[发明专利]一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种FBAR微压力传感器，具体涉及一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS)制造技术的快速发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)在无线通信领域获得了广泛的商业应用。其具有相对体积小、插入损耗低、谐振频率高、品质因数高等优点。同时，由于其谐振频率高，因而具有优异的传感灵敏特性。鉴于薄膜体声波谐振器本身具有的这些优良特性，其在传感器领域的应用正引起人们广泛的研究兴趣。

微压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。按照原理划分，微压力传感器包括压阻式微压力传感器、电容式微压力传感器以及谐振式微压力传感器等。其中，FBAR微压力传感器属于谐振式微压力传感器的一种。相比于传统的压阻式压力传感器和电容式压力传感器，FBAR微压力传感器拥有更高的工作频率和品质因数，这意味着可以得到更高的分辨率和压力检测灵敏度。未来在石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、国防军工等行业有广泛的应用前景。

根据FBAR中体声波传播模式的不同，可以将FBAR器件分为纵波模式(longitudinal mode)和剪切波模式(shear mode)。通常剪切波声速大约是纵波声速的一半，这使得时变信号在给定瞬时能够在更小尺寸的晶体基片上完全呈现。故在相同的谐振频率下，剪切波模式的FBAR的尺寸要比纵波模式的FBAR的尺寸小很多；且由于纵波在液相环境中传输时衰减较大，剪切波模式的FBAR在液相环境中的Q值要比纵波模式的FBAR高，因此剪切波模式的FBAR体积更小、更适用于液相环境或粘性介质中的传感应用。

根据声波激励方式的不同，可以将剪切波模式FBAR器件分为厚度方向激励模式（TE，Thickness Excited）和侧向场激励模式（LFE，Lateral Field Excited）。其中侧向场激励剪切波模式FBAR的压电薄膜c轴取向与厚度方向一致，但其电极位于压电薄膜的同一侧，即电场方向与压电层方向厚度方向垂直。相比于厚度方向激励模式FBAR，侧向场激励模式FBAR的制作工艺简单，且由于无需控制压电材料c轴取向倾斜角度，工艺重复性比需要压电材料c轴倾斜生长的厚度场激励模式要好。综上所述，侧向场激励剪切波模式的FBAR具有众多的优点，未来在传感器领域内有着很广泛的应用前景。

中国工程物理研究院电子工程研究所公布了一种膜片上FBAR结构的微压力传感器，公布号为CN104614099A，该发明的特征在于采用了膜片上FBAR结构，结构集成了力敏结构、检测元件和复合薄膜。FBAR作为一种电声谐振器，将感受到的应变转换为FBAR谐振频率f₀的偏移来检测压力。该方案的缺点是：一、该微压力传感器采用的是背部刻蚀型的结构，该结构因采用MEMS的体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分硅材料，势必影响器件的机械牢固度，虽然设置了低应力的支撑层，但大幅度降低了成品率。二、该微压力传感器采用的是三明治结构的纵波模式，纵波在液相环境或粘性介质中衰减较大，采用纵波模式局限了FBAR微压力传感器的应用领域和场合。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的不足，提出了一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。这种FBAR微压力传感器具有高Q值和高工作频率，同时还具有高分辨率、高灵敏度、低能耗、高牢固性、低成本的特点，并能够在封闭环境、液相环境或粘性介质中的环境中工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明为一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器。一种基于侧向场激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，其特征在于，包括硅衬底、支撑层、空气隙、AlN压电薄膜、双电极层、接地层、微压力敏感层、微压力施加层。

所述硅衬底上表面采用硅表面刻蚀工艺与所述AlN压电薄膜间形成空气隙，在所述硅衬底上表面淀积一层支撑层连接所述AlN压电薄膜，所述AlN压电薄膜上表面为双电极层和所述接地层，所述接地层上表面淀积4个所述微压力敏感层，所述微压力敏感层上键合所述微压力施加层。采用空气隙型结构能很好地将声波限制于压电薄膜之内，获得较高的Q值；且机械牢固度相比于硅片背面刻蚀型结构也得到了有效的提升。

进一步，所述AlN压电薄膜的c轴取向与厚度方向一致，降低了AlN压电薄膜倾斜角度在制备过程中的误差对传感器性能产生的影响。