[发明专利]膜片上FBAR结构的微压力传感器

说明书

技术领域

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)结构的微压力传感器，该结构的微压力传感器具有可制造性好、温度稳定性高、机械强度高、灵敏度高及线性度好等特点。

技术背景

微压力传感器是最重要的MEMS传感器之一，根据其工作原理，目前主要有电容式、压阻式及机械谐振式等结构。电容式和压阻式的微压力传感器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，很难满足中高精度压力测量的要求；而基于微机械谐振器的谐振式微压力传感器输出频率准数字信号，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。

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，结合典型的硅微力敏结构，可以构建一种新型的高频谐振式微压力传感器，满足国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天及医疗器械等领域对高灵敏度的微压力传感器的需求。微压力传感器的工作原理是：当压力作用于弹性膜片时，弹性膜片会变形，使得集成在弹性膜片上的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，可以实现压力的读出或测量。

文献“Weber.J，Link.M，Primig.R，Pitzer.D.Sensor for Ambient Pressure and Material Strains using a Thin Film Bulk Acoustic Resonator.Ultrasonics Symposium，2005，pp:1258-1261”报道了一种基于薄膜体声波谐振器的环境压力与材料应变传感器。对于文献中的环境压力传感器，其特征在于直接对硅衬底的背部进行刻蚀得到一层硅膜片，同时形成空腔，压力使膜片产生变形导致FBAR谐振频率的偏移。该方案的缺点是：一、直接用硅作为FBAR的支撑层，降低了FBAR的性能，将导致FBAR产生多个谐振模式的干扰。二、用硅作为膜片，工艺上不易实现，膜片的厚度不易掌握，膜片太厚会使器件的灵敏度降低、太薄则会使器件的结构强度降低。

厦门大学公开了一种岛膜自封装结构的硅-玻璃微压力传感器，公开号为CN103278270A，该发明的特征在于感压薄膜为正面岛膜复合结构，在复合结构的应力最大的集中区设置4个压敏电阻，4个压敏电阻通过金属电极构成惠斯登电桥，通过硅-玻璃键和工艺将电桥密封于绝压腔内，使惠斯登电桥不受外界酸碱环境、粉尘等恶劣条件的影响，保证了器件的密闭性，提高了器件的寿命。该方案的主要缺点是：一、在制作压敏电阻时的掺杂浓度不易控制，这不利于精确控制压敏电阻的阻值并且会对灵敏度产生影响；二、压敏电阻的灵敏度低，不能满足中高精度压力测量的要求。三、压敏电阻的温度依赖性较强。

西北工业大学公开了一种基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器，公开号为CN101614604A，该发明的特征在于通过梳齿电容间的静电激励、电容检测原理得到微机械谐振器与外界压力相关的固有频率信号来检测压力。该方案的主要缺点是：一、该种压力传感器具有复杂的微机械结构，制造复杂。二、驱动与检测模式的耦合等易导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。三、基于这种梳齿结构的压力传感器，工作频率不高，不能满足高频领域压力传感器的应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，膜片上FBAR结构中，膜片用于将待测的压力转换为作用于FBAR的应变；FBAR作为一种电声谐振器，则用于将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f₀的偏移。膜片上FBAR结构的微压力传感器具有高灵敏度、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(f₀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，引线的分布较为灵活，且采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成弹性膜片；膜片上FBAR结构的微压力传感器，可望满足国防工业、汽车工业、石油工业、航空航天及医疗器械等领域对高灵敏度的微压力传感器的需求。