膜片上FBAR结构的微压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了膜片上FBAR结构的微压力传感器，包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，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；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座位于复合薄膜底部的边沿区域，Si基座的中间挖空，挖空部分与复合薄膜之间形成为空腔，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、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；本发明专利技术具有可制造性好、温度稳定性高、机械强度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
膜片上FBAR结构的微压力传感器
本专利技术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，filmbulkacoustic-waveresonators)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-filmbulkacousticwaveresonators)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.SensorforAmbientPressureandMaterialStrainsusingaThinFilmBulkAcousticResonator.UltrasonicsSymposium，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，该专利技术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，该专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，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；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，即Si基座与复合薄膜围起来的区域，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。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区；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧贴弹性膜片区域上，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弹性膜片区域上，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。所述FBAR的压电振荡堆的数量≥1，形状为任意多边形；压电振荡堆固连在复合薄膜上的弹性膜片区域，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。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。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。对于力敏结构，进一步的具体结构限定为：所述弹性膜片区域为具有一定厚度的圆盘，Si基座的高度即为硅衬底的厚度。所述空腔是通过硅衬底背面一次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底背面图形化形成刻蚀窗口，通过刻蚀窗口一次背面刻蚀即确定空腔的深度和形状；Si基座形成后，Si基座和复合薄膜之间的空间构成空腔。所述空腔的顶面是力敏结构中的弹性膜片区域，同时又用于形成FBAR的声波反射界面。为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的压电振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似等于零，可以作为良好的声波反本文档来自技高网...

【技术保护点】
膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，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；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。

【技术特征摘要】
1.膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，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；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；所述复合薄膜包括SiO2层和Si3N4层，SiO2层与Si基座连接，Si3N4层位于SiO2层上面；所述FBAR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，弹性膜片区域为复合薄膜的应力集中部分；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。2.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述FBAR的压电振荡堆的数量≥1。3.根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：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。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杨，尹汐漾，何婉婧，韩宾，李君儒，蔡洵，赵俊武，赵坤丽，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51