膜片上fbar結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)器件領(lǐng)域，具體涉及一種膜片上FBAR(薄膜體聲波諧 振器，filmbulkacoustic-waveresonators)結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器，該結(jié)構(gòu)的微壓力傳感 器具有可制造性好、溫度穩(wěn)定性高、機(jī)械強(qiáng)度高、靈敏度高及線性度好等特點(diǎn)。 技術(shù)背景
[0002] 微壓力傳感器是最重要的MEMS傳感器之一，根據(jù)其工作原理，目前主要有電容 式、壓阻式及機(jī)械諧振式等結(jié)構(gòu)。電容式和壓阻式的微壓力傳感器輸出微弱的模擬信號(hào)，容 易受到環(huán)境溫度、寄生電容、電磁干擾等因素的影響，很難滿足中高精度壓力測(cè)量的要求； 而基于微機(jī)械諧振器的諧振式微壓力傳感器輸出頻率準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，具有抗干擾能力強(qiáng)、分 辨率和測(cè)量精度高、適合單片集成等優(yōu)點(diǎn)，但復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)模式的耦合等 易于導(dǎo)致器件可靠性、穩(wěn)定性等方面的問題。
[0003]薄膜體聲波諧振器（FBAR，thin-filmbulkacousticwaveresonators)是一種 新型的微型電聲諧振器，具有高靈敏度、高工作頻率和低功耗等特點(diǎn)。以FBAR替代微機(jī)械 諧振器，結(jié)合典型的硅微力敏結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建一種新型的高頻諧振式微壓力傳感器，滿足國 防工業(yè)、汽車工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天及醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)Ω哽`敏度的微壓力傳感器的需 求。微壓力傳感器的工作原理是：當(dāng)壓力作用于彈性膜片時(shí)，彈性膜片會(huì)變形，使得集成在 彈性膜片上的FBAR產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致FBAR諧振頻率偏移；利用適當(dāng)?shù)纳漕l電路或矢量網(wǎng)絡(luò)分 析儀測(cè)量FBAR的諧振頻率偏移，可以實(shí)現(xiàn)壓力的讀出或測(cè)量。
[0004]文獻(xiàn)"Weber.J，Link.M，Primig.R，Pitzer.D.SensorforAmbientPressure andMaterialStrainsusingaThinFilmBulkAcousticResonator.Ultrasonics Symposium，2005,pp: 1258-1261"報(bào)道了一種基于薄膜體聲波諧振器的環(huán)境壓力與材料應(yīng) 變傳感器。對(duì)于文獻(xiàn)中的環(huán)境壓力傳感器，其特征在于直接對(duì)硅襯底的背部進(jìn)行刻蝕得到 一層硅膜片，同時(shí)形成空腔，壓力使膜片產(chǎn)生變形導(dǎo)致FBAR諧振頻率的偏移。該方案的缺 點(diǎn)是：一、直接用硅作為FBAR的支撐層，降低了FBAR的性能，將導(dǎo)致FBAR產(chǎn)生多個(gè)諧振模 式的干擾。二、用硅作為膜片，工藝上不易實(shí)現(xiàn)，膜片的厚度不易掌握，膜片太厚會(huì)使器件的 靈敏度降低、太薄則會(huì)使器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。
[0005] 廈門大學(xué)公開了一種島膜自封裝結(jié)構(gòu)的硅-玻璃微壓力傳感器，公開號(hào)為 CN103278270A，該發(fā)明的特征在于感壓薄膜為正面島膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，在復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大 的集中區(qū)設(shè)置4個(gè)壓敏電阻，4個(gè)壓敏電阻通過金屬電極構(gòu)成惠斯登電橋，通過硅-玻璃鍵 和工藝將電橋密封于絕壓腔內(nèi)，使惠斯登電橋不受外界酸堿環(huán)境、粉塵等惡劣條件的影響， 保證了器件的密閉性，提高了器件的壽命。該方案的主要缺點(diǎn)是：一、在制作壓敏電阻時(shí)的 摻雜濃度不易控制，這不利于精確控制壓敏電阻的阻值并且會(huì)對(duì)靈敏度產(chǎn)生影響；二、壓敏 電阻的靈敏度低，不能滿足中高精度壓力測(cè)量的要求。三、壓敏電阻的溫度依賴性較強(qiáng)。
[0006] 西北工業(yè)大學(xué)公開了一種基于滑膜差動(dòng)結(jié)構(gòu)的硅諧振式壓力傳感器，公開號(hào)為 CN101614604A，該發(fā)明的特征在于通過梳齒電容間的靜電激勵(lì)、電容檢測(cè)原理得到微機(jī)械 諧振器與外界壓力相關(guān)的固有頻率信號(hào)來檢測(cè)壓力。該方案的主要缺點(diǎn)是：一、該種壓力傳 感器具有復(fù)雜的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，制造復(fù)雜。二、驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)模式的耦合等易導(dǎo)致器件可靠性、 穩(wěn)定性等方面的問題。三、基于這種梳齒結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，工作頻率不高，不能滿足高頻 領(lǐng)域壓力傳感器的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)缺陷，提供了一種膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器，膜 片上FBAR結(jié)構(gòu)中，膜片用于將待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換為作用于FBAR的應(yīng)變；FBAR作為一種電聲 諧振器，則用于將感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為FBAR諧振頻率&的偏移。膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微壓 力傳感器具有高靈敏度、低功耗（FBAR具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)）、高可靠性（避免了微機(jī)械諧振 器中各種復(fù)雜的機(jī)/電失效模式）、制造性好（沒有微機(jī)械諧振器中運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜的精細(xì)可 動(dòng)結(jié)構(gòu)、CMOS工藝兼容易于單片集成）、高工作頻率（&在GHz量級(jí)），還能改善溫度對(duì)FBAR 靈敏度的影響，增加了器件的機(jī)械強(qiáng)度，引線的分布較為靈活，且采用工藝較為簡(jiǎn)單的背腔 刻蝕工藝即可形成彈性膜片；膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器，可望滿足國防工業(yè)、汽車 工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天及醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)Ω哽`敏度的微壓力傳感器的需求。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] 膜片上FBAR結(jié)構(gòu)的微壓力傳感器，其特征在于：包括力敏結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件和復(fù)合 薄膜，復(fù)合薄膜用于連接力敏結(jié)構(gòu)和檢測(cè)元件，力敏結(jié)構(gòu)位于復(fù)合薄膜的下方，檢測(cè)元件位 于復(fù)合薄膜的上方；力敏結(jié)構(gòu)包括Si基座和空腔；Si基座沿復(fù)合薄膜底部的邊沿區(qū)域一圈 設(shè)置，Si基座圍繞的中空部分與復(fù)合薄膜之間形成為空腔，即Si基座與復(fù)合薄膜圍起來的 區(qū)域，空腔的頂面對(duì)應(yīng)的復(fù)合薄膜為彈性膜片區(qū)域；檢測(cè)元件包括FBAR、引線和焊盤，F(xiàn)BAR 通過引線與焊盤連接。
[0010] 對(duì)于檢測(cè)元件，進(jìn)一步具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為：
[0011] 所述FBAR主要包括壓電振蕩堆，壓電振蕩堆位于空腔上面對(duì)應(yīng)的彈性膜片區(qū)域 上面，即壓電振蕩堆位于彈性膜片區(qū)域上面的應(yīng)力集中區(qū)；壓電振蕩堆由下到上依次包括 底電極、壓電層、頂電極，底電極緊貼彈性膜片區(qū)域上，壓電層底面的一部分緊貼底電極上 面，壓電層底面的另一部分向彈性膜片區(qū)域中心方向包覆底電極側(cè)面并延伸至彈性膜片區(qū) 域上，頂電極底面的一部分緊貼壓電層的上面，頂電極底面的另一部分向彈性膜片區(qū)域中 心方向包覆壓電層側(cè)面并延伸至彈性膜片區(qū)域上。
[0012] 所述FBAR的壓電振蕩堆的數(shù)量多1，形狀為任意多邊形；壓電振蕩堆固連在復(fù)合 薄膜上的彈性膜片區(qū)域，即FBAR中的壓電振蕩堆位于正對(duì)于空腔上方的復(fù)合膜片之上。
[0013] 所述引線包括底電極引線與頂電極引線，焊盤包括底電極焊盤與頂電極焊盤，F(xiàn)BAR的底電極通過底電極引線與底電極焊盤連接，F(xiàn)BAR的頂電極通過頂電極引線與頂電 極焊盤連接。
[0014] 所述檢測(cè)元件通過三次沉積和圖形化工藝形成，具體為：第一次：底電極、底電極 引線及底電極焊盤在底電極層進(jìn)行沉積和圖形化時(shí)形成；第二次：壓電層在壓電層進(jìn)行沉 積和圖形