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CN113295303A - 氮化铝压电mems谐振式压力传感器 - Google Patents

氮化铝压电mems谐振式压力传感器 Download PDF

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CN113295303A CN202110473345.9A CN202110473345A CN113295303A CN 113295303 A CN113295303 A CN 113295303A CN 202110473345 A CN202110473345 A CN 202110473345A CN 113295303 A CN113295303 A CN 113295303A
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杨健
赵广宏
许姣
尹玉刚
陈平
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Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co Ltd
Beijing Institute of Telemetry Technology
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Abstract

氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，该芯片结构包括：压力敏感层、AlN压电谐振结构单元和密封盖板层。其中压力敏感层包含一感压膜结构和两个凸台结构，感压膜结构经凸台与AlN压电谐振结构单元相连。AlN压电谐振结构单元包括上电极层、氮化铝压电层、下电极层和绝缘层；上电极包括驱动电极和检测电极，分别用于驱动AlN压电谐振结构单元发生谐振和检测输出信号，上电极呈条状，位于AlN结构上表面中心线的两侧。密封盖板层包括凹槽和电极通孔，该盖板层通过键合工艺与AlN压电谐振结构单元连接，形成真空密封腔。本发明的谐振式压力传感器，可有效降低工艺制造难度、提高传感器的可靠性。

Description

氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器
技术领域
本发明涉及氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，属于微电子压力传感器敏感芯片技术领域。
背景技术
MEMS压力传感器具有体积小、精度高、成本低、易于集成等特点。基于MEMS技术的压力传感器已在消费电子、工业电子、军工航天等各个领域得到了广泛的应用。根据其工作原理的不同可以分为：压阻式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、谐振式压力传感器等。其中谐振式压力传感器具有综合精度高、长期稳定性好等优势，已得到了学术研究领域和产业界的一致认可。
MEMS谐振式压力传感器工作原理为：谐振结构经由凸台固支在感压膜上，当有外界压力作用在感压膜上时，感压膜发生弯曲变形，该弯曲形变经由凸台会对谐振结构产生拉伸或挤压作用，使得谐振结构的谐振频率发生改变，通过检测谐振频率来检测外界压力的大小。根据驱动检测原理的不同，MEMS谐振式压力传感器又可以分为：电磁驱动-电磁检测型、静电驱动-压阻检测型、静电驱动-电容检测型、压电驱动-压电检测型等。
电磁驱动-电磁检测型的MEMS谐振式压力传感器需要一个稳定的磁场环境，这就限制了该类型传感器的使用场景、限制了传感器的小型化、批量化。
静电驱动-压阻检测型和静电驱动-电容检测型的MEMS谐振式压力传感器是基于Si材料制备而成的，由于平行板电容结构的静电驱动能力较弱，为了提高静电驱动能力，多采用梳齿电容结构进行驱动。但是其梳齿间隙小、梳齿对数多等特征对MEMS加工工艺提出了极高的要求，高刻蚀深宽比极大地增大了刻蚀工艺的难度、同时降低了芯片的成品率。此外，密封盖板层、谐振结构层、压力敏感层之间通常采用两次键合的方式来实现3个层的连接，而谐振结构层与压力敏感层之间的键合偏差，会造成凸台与谐振结构固支点的错位，降低器件性能。
基于石英材料的谐振式压力传感器是压电驱动-压电检测型传感器中的一种，但石英材料除了需要在谐振结构的上下表面制备电极外，还需要在谐振结构的侧壁制备侧面电极来进行驱动或检测，而侧面电极的制备是与常规的微电子平面工艺不兼容的，制备工艺困难。此外，石英谐振压力传感器的尺寸较大，通常在厘米量级，因而难以实现器件的小型化和集成化。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，该传感器为压电驱动-压电检测型，根据AlN压电材料特性及其逆压电效应，仅通过设计上下电极即可驱动AlN谐振结构单元发生谐振。再根据正压电效应，在检测端通过上下电极来检测输出信号。整个制备工艺与常规的微电子平面制备工艺兼容，无需侧面电极，易于实现小型化和集成化。同时，本发明结构简单，避免了复杂的梳齿结构，降低了工艺难度。
本发明的技术方案是：
氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，包括：压力敏感层、AlN压电谐振结构单元和密封盖板层；
压力敏感层与AlN压电谐振结构单元经由凸台连接，AlN压电谐振结构单元与密封盖板层经键合连接在一起，形成真空绝压腔体；
压力敏感层包括：感压膜和2个凸台，凸台连接着感压膜和AlN压电谐振结构单元。
AlN压电谐振结构单元从上至下依次包括：上电极、氮化铝压电层、下电极和SiO2层；
上电极包括2个驱动电极和2个检测电极；
上电极均呈长条状；2个驱动电极和2个检测电极均位于氮化铝压电层上表面的左右两侧，且关于中心线对称分布；驱动电极和检测电极关于谐振单元中心呈对称分布；
氮化铝压电层呈长条状，为双端固支结构，固支端点位于两个凸台的上方；下电极位于整个氮化铝压电层的下表面。SiO2层位于下电极的下表面，SiO2层的下面与凸台直接连接；
密封盖板层包括6个电极通孔和1个凹槽，密封盖板的凹槽一面与AlN压电谐振结构单元的上表面键合，形成真空绝压腔体。
压力敏感层的材料为硅晶圆或SOI晶圆，AlN压电谐振结构单元的各层材料以压力敏感层为衬底，通过生长的方式依次沉积在该衬底晶圆上；材料层从下至上依次为Si或SOI晶圆、SiO2、下电极、氮化铝压电层、上电极；
其中SiO2层通过沉积工艺或热氧化工艺制备在Si表面上。
AlN压电谐振结构单元和凸台结构是采用刻蚀的工艺，从上至下依次刻蚀制备而成。
下电极接地，在2个驱动电极上施加一对差分驱动信号，或仅在第一驱动电极上施加驱动信号，或仅在第二驱动电极上施加驱动信号来驱动AlN压电谐振结构单元发生面内谐振。
下电极接地，在2个检测电极上提取一对差分输出信号，或仅在第一检测电极上提取输出信号，或仅在第二检测电极上提取输出信号。
电极通孔的位置与AlN压电谐振结构单元的驱动电极引线点、检测电极引线点、下电极引线点相对应；
凹槽的位置与感压膜相对应，且凹槽的区域面积大于等于感压膜的区域面积。
2个凸台分别位于感压膜的边缘，两个凸台关于感压膜中心呈对称分布。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明中的AlN压电MEMS谐振式压力传感器采用的是压电驱动-压电检测的基本原理。根据逆压电效应，通过在AlN压电层的上下电极上施加驱动信号，即可驱动谐振结构单元发生谐振。再根据正压电效应，在检测端通过上下电极来检测输出信号。相比于传统的石英压电谐振式压力传感器，本发明的AlN压电MEMS谐振式压力传感器无需侧面电极，仅通过上下电极即可实现驱动和检测功能，降低了工艺难度。与微电子工艺兼容，易于实现小型化和集成化。
2)本发明采用了基于AlN压电效应的驱动和检测原理，相比于静电效应原理的Si谐振式压力传感器，其机电转化效率高。且无需复杂的梳齿结构电极，降低了工艺难度。
附图说明
图1为本发明传感器的三维结构总体示意图。
图2为本发明传感器的密封盖板层三维结构示意图。
图3为本发明传感器的AlN谐振结构单元俯视图。
图4为本发明传感器的压力敏感层三维结构示意图。
具体实施方式
本发明AlN压电谐振结构单元的各层材料均通过薄膜生长工艺制备在压力敏感层的晶圆上的，避免了常规的谐振结构单元与压力敏感层之间的键合，有效避免了因键合对准误差造成的凸台与谐振结构固支端之间的位置偏差，提高了传感器的性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，包括：压力敏感层1、AlN压电谐振结构单元2和密封盖板层3；
如图4所示，压力敏感层1与AlN压电谐振结构单元2经由凸台102连接，AlN压电谐振结构单元2与密封盖板层3经键合连接在一起，形成真空绝压腔体；
压力敏感层1包括：感压膜101和2个凸台102，凸台102连接着感压膜101和AlN压电谐振结构单元2。
如图1所示，AlN压电谐振结构单元2从上至下依次包括：上电极201、氮化铝压电层202、下电极203和SiO2层204；
上电极201包括2个驱动电极和2个检测电极；
上电极201均呈长条状；2个驱动电极和2个检测电极均位于氮化铝压电层202上表面的左右两侧，且关于中心线对称分布；驱动电极和检测电极关于谐振单元中心呈对称分布；
如图3所示，氮化铝压电层202呈长条状，为双端固支结构，固支端点位于两个凸台102的上方；下电极203位于整个氮化铝压电层202的下表面。SiO2层204位于下电极203的下表面，SiO2层204的下面与凸台102直接连接；
如图2所示，密封盖板层3包括6个电极通孔301和1个凹槽302，密封盖板3的凹槽一面与AlN压电谐振结构单元2的上表面键合，形成真空绝压腔体。
压力敏感层1的材料为硅晶圆或SOI晶圆，AlN压电谐振结构单元2的各层材料以压力敏感层1为衬底，通过生长的方式依次沉积在该衬底晶圆上；材料层从下至上依次为Si或SOI晶圆、SiO2、下电极、氮化铝压电层、上电极；
其中SiO2层通过沉积工艺或热氧化工艺制备在Si表面上。
AlN压电谐振结构单元2和凸台102结构是采用刻蚀的工艺，从上至下依次刻蚀制备而成。
下电极203接地，在2个驱动电极上施加一对差分驱动信号，或仅在第一驱动电极2011上施加驱动信号，或仅在第二驱动电极2012上施加驱动信号来驱动AlN压电谐振结构单元2发生面内谐振。
下电极203接地，在2个检测电极上提取一对差分输出信号，或仅在第一检测电极2013上提取输出信号，或仅在第二检测电极2014上提取输出信号。
在密封盖板层3上加工出电极通孔301和凹槽302；
电极通孔301的位置与AlN压电谐振结构单元2的驱动电极引线点205、检测电极引线点206、下电极引线点207相对应；
凹槽302的位置与感压膜101相对应，且凹槽302的区域面积大于等于感压膜101的区域面积。
2个凸台102分别位于感压膜101的边缘，两个凸台102关于感压膜中心呈对称分布。
实施例
在Si晶圆衬底上依次生长500nm厚SiO2层、300nm厚的Mo电极层、1.5μm厚的AlN层和300nm厚的Pt电极层。其中Mo为下电极、Pt为上电极、Si晶圆厚度为500μm。采用干法刻蚀工艺在Si晶圆的下表面进行Si深刻蚀，刻蚀深度400μm，制备出Si感压膜。在晶圆上表面采用干法刻蚀工艺依次刻蚀出上电极图形、AlN谐振结构、下电极结构和SiO2层结构。采用Si深刻蚀工艺继续刻蚀50μm，形成50μm高的凸台。最后采用干法释放工艺将AlN压电谐振结构单元释放，形成悬空结构。
密封盖板材料为Si晶圆，采用干法刻蚀工艺刻蚀出凹槽，凹槽深度大于10μm。采用微孔加工技术制备出具有一定锥度的电极通孔。采用浆料键合工艺将密封盖板晶圆与AlN谐振结构晶圆进行真空键合，形成真空绝压腔体。最后，在电极通孔位置沉积金属，引出电极线，完成传感器敏感芯片制备。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，包括：压力敏感层(1)、AlN压电谐振结构单元(2)和密封盖板层(3)；
压力敏感层(1)与AlN压电谐振结构单元(2)经由凸台(102)连接，AlN压电谐振结构单元(2)与密封盖板层(3)经键合连接在一起，形成真空绝压腔体；
压力敏感层(1)包括：感压膜(101)和2个凸台(102)，凸台(102)连接着感压膜(101)和AlN压电谐振结构单元(2)。
AlN压电谐振结构单元(2)从上至下依次包括：上电极(201)、氮化铝压电层(202)、下电极(203)和SiO2层(204)；
上电极(201)包括2个驱动电极和2个检测电极；
上电极(201)均呈长条状；2个驱动电极和2个检测电极均位于氮化铝压电层(202)上表面的左右两侧，且关于中心线对称分布；驱动电极和检测电极关于谐振单元中心呈对称分布；
氮化铝压电层(202)呈长条状，为双端固支结构，固支端点位于两个凸台(102)的上方；下电极(203)位于整个氮化铝压电层(202)的下表面。SiO2层(204)位于下电极(203)的下表面，SiO2层(204)的下面与凸台(102)直接连接；
密封盖板层(3)包括6个电极通孔(301)和1个凹槽(302)，密封盖板(3)的凹槽一面与AlN压电谐振结构单元(2)的上表面键合，形成真空绝压腔体。
2.根据权利要求1所述的氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，压力敏感层(1)的材料为硅晶圆或SOI晶圆，AlN压电谐振结构单元(2)的各层材料以压力敏感层(1)为衬底，通过生长的方式依次沉积在该衬底晶圆上；材料层从下至上依次为Si或SOI晶圆、SiO2、下电极、氮化铝压电层、上电极；
其中SiO2层通过沉积工艺或热氧化工艺制备在Si表面上。
3.根据权利要求2所述氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，AlN压电谐振结构单元(2)和凸台(102)结构是采用刻蚀的工艺，从上至下依次刻蚀制备而成。
4.根据权利要求1～3任意一项所述氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，下电极(203)接地，在2个驱动电极(2011，2012)上施加一对差分驱动信号，或仅在第一驱动电极(2011)上施加驱动信号，或仅在第二驱动电极(2012)上施加驱动信号来驱动AlN压电谐振结构单元(2)发生面内谐振。
5.根据权利要求4所述氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，下电极(203)接地，在2个检测电极(2013，2014)上提取一对差分输出信号，或仅在第一检测电极(2013)上提取输出信号，或仅在第二检测电极(2014)上提取输出信号。
6.根据权利要求5所述氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，电极通孔(301)的位置与AlN压电谐振结构单元(2)的驱动电极引线点(205)、检测电极引线点(206)、下电极引线点(207)相对应；
凹槽(302)的位置与感压膜(101)相对应，且凹槽(302)的区域面积大于等于感压膜(101)的区域面积。
7.根据权利要求6所述氮化铝压电MEMS谐振式压力传感器，其特征在于，2个凸台(102)分别位于感压膜(101)的边缘，两个凸台(102)关于感压膜中心呈对称分布。
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