[发明专利]基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器

说明书

本发明属于微电子器件领域，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，包括硅衬底，硅衬底上表面淀积绝缘层，绝缘层上表面沉积布拉格反射层，布拉格反射层上表面淀积有底电极，AlN压电薄膜设置在底电极和布拉格反射层上方，AlN压电薄膜上表面设置有与底电极形状相同、位置对应的顶电极，压电薄膜上表面还设置有淀积4个微压力敏感层，微压力敏感层对称设置在压电薄膜的边缘处，且与顶电极错位设置，微压力敏感层上键合微压力施加层。本发明具有高Q值和高工作频率的优点，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，可以广泛应用于微压力传感器领域。

技术领域

本发明涉及一种FBAR微压力传感器，具体涉及一种基于厚度方向激励剪切波模式的FBAR微压力传感器，属于微电子器件领域。

背景技术

随着集成电路制作工艺的发展，薄膜体声波谐振器(FBAR)发展迅速。因为其品质因数高、谐振频率高、插入损耗低、检测精度高、与CMOS工艺兼容，相对体积小等优点。很好的满足了手持移动及穿戴设备的需求，因而其在移动通信领域中获得了广泛的商业应用。在此基础上，其应用于传感器领域的优越性正引起人们广泛的研究兴趣。

压力是最基本的物理量之一，无论是在日常生活中，还是在工业领域内，微压力传感器都被广泛使用。力学传感器种类繁多，如压阻式微压力传感器，电容式微压力传感器，电感式微压力传感器及谐振式微压力传感器。FBAR微压力传感器属于谐振式微压力传感器，其工作在GHz频段，因而具有高灵敏度以及高分辨率。未来在民用和军用电子设备中有广泛的应用前景。

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）。厚度方向剪切波模式FBAR的两个电极位于压电薄膜的两侧，电场方向为厚度方向，压电薄膜c轴取向与电场方向呈一定的夹角。相比于侧向场方向激励模式FBAR，厚度方向激励模式FBAR是电极-压电层-电极三明治结构，激发出来的体声波在电极与空气的交界面得到很好的反射，从而使体声波限制在FBAR的压电层中，即厚度方向激励剪切波模式的FBAR的能量损耗较小，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，提出了一种基于厚度方向激励剪切波模式的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。