一种面向无线传感的微型圆盘谐振器及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种面向无线传感的微型圆盘谐振器及其加工方法，本发明专利技术的微型圆盘谐振器包括SOI基底，以及集成在SOI基底上的平面螺旋电感和圆盘谐振体；所述圆盘谐振体与平面螺旋电感耦合连接，使得所述圆盘谐振体的频率信息通过互感效应输出到外部检测电路，实现无线传输。本发明专利技术通过在同一硅片上集成平面螺旋电感与圆盘型压电谐振器，使得圆盘谐振器的频率信息通过互感效应输出到外部检测电路，通过外部电路无线读取圆盘谐振器的频率信息的变化来实现监测被测物质量的目的，进而实现该器件无线传感的目的。无线传感的目的。无线传感的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种面向无线传感的微型圆盘谐振器及其加工方法


[0001]本专利技术属于射频微机电
，具体涉及一种面向无线传感的微型圆盘谐振器及其加工方法。

技术介绍

[0002]基于压电效应的微型谐振传感器，包括薄膜体声波谐振器(Thin
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Film Bulk Acoustic Wave Resonator,FBAR)和兰姆波谐振器(Lamb Wave Resonator,LWR)，已被广泛研究并应用于化学传感器(例如天然气测量)，生物传感器(例如病毒检测)，压力传感器(例如天然气压力传感)，以及食品安全监测传感器(例如用于监控葡萄酒生产过程中的发酵过程)。另外，由于微型压电谐振器对附着质量的高度敏感性，它们可用于需要极高分辨率的医学检测传感器，例如检测蛋白质结合和DNA测序。微型压电谐振器有许多独特的优点，如较小的尺寸(微米至毫米级别)、制造工艺与COMS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)电路加工工艺兼容、功耗低、对附着在谐振器上的被测物的质量非常敏感。另外，微型压电谐振传感器的输出信号为拥有特定频率的信号。该频率的大小受到附着在谐振器上的被测物质量的影响。与输出拥有特定幅度的信号相比，输出拥有特定频率的方式使得谐振传感器的抗干扰能力更强，分辨率更高。同时，输出的频率信号易于数字电路处理，大幅降低了外围电路设计的难度。与FBAR和LWR等采用矩形形状的压电谐振器相比，圆盘型压电谐振器在HF频段(3
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30MHz)工作时有着显著的优势。在相同性能水平的前提下，圆盘型谐振器的尺寸要远小于矩形谐振器的尺寸。这一特点使得圆盘型谐振器更适合用作微型传感器。
[0003]目前，大多数微型谐振传感器都是通过导线进行电气连接。在一些特殊应用场合，如需要植入人体的生物医学传感和分布式网络传感等应用领域，使用通过导线连接的传感器往往带来许多问题，使得传感器的设计和加工方案变得十分复杂。因此，设计针对微型压电谐振器的无线传感方案拥有重要意义。另外，在赋予压电谐振传感器无线传感功能的同时，保证器件的微型尺寸也是一个设计难点。

技术实现思路

[0004]为了解决现有微型谐振传感器技术中存在的问题，本专利技术提供了一种面向无线传感的微型圆盘谐振器。本专利技术通过在同一硅片上集成平面螺旋电感与圆盘型压电谐振器，使得圆盘谐振器的频率信息通过互感效应传输到外部检测电路，实现无线传感的目的。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，包括SOI基底，以及集成在SOI基底上的平面螺旋电感和圆盘谐振体；
[0007]所述圆盘谐振体与平面螺旋电感耦合连接，使得所述圆盘谐振体的频率信息通过互感效应输出到外部检测电路，实现无线传输。
[0008]优选的，本专利技术的圆盘谐振体悬空放置于所述SOI基底顶端中心，所述平面螺旋电
感设置于所述SOI基底顶端边缘。
[0009]优选的，本专利技术的圆盘谐振体包括输入/输出金属电极、接地金属电极以及位于所述输入/输出金属电极和接地金属电极下面的压电薄膜；
[0010]所述输入/输出金属电极由两片扇形金属电极通过金属引线电气连接，并通过金属引线与输入/输出金属电极盘电气连接而成；
[0011]所述接地金属电极由两片扇形金属电极通过弧形金属引线电气连接，并通过金属引线与接地电极盘电气连接而成；
[0012]所述圆盘谐振体通过输入/输出金属电极盘与所述平面螺旋电感的输入金属电感电极盘电气连接；
[0013]所述圆盘谐振体通过接地金属电极盘与所述平面螺旋电感的输出金属电感电极盘电气连接。
[0014]优选的，本专利技术的输入/输出金属电极盘通过跳线与所述输入金属电感电极盘电气连接；
[0015]所述接地金属电极盘通过跳线与所述输出金属电感电极盘电气连接。
[0016]优选的，本专利技术的SOI基底由下到上依次包括：衬底硅、第一埋氧化层、以及位于顶层的掺杂硅；
[0017]所述位于顶层的掺杂硅包括中心顶层掺杂硅和边缘顶层掺杂硅，且所述中心顶层掺杂硅和边缘顶层掺杂硅电气不相通；
[0018]所述圆盘谐振体悬空安装于所述中心顶层掺杂硅上，所述平面螺旋电感安装于所述边缘顶层掺杂硅上。
[0019]优选的，本专利技术的输入/输出金属电极与所述中心顶层掺杂硅之间设置有第二埋氧化层进行电气隔离。
[0020]优选的，本专利技术的第一埋氧化层和第二埋氧化层的材料均采用二氧化硅，所述第一埋氧化层的厚度为1.05μm，所述第二埋氧化层的厚度为0.2μm。
[0021]优选的，本专利技术的压电薄膜的材料采用氮化铝，所述压电薄膜303的厚度为0.5μm。
[0022]优选的，本专利技术的输入/输出金属电极盘、接地金属电极盘与金属引线的材料均为金属铝薄膜，厚度均为2μm。
[0023]另一方面，本专利技术还提出了一种如本专利技术所述的微型圆盘谐振器的加工方法，包括以下步骤：
[0024]S1，选用晶向<100>的SOI晶圆基板，该基板具有405μm厚度的衬底硅层、1.05μm厚度的第一埋氧化层以及11μm厚度的顶层掺杂硅，顶层掺杂磷离子后的掺杂硅作为导电层，中心掺杂硅构成圆盘谐振体的接地层，平面螺旋电感基底由边缘掺杂硅通过光刻技术得到；
[0025]S2，在中心掺杂硅上生长出0.2μm的二氧化硅氧化层，通过光刻技术，得到圆盘谐振体的输入/输出金属电极与中心顶层掺杂硅之间的第二埋氧化层；
[0026]S3：通过溅射工艺在中心顶层掺杂硅位置沉积0.5μm的氮化铝压电薄膜；
[0027]S4：通过光刻工艺得到平面螺旋电感和金属电极以及引线的形状；
[0028]S5：利用光刻技术在SOI层得到圆盘谐振体以及平面螺旋电感基底的形状；
[0029]S6：在晶片上端涂覆聚酰亚胺涂层，将聚酰亚胺作为上端保护层；
[0030]S7：将晶片翻转，首先通过光刻技术确定底部沟槽的形状，利用反应离子刻蚀去除底部第一埋氧化层，然后利用深反应离子刻蚀来完全刻蚀整个衬底硅，在刻蚀到第一埋氧化层时停止；
[0031]S8：使用干法蚀刻工艺剥离正面的聚酰亚胺涂层。
[0032]本专利技术具有如下的优点和有益效果：
[0033]1、本专利技术将平面螺旋电感与微型圆盘谐振器集成在同一芯片上，实现压电谐振传感器无线传感功能的同时，也保证了器件的微小尺寸和可进行大批量生产制造的能力。
[0034]2、本专利技术通过平面螺旋电感无线传输圆盘谐振器的频率信息。采用用频率信号而非幅度信号作为信息的载体，易于外部数字电路的处理，降低了电路设计的复杂性。
附图说明
[0035]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：
[0036]图1本专利技术提供的面向无线传感的微型圆盘谐振器的三维结构图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，其特征在于，包括SOI基底(2)，以及集成在SOI基底(2)上的平面螺旋电感(7)和圆盘谐振体(3)；所述圆盘谐振体(3)与平面螺旋电感(7)耦合连接，使得所述圆盘谐振体(3)的频率信息通过互感效应输出到外部检测电路，实现无线传输。2.根据权利要求1所述的一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，其特征在于，所述圆盘谐振体(3)悬空放置于所述SOI基底(2)顶端中心，所述平面螺旋电感(7)设置于所述SOI基底(2)顶端边缘。3.根据权利要求2所述的一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，其特征在于，所述圆盘谐振体(3)包括输入/输出金属电极、接地金属电极以及位于所述输入/输出金属电极和接地金属电极下面的压电薄膜(303)；所述输入/输出金属电极由两片扇形金属电极(301)通过金属引线电气连接，并通过金属引线与输入/输出金属电极盘(1)电气连接而成；所述接地金属电极由两片扇形金属电极(302)通过弧形金属引线电气连接，并通过金属引线与接地电极盘(4)电气连接而成；所述圆盘谐振体(3)通过输入/输出金属电极盘(1)与所述平面螺旋电感(7)的输入金属电感电极盘(601)电气连接；所述圆盘谐振体(3)通过接地金属电极盘(4)与所述平面螺旋电感(7)的输出金属电感电极盘(602)电气连接。4.根据权利要求3所述的一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，其特征在于，所述输入/输出金属电极盘(1)通过跳线与所述输入金属电感电极盘(601)电气连接；所述接地金属电极盘(4)通过跳线与所述输出金属电感电极盘(602)电气连接。5.根据权利要求3所述的一种面向无线传感的微型圆盘谐振器，其特征在于，所述SOI基底(2)由下到上依次包括：衬底硅(204)、第一埋氧化层(203)、以及位于顶层的掺杂硅；所述位于顶层的掺杂硅包括中心顶层掺杂硅(201)和边缘顶层掺杂硅(202)，且所述中心顶层掺杂硅(201)和边缘顶层掺杂硅(202)电气不相通；所述圆盘谐振体(3)悬空安装于所述中心顶层掺杂硅(201)上，所述平面螺旋电感(7)安装于所述边缘顶层掺杂硅(20...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂程，李飞龙，陈剑南，李良原，魏玉淼，张晓升，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：