膜片上fbar结构的微加速度计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR (薄膜体声波谐 振器，film bulk acoustic-wave resonators)结构的微加速度计，该结构的微加速度计具 有刚度高，模态间的交叉耦合小，灵敏度高及线性度好等特点。 技术背景
[0002] 微加速度计是最重要的MEMS传感器之一，目前主要采用电容、压阻、场效应晶体 管等检测原理，表头输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容、电磁干扰等因素 的影响，很难满足中高精度惯性测量的要求。基于微机械谐振器的谐振式微加速度计输出 频率为准数字信号，具有抗干扰能力强、分辨率和测量精度高，适合单片集成等优点，但复 杂的微机械结构、驱动与检测模式的耦合等易于导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。
[0003] 薄膜体声波谐振器（FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种 新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代微机械 谐振器，结合典型的硅微惯性力敏结构，可以构建一种新型的高频谐振式微加速度计，满足 目标探测、识别与控制系统对高灵敏度、低功耗、高可靠性、稳定性好的中高精度微加速度 计的需求。微加速度计的工作原理是：当惯性力作用于质量块时，带动支撑质量块的悬臂梁 变形，使得集成在悬臂梁上的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电 路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，实现惯性加速度的读出或测量。
[0004] 由全球高精度惯性器件领先制造商SEIKO EPSON的子公司EPSON Europe Electronics GmbH资助研宄的一种基于FBAR的射频谐振式微加速度计，该种微加速度计 提出了两种结构：FBAR-梁（FBAR-beam)结构和嵌入式FBAR (embedded-FBAR)结构，嵌入 式FBAR结构采用空腔型FBAR，微加工工艺复杂；FBAR-梁式结构，其特征在于采用通孔型 FBAR，FBAR即为微加速度计的检测元件，又作为微加速度计的悬臂梁。该方案的缺点是： 一、FBAR作为悬臂梁，器件的机械强度差，量程小；二、FBAR不具有温度补偿层，温度对FBAR 谐振频率影响大；三、由于采用传统的悬臂梁结构，引线的分布受梁宽的限制。四、由于整个 FBAR器件作为悬臂梁，惯性力作用时FBAR所受应力分布不均匀，导致微加速度计的检测误 差较大。四、采用悬臂梁式结构，一阶模态频率与其他阶模态频率相隔较近，容易模态间的 交叉耦合。
[0005] 中国科学院上海微系统与信息技术研宄所公开了公开号为CN101271124B，公开日 是2010年9月29日的中国发明专利文献，该文献涉及一种L形梁压阻式微加速度计及其 制作方法，该技术方案的特征在于弹性梁呈L形，每根L形梁上有两个阻值相等的压敏电阻 组成惠斯通电桥的单边应变电桥。该方案的主要缺点是：一、输出的信号为模拟信号，易受 外界环境影响，信号检测电路复杂；二、L形弹性梁的工艺制作复杂，需要在硅片上光刻出L 形弹性梁窗口，并通过干法刻蚀释放出L形弹性梁的结构。三、引线的分布受L形弹性梁梁 宽的限制；四、压敏电阻的灵敏度低，不能满足中高精度惯性测量的要求。
[0006] 北京航空航天大学公开了一种谐振式微机械加速度计，公开号为CN1844931A，该 发明的特征在于"回"字型质量块设计能过使元件在有限体积下实现较大的质量块，谐振梁 采用双端固定音叉的形式，并且通过细颈结构与外界连接，有效减小谐振梁和外围结构的 能量耦合。该方案的缺点是：一、该种微加速度计具有复杂的微机械结构，制造复杂。二、工 作在Hz的频率范围，不能满足高频领域微加速度计的应用。
【发明内容】
[0007] 本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种膜片上FBAR结构的微加速度计，该种 结构的微加速度计除了具有高灵敏度(在lOOkHz/g量级)、低功耗（FBAR具有低功耗的优 点)、高可靠性(避免了微机械谐振器中各种复杂的机/电失效模式)、制造性好(没有微机械 谐振器中运动形式复杂的精细可动结构、CMOS工艺兼容易于单片集成)、高工作频率（??在 GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，引线的分布不再 受梁宽的限制，一阶模态频率与其他阶相去甚远，模态间的交叉耦合小，且采用工艺较为简 单的背腔刻蚀工艺即可形成质量块与弹性膜片；膜片上FBAR结构的微加速度计，可能满足 目标探测、识别与控制系统对中高精度等级、高稳定性的微加速度计的需求。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 膜片上FBAR结构的微加速度计，其特征在于：包括惯性力敏结构、检测元件和复合薄 膜，复合薄膜用于连接惯性力敏结构和检测元件，惯性力敏结构位于复合薄膜的下方，检测 元件位于复合薄膜的上方；惯性力敏结构包括Si质量块、Si基座与空腔；Si质量块设置于 复合薄膜底部的中心区域，Si基座呈环状设置于复合薄膜底部的边沿区域，Si质量块、Si 基座与复合薄膜之间形成空腔，即Si基座包围Si质量块，Si质量块、Si基座被空腔隔开， Si质量块和空腔上面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线、焊盘， FBAR通过引线与焊盘连接。
[0009] 对于检测元件，进一步具体结构和连接关系为： 所述FBAR主要包括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片区域上 面，即压电振荡堆位于弹性膜片区域上面的应力集中；压电振荡堆由下到上依次包括底电 极、压电层、顶电极，底电极紧贴设置于弹性膜片区域上面，压电层底面的一部分紧贴底电 极上面，压电层底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆底电极侧面并延伸至紧贴弹 性膜片区域上面，顶电极底面的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性 膜片区域中心方向包覆压电层侧面并延伸至弹性膜片区域上面。
[0010] 所述FBAR的压电振荡堆的数量多1，形状为任意多边形；压电振荡堆固连在复合 膜片上的弹性膜片区域，即FBAR中的压电振荡堆位于正对于空腔上方的复合膜片之上。 [0011] 所述引线包括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘， FBAR的底电极通过底电极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电 极焊盘连接。
[0012] 所述检测元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：第一次：底电极、底电极 引线及底电极焊盘在底电极层进行沉积和图形化时形成；第二次：压电层在压电层进行沉 积和图形化时形成；第三次：顶电极、顶电极引线及顶电极焊盘在顶电极层进行沉积和图 形化时形成。底电极、顶电极位于弹性膜片区域之上，由于弹性膜片是一个连续、完整的平 面，底电极引线和顶电极引线可以在弹性膜片区域上灵活布线，底电极焊盘和顶电极焊盘 均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上面。
[0013] 对于惯性力敏结构，进一步的具体结构限定为： 所述Si质量块为X-Y平面内半径rl的圆的内切正多边形沿负Z轴方向垂直拉伸高度 hi后形成的立体，弹性膜片为半径r2、高度h2的圆盘，rl < r2 ;Si质量块位于弹性膜片下 方，两者固连为一体且两个立体的轴线重合；Si基座的高度h3为硅片的厚度，Si质量块的 高度hi小于Si基座的高度h3,从而为Si质量块提供一个高度为[0, [h3-hl]的运动范围。
[0014] 所述空腔是通过对硅衬底背面二次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底 背面图形化形成刻蚀窗口，通过刻蚀窗口第一次背面刻蚀确定Si质量块的高度与空腔的 形状；对第一次刻蚀后形成的具有凹槽的硅衬底进行第二次背面刻蚀，确定空腔的深度、Si 质量块的形状；Si基座、Si质量块形成后，Si基座、Si质量块和复合薄膜之