CN112816109A - 射频压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频压力传感器，包括带有空腔的衬底，沉积在衬底上表面的布拉格反射栅层结构以及形成在反射栅层结构上的压电堆叠结构。布拉格反射栅层结构从下至上依次为低声阻抗层和高声阻抗层的交替叠加；压电堆叠结构从下至上依次为底电极、压电层及顶电极。当压力作用于传感器时，由于空腔的存在，压电堆叠结构、反射栅层结构及空腔上衬底薄层在压力的作用下发生相应形变，引起谐振频率的偏移，最终测量出压力的变化。通过设置的反射栅层结构和空腔上的衬底层，可以增加传感器的稳定性；传感器可承受更大的压力，即可测量压力范围更大，应用范围更广。同时，SiO₂薄膜层可以减少谐振器的温漂问题，进一步增大传感器的稳定性与准确性。

Description

射频压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种射频压力传感器。

背景技术

传感器作为一种将机械能与电能相互转换的换能器，现在已经广泛用于手机、电脑、照相机等消费性电子产品以及工业界、生命健康监测等领域中。传统的传感器主要包括电容式和压电式两种，电容式传感器采用双层膜结构，利用导体间的电容充放电原理，改变导体间的电压，从而实现机械能到电能的转换。虽然电容式传感器具有极为宽广的频率响应范围，能够快速的瞬时响应等优点，但是电容式传感器脆弱，怕潮怕摔，需要直流电压，在实际应用中依然存在较大问题。近年来随着压电式微机电系统(MEMS)技术的不断发展，特别是基于氮化铝薄膜材料MEMS技术的逐渐成熟，压电MEMS传感器也不断的发展起来。压电MEMS传感器是一种新型的MEMS产品，利用集成在硅基底表面的压电材料进行能量转换，其采用单一隔膜结构，能够不受灰尘、水、焊剂蒸汽影响，在高端电子产品上已经逐渐取代传统的电容式传感器，成为新一代MEMS传感器市场的主流。

压力传感器是应用最为广泛的传感器之一。目前压力传感器有电容式压力传感器和压电式压力传感器等。其中相较于压电式压力传感器，电容式压力传感器的稳定性及压力的承受范围较大，而压电式压力传感器的稳定性较差。压电式压力传感器的灵敏度性能极好，但是其稳定性及可承受的压力较小。因此目前急需一种灵敏度高、稳定性好及可测压力范围大的压力传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种射频压力传感器，是一种新型射频压力传感器，实现高灵敏度、高稳定性及大压力测量范围等压力传感器性能。

为解决上述问题，本发明提供的射频压力传感器，其特征在于：包括衬底、沉积在衬底上表面的布拉格反射栅层结构和形成在反射栅层结构上的压电堆叠结构；

所述衬底内部具有密闭的空腔；

所述布拉格反射栅层结构从下至上依次为低声阻抗层和高声阻抗层的交替叠加；

所述压电堆叠结构从下至上依次为底电极、压电层及顶电极。

作为优选方案，所述带有空腔的衬底为带有空腔的硅衬底或者是带有空腔的SOI衬底。

进一步地，所述衬底中的空腔呈圆柱型、长方体型或不规则六面体型中任一种。

更进一步地，所述布拉格反射栅层结构中的低声阻抗层薄膜为SiO₂薄膜；所述布拉格反射栅层结构中的高声阻抗层薄膜为Mo薄膜、SiC薄膜、SiN薄膜、W薄膜或AlN薄膜中任一种。

更进一步地，对所述压电堆叠结构进行电极图案化；所述电极图案化包括顶电极图案化，或者底电极和顶电极均图案化。

更进一步地，所述底电极、顶电极图案化为不规则五边形、圆形、椭圆形或叉指电极中任一种。

更进一步地，所述底电极和顶电极均为金属导电薄膜；所述金属导电薄膜包括Mo导电薄膜、Pt导电薄膜、Au导电薄膜和Al导电薄膜。

更进一步地，所述压电薄膜为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜、ZnO压电薄膜、铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜中任一种。

上述衬底中的空腔呈圆柱型、长方体型或不规则六面体型，但不限于此。上述布拉格反射栅层结构中的低声阻抗层薄膜，优选为SiO₂薄膜；上述布拉格反射栅层结构中的高声阻抗层薄膜，优选为Mo薄膜、SiC薄膜、SiN薄膜、W薄膜或AlN薄膜，但不限于此；上述底电极和所述顶电极为金属导电薄膜，优选为Mo导电薄膜、Pt导电薄膜、Au导电薄膜或Al导电薄膜；上述压电薄膜优选为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜、ZnO压电薄膜、铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜。

为进一步提高压电MEMS传感器的性能，可对压电堆叠结构中的底电极和顶电极图案化。本发明中电极图案化包括仅顶电极图案化以及底电极和顶电极均图案化两种方案。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的射频压力传感器，当压力作用于传感器时，由于空腔的存在，压电堆叠结构、反射栅层结构及空腔上衬底薄层在压力的作用下发生相应形变，引起各层材料的材料属性发生变化，引起谐振频率的偏移，最终测量出压力的变化。相较于传统的基于薄膜体声波谐振器的压力传感器来说，通过设置的反射栅层结构以及空腔上的衬底层，可以增加传感器的稳定性，同时传感器可承受更大的压力，即可测量压力范围更大，应用范围更广。与此同时，反射栅层结构的低声阻抗层一般优选为SiO₂薄膜，SiO₂薄膜层的正温度系数可以补偿氮化铝材料的负温度系数，减少谐振器由于温度引起的频率漂移问题，进一步增大传感器的稳定性与准确性。

附图说明

图1为电极图案化为不规则五边形的射频压力传感器结构的剖视图；

图2为电极图案化为不规则五边形的射频压力传感器结构的俯视图；

图3为电极图案化为椭圆形的射频压力传感器结构的剖视图；

图4为电极图案化为椭圆形的射频压力传感器结构的俯视图；

图5为仅顶电极图案化为叉指电极的射频压力传感器结构的剖视图；

图6为仅顶电极图案化为叉指电极的射频压力传感器结构的俯视图；

图中：101-电极，102-压电薄膜，103-低声阻抗层薄膜，104-高声阻抗层薄膜，105-衬底，106-空腔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1

如图1和2所示，本实施例1所提供的射频压力传感器包括带有空腔106的衬底105，由低声阻抗层103及高声阻抗层104组成的反射栅层结构，和由顶电极、底电极101和压电薄膜102组成的压电堆叠结构。其中仅顶电极图案化为不规则五边形。

实施例2

如图3和4所示，本实施例2所提供的射频压力传感器包括带有空腔106的衬底105，由低声阻抗层103及高声阻抗层104组成的反射栅层结构，和由顶电极、底电极101和压电薄膜102组成的压电堆叠结构。其中仅顶电极及底电极均图案化为椭圆形。

实施例3

如图3和4所示，本实施例3所提供的射频压力传感器包括带有空腔106的衬底105，由低声阻抗层103及高声阻抗层104组成的反射栅层结构，和由顶电极、底电极101和压电薄膜102组成的压电堆叠结构。其中仅顶电极图案化为叉指电极。

上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (10)

1.一种射频压力传感器，其特征在于：包括衬底、沉积在衬底上表面的布拉格反射栅层结构和形成在反射栅层结构上的压电堆叠结构；

所述衬底内部具有密闭的空腔；

所述布拉格反射栅层结构从下至上依次为低声阻抗层和高声阻抗层的交替叠加；

所述压电堆叠结构从下至上依次为底电极、压电层及顶电极。

2.根据权利要求1所述的射频压力传感器，其特征在于：所述带有空腔的衬底为带有空腔的硅衬底或者是带有空腔的SOI衬底。

3.根据权利要求1或2所述的射频压力传感器，其特征在于：所述衬底中的空腔呈圆柱型、长方体型或不规则六面体型中任一种。

4.根据权利要求1或2所述的射频压力传感器，其特征在于：所述布拉格反射栅层结构中的低声阻抗层薄膜为SiO₂薄膜；所述布拉格反射栅层结构中的高声阻抗层薄膜为Mo薄膜、SiC薄膜、SiN薄膜、W薄膜或AlN薄膜中任一种。

5.根据权利要求3所述的射频压力传感器，其特征在于：所述布拉格反射栅层结构中的低声阻抗层薄膜为SiO₂薄膜；所述布拉格反射栅层结构中的高声阻抗层薄膜为Mo薄膜、SiC薄膜、SiN薄膜、W薄膜或AlN薄膜中任一种。

6.根据权利要求1或2或5所述的射频压力传感器，其特征在于：对所述压电堆叠结构进行电极图案化；所述电极图案化包括顶电极图案化，或者底电极和顶电极均图案化。

7.根据权利要求6所述的射频压力传感器，其特征在于：所述底电极、顶电极图案化为不规则五边形、圆形、椭圆形或叉指电极中任一种。

8.根据权利要求1或2或5或7所述的射频压力传感器，其特征在于：所述底电极和顶电极均为金属导电薄膜；所述金属导电薄膜包括Mo导电薄膜、Pt导电薄膜、Au导电薄膜和Al导电薄膜。

9.根据权利要求1或2或5或7所述的射频压力传感器，其特征在于：所述压电薄膜为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜、ZnO压电薄膜、铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜中任一种。

10.根据权利要求8所述的射频压力传感器，其特征在于：所述压电薄膜为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜、ZnO压电薄膜、铌酸锂薄膜或钽酸锂薄膜中任一种。

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