六区域位于拱形的两个端部；

8、第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第四区域内，第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第六区域内；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影位于第五区域内，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为弧形；垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构邻近第五区域的一侧和第二谐振器结构邻近第五区域的一侧；

9、优选的，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。

10、可选的，空腔结构在衬底层的垂直投影的形状为拱形；

11、第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的长度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构和第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影均位于拱形的两个端部，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为弧形；

12、垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构远离第二谐振器结构的一侧和第二谐振器结构远离第一谐振器结构的一侧；或者，垂直立式膜的两端分别连接第一谐振器结构邻近第二谐振器结构的一侧和第二谐振器结构邻近第一谐振器结构的一侧；

13、优选的，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆的圆弧形。

14、可选的，空腔结构包括第七区域、第八区域和第九区域；其中，第八区域为圆角矩形区域，第七区域和第九区域位于第八区域的两侧；

15、第一谐振器结构和第二谐振器结构以与谐振器结构的宽度方向平行的中心线为对称轴对称设置；第一谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第七区域内，第二谐振器结构在衬底层上的垂直投影位于第九区域内；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影位于第八区域内，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的形状为半圆形或者半椭圆形的弧形；垂直立式膜分别连接第一谐振器结构邻近第八区域的一侧和第二谐振器结构邻近第八区域的一侧。

16、可选的，第二电极层包括第一叉指电极、第二叉指电极、第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极；

17、第一叉指电极位于第一谐振器结构内，第二叉指电极位于第二谐振器结构内，第一端口电极、第二端口电极和第三端口电极位于第二区域；

18、第一叉指电极包括第一连接部和与第一连接部连接的两个第一叉指，以及第一中间电极；第一中间电极位于两个第一叉指之间；第二叉指电极包括第二连接部和第二连接部连接的两个第二叉指，以及第二中间电极；第二中间电极位于两个第二叉指之间；第一连接部通过第三连接部与第一端口电极相连，第二连接部通过第四连接部与第三端口电极相连，第一中间电极和第二中间电极通过第五连接部与第二端口电极相连；第一端口电极为输入电极，第二端口电极为第一输出电极，第三端口电极为第二输出电极。

19、可选的，谐振式压力传感器还包括：

20、温度补偿层，温度补偿层位于第二电极层远离压电层的一侧，温度补偿层覆盖第二电极层以及第二电极层未覆盖的压电层。

21、可选的，第一谐振器结构和第二谐振器结构的长度范围为100μm-200μm，宽度范围为40μm-60μm；

22、n的范围为2-4，n优选为正整数，垂直立式膜的宽度范围为2-5μm。

23、可选的，衬底层厚度范围为300μm -600μm；

24、埋氧层厚度范围为1μm -2μm；

25、器件层厚度范围为10μm -30μm；

26、第一电极层和第二电极层的厚度范围为100nm -200nm；

27、压电层的厚度范围为0.5μm -2μm。

28、可选的，第一电极层和第二电极层的材料包括铂、钼、金和钨中的任意一种；

29、压电层的材料包括氮化铝、pzt、氧化锌、铌酸锂中的任意一种。

30、根据本发明的另一方面，提供了一种谐振式压力传感器的制备方法，包括：

31、形成基底材料层；其中，基底材料层包括依次层叠设置的衬底材料层、埋氧材料层和器件材料层；

32、在基底材料层邻近器件材料层的一侧依次形成层叠设置的第一电极材料层、压电材料层和第二电极材料层；

33、图案化第二电极材料层、压电材料层、第一电极材料层和器件材料层形成第二电极层、压电层、第一电极层和器件层；其中，器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧材料层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜的在衬底材料层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层、压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底材料层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数；

34、刻蚀衬底材料层和埋氧材料层形成衬底层和埋氧层；衬底层、埋氧层和器件层即为基底层；其中，基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内。

35、本发明实施例技术方案提供的谐振式压力传感器包括：依次层叠设置的基底层、第一电极层、压电层和第二电极层；基底层包括依次层叠设置的衬底层、埋氧层和器件层，器件层位于埋氧层邻近第一电极层的一侧；衬底层包括第一通孔，埋氧层包括第二通孔，第二通孔在衬底层的垂直投影与第一通孔重合；第一通孔和第二通孔即为空腔结构；器件层、第一电极层、压电层和第二电极层均包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域通过第三区域与第二区域连接；第一区域和第三区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层在埋氧层的垂直投影位于空腔结构内，第二区域的器件层、第一电极层、压电层和第二电极层依次层叠设置在埋氧层的表面；且第一区域和第二区域之间存在空隙；第一区域包括第一谐振器结构和第二谐振器结构，以及连接第一谐振器结构和第二谐振器结构的垂直立式膜；垂直立式膜在衬底层上的垂直投影的形状为弧形；第一谐振器结构和第二谐振器结构均包括器件层、第一电极层、压电层和第二电极层，垂直立式膜包括器件层、第一电极层和压电层；第一谐振器结构和第二谐振器结构的尺寸相同，垂直立式膜在衬底层的垂直投影的弧长是第一谐振器结构的长度的n倍，n优选为正整数。本发明实施例通过第一谐振器结构和第二谐振器结构产生的体声波传播到垂直立式膜中时，垂直立式膜可以以拉伸或弯曲振动模式工作，当压力变化时，弯曲模式和拉伸模式的谐振频率的改变不同，通过监测弯曲模式和拉伸模式的谐振频率变化，可以实现绝对压力的精确测量，提高器件的测量灵敏度。由于无需低压密封封装的压力敏感膜片，可以提高器件使用寿命和稳定性。并且由于拉伸模式下的谐振频率对压力的改变不敏感，可以将拉伸模式作为参考，与弯曲模式的频率变化作比较，无需额外的校准程序，即可精确测量环境的绝对压力水平。

36、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。