CN111174951A - 一种压电式传感器及其制备方法 - Google Patents
一种压电式传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111174951A CN111174951A CN202010008412.5A CN202010008412A CN111174951A CN 111174951 A CN111174951 A CN 111174951A CN 202010008412 A CN202010008412 A CN 202010008412A CN 111174951 A CN111174951 A CN 111174951A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- piezoelectric
- cantilever beam
- electrode
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 141
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 17
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 15
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 11
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 5
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003327 LiNbO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
- B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/0009—Structural features, others than packages, for protecting a device against environmental influences
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
- B81C1/00134—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising flexible or deformable structures
- B81C1/0015—Cantilevers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00642—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for improving the physical properties of a device
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
本发明提出了一种压电式传感器及其制备方法，所述压电式传感器包括：基板、多个压电悬臂梁、固定柱；基板带有多个空腔；压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，压电悬臂梁的自由端面积大于固定端面积；固定柱设置在基板中心用于固定压电悬臂梁。本发明提供的压电式传感器通过提出一种新的压电悬臂梁的结构形式，结合带有特定形状和深度空腔的衬底，可显著提升传感器灵敏度等性能。所述压电式传感器的制备方法，包括：带有空腔衬底的加工，衬底之上压电悬臂梁中支撑层和压电叠层的沉积和刻蚀。所述制备方法，工艺简单，兼容性强，适用于包含各类压电材料和各类衬底的压电式传感器加工。
Description
技术领域
本发明涉及到MEMS压电器件领域，特别是涉及一种压电式传感器及其制备方法。
背景技术
压电式传感器是基于压电材料的压电效应做机电转换的器件，可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。传统的压电式传感器采用不同切型的石英晶体或者锆钛酸铅(PZT)等多种压电陶瓷制成，具有灵敏度高、性能稳定、频响好及工作可靠等优点。但是随着微机电***(MEMS)技术的发展，对压电式传感器的尺寸、集成制造兼容性、制造成本以及环境友好性提出了新的要求。新一代适用于微纳集成制造传感器的压电材料包括有氮化铝(AlN)，钪掺杂氮化铝(ScAlN)，氧化锌(ZnO)，铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等。
MEMS压电式传感器一般包括有圆盘式、桥式和悬臂梁式等，外界机械振动或声学振动等力学信号施加在压电振膜上后，经压电效应转变为电信号进行信号的采集和传输。但是对于压电式传感器，当压电振膜的尺寸和厚度确定后，就很难进一步提升传感器的灵敏度和信噪比等性能，另一方面压电式传感器的工艺制程直接影响着传感器的制造成本，所以需要精简制造工序及降低制造难度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是对于某一特定类型的压电式传感器，在不改变压电振膜的尺寸和厚度的情况下，难以进一步提升传感器的灵敏度和信噪比等性能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种压电式传感器，其特征在于，包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H>0且H为正整数，N>0且N为正整数。
作为优选，所述基板选取不含电路结构的基板，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，0<M≤H且M为正整数。
作为优选，所述基板选取含有电路结构的基板，通过硅通孔刻蚀工艺，在所述固定柱处将压电叠层的电极连接至所述基板的电路结构上。
所述压电式传感器的制备方法包括四种压电式传感器的制备方法。
第一种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中底电极作为刻蚀停止层；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中支撑层作为刻蚀停止层；
若所述基板上存在连接结构：
选取表面带有热氧化/沉积的SiO2层的Si基底，所述Si基底不含电路结构，与基板作键合连接处理；
在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
与基板键合的所述Si基底含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述Si基底中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
第二种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基板上刻蚀一定深度的空腔；
沉积SiO2等材料填充空腔，作为牺牲层；
进行化学机械研磨(CMP)，保持基板的表面平整；
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含有电路结构，在所述基板外周引出底电极和顶电极；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构；
刻蚀出压电悬臂梁结构；
通过间隙刻蚀释放牺牲层。
第三种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
选用带有订制空腔的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板，上方的硅层作为压电悬臂梁的支撑层；
在所述基板上沉积底电极-压电薄膜层-顶电极构成的压电叠层；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述SOI基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述SOI基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构。
第四种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
在基板的刻蚀一定深度的空腔；
在基板上沉积一层SiO2；
键合铌酸锂(LN)/钽酸锂(LT)晶圆片在基板之上；
在晶圆片上方沉积顶电极；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
在所述第一种压电式传感器的制备方法或第二种压电式传感器的制备方法中，所述支撑层材料为Si、SiC、Si3N4或蓝宝石。
在所述第四种压电式传感器的制备方法种，所述铌酸锂晶圆片自上而下由铌酸锂薄膜、电极层、SiO2层和铌酸锂基板组成；所述钽酸锂晶圆片自上而下由钽酸锂薄膜、电极层、SiO2层和钽酸锂基板组成。
本发明的有益效果是：在保持压电式传感器尺寸不变的情况下，可显著提升传感器的灵敏度和信噪比，由此，可以在基板上制造出性能更优的小型化压电式传感器，且提出的制备方法工艺简单，与CMOS工艺兼容性强，适用于包含各类压电材料和各类衬底的压电式传感器加工。
附图说明
图1：是本发明其中一实施例的压电式传感器俯视轮廓图；
图2：是本发明其中一实施例通过背腔刻蚀基板制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图3：是本发明其中一实施例通过预埋牺牲层制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图4：是本发明其中一实施例选用带有订制空腔的基板制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图5：是本发明其中一实施例通过键合铌酸锂或钽酸锂晶圆片制备压电式传感器的A-A剖面流程图；
图6：是本发明其中一个实施例的压电式传感器电极分布俯视图。
图7：是本发明中压电式传感器的压电悬臂梁两种结构的截面图。
1-基板，101-基板固定层，102-第一绝缘层，103-器件连接层，104-空腔，105-固定柱，106-牺牲层，2-器件支撑层，3-压电叠层，301-第一底电极，302-压电薄膜，303-第一顶电极，4-压电悬臂梁，5-晶圆片，501-LN/LT衬底，502-第二绝缘层，503-第二底电极，504-LN/LT压电薄膜，505-第二顶电极，6-基板外周，7-压电振膜，8-固定区域，9-间隙，10-连接结构，11-自由端顶电极，12-固定端顶电极，13-引出顶电极，14-引出底电极，15-振动区域，16-面积较大端，17-面积较小端，18-压电单晶片，1801-压电单晶片压电叠层，1802-压电单晶片支撑层，19-压电双晶片。
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。
本发明实施例中涉及一种压电式传感器，包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H＝4，N＝1。
在本发明具体实施方式中，选取的所述基板不含电路结构，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，所述压电悬臂梁为单晶片结构，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，M＝1。
下面结合图1至图7介绍本发明的具体实施方式：
参考图1，本实施例中，压电式传感器包括有四个倒梯形的压电振膜7；固定端位于衬底中心的固定区域8；相邻所述压电振膜7之间设置有一定宽度的间隙9，可减小所述压电振膜7工作振动时的空气阻尼，减小传感器的噪声信号；在间隙9之间设置有连接基板外周6和所述固定区域8的连接结构10，用于后续在所述基板外周6上引出由所述压电振膜7因压电效应产生的电信号。
参考图2，在一实施例中，提出第一种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上沉积器件支撑层2和压电叠层3，其中，所述基板1中的基板固定层101材料为Si，第一绝缘层102材料为SiO2，器件连接层103材料为Si；
步骤二：通过背腔刻蚀工艺刻蚀器件连接层103，所述器件支撑层2作为背腔刻蚀的截止层；
步骤三：选取基板固定层101，表面带有热氧化或沉积形成的第一绝缘层102，将其通过键合工艺连接在所述器件连接层103上；
步骤四：依次刻蚀压电叠层3和器件支撑层2，形成压电悬臂梁4。
参考图3，在一实施例中，提出第二种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上刻蚀一定深度的空腔104，沉积SiO2等材料填充所述空腔104，作为牺牲层106，进行化学机械研磨(CMP)处理，保持基板1的表面平整；
步骤二:在基板1上沉积器件支撑层2和压电叠层3；
步骤三：依次刻蚀所述压电叠层3和所述器件支撑层2，形成压电悬臂梁4轮廓；
步骤四：通过间隙刻蚀释放牺牲层106，形成压电悬臂梁4结构。
参考图4，在一实施例中，提出第三种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：选用带有订制空腔104的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板1；
步骤二：在所述基板1上沉积压电叠层3；
步骤三：依次刻蚀所述压电叠层3和器件连接层103，在该实施例中器件连接层103同时起到压电悬臂梁4的支撑层的作用。
参考图5，在一实施例中，提出第四种压电式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在基板1上刻蚀一定深度的空腔104；
步骤二：在刻蚀后的所述基板1上一层较薄的第一绝缘层102，材料为SiO2；
步骤三：将铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)晶圆片5键合连接在所述基板1之上，在晶圆片上方沉积第二顶电极505；
步骤四：依次刻蚀所述晶圆片5各层材料，形成压电悬臂梁4。
所述铌酸锂(LN)晶圆片自上而下由LN压电薄膜504、第二底电极503、第二绝缘层502和LN衬底501组成。所述钽酸锂(LT)晶圆片自上而下由LT压电薄膜504、第二底电极503、第二绝缘层502和LT衬底501组成。
参考图6，为本发明其中一个实施例的压电式传感器电极分布俯视图，将第一顶电极303或第二顶电极505进行图案化刻蚀，形成自由端顶电极11和固定端顶电极12；产生的电信号在基板外周6上引出，形成引出顶电极13和引出底电极14。在振动区域15内，利用压电悬臂梁4的面积较大端16接收振动信号，所述压电悬臂梁4的弯曲挠度更大，产生的电信号更高。在压电悬臂梁4振动过程中，应力和应变主要集中在固定端，也就是所述压电悬臂梁4的面积较小端17，由于压电材料的压电效应，产生的电信号也主要集中在面积较小端17，所以通过所述固定端顶电极12引出电信号至所述基板外周6上。
参考图7，是本发明中压电式传感器的压电悬臂梁两种结构的截面图，如图7(a)所示，为压电单晶片18悬臂梁，由压电单晶片压电叠层1801和压电单晶片支撑层1802组成；如图7(b)所示，为压电双晶片19悬臂梁，不含支撑层，所述压电双晶片19的中性面位于其中间电极层。所述两类悬臂梁结构均适用于本发明压电式传感器的加工制造。
特别地，本发明提供的技术方案能有效提高压电式传感器的灵敏度以及信噪比，且提供的新结构制备方法简单，与CMOS工艺兼容，适用于含各类压电薄膜材料的微型压电式传感器的大批量生产。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种压电式传感器，其特征在于，所述压电式传感器包括：基板、H个压电悬臂梁、固定柱；所述基板带有N个空腔；所述压电悬臂梁为双晶片结构，或者由单晶片结构和支撑层组成，所述压电悬臂梁的自由端面积大于所述固定端面积；所述固定柱设置在所述基板中心用于固定所述压电悬臂梁，H>0且H为正整数，N>0且N为正整数。
2.根据权利要求1所述的压电式传感器，其特征在于：所述基板选取不含电路结构的基板，相邻压电悬臂梁之间设置有间隙，在M个所述间隙之间设置有连接结构，所述连接结构用于连接所述固定柱和所述基板外周上方压电叠层，0<M≤H且M为正整数。
3.根据权利要求1所述的压电式传感器，其特征在于：所述基板选取含有电路结构的基板，通过硅通孔刻蚀工艺，在所述固定柱处将压电叠层的电极连接至所述基板的电路结构上。
4.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中底电极作为刻蚀停止层；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构，背腔刻蚀所述基板，其中支撑层作为刻蚀停止层；
若所述基板上存在连接结构：
选取表面带有热氧化/沉积的SiO2层的Si基底，所述Si基底不含电路结构，与基板作键合连接处理；
在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
与基板键合的所述Si基底含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述Si基底中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
5.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基板上刻蚀一定深度的空腔；
沉积SiO2等材料填充空腔，作为牺牲层；
进行化学机械研磨(CMP)，保持基板的表面平整；
当所述压电悬臂梁为双晶片结构时，在基板上沉积底电极-下压电薄膜层-中间电极-上压电薄膜-顶电极的压电叠层结构；
当所述压电悬臂梁为单晶片结构时，在基板上沉积支撑层，底电极-压电薄膜层-顶电极的压电叠层结构；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含有电路结构，在所述基板外周引出底电极和顶电极；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构；
刻蚀出压电悬臂梁结构；
通过间隙刻蚀释放牺牲层。
6.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
选用带有订制空腔的SOI(长在绝缘衬底上的硅)基板，上方的硅层作为压电悬臂梁的支撑层；
在所述基板上沉积底电极-压电薄膜层-顶电极构成的压电叠层；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述SOI基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述SOI基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，刻蚀出压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁为单晶片结构。
7.一种应用于权利要求1所述的压电式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基板的刻蚀一定深度的空腔；
在基板上沉积一层SiO2；
键合铌酸锂或钽酸锂晶圆片在基板之上；
在晶圆片上方沉积顶电极；
若所述基板上存在连接结构：
选取的所述基板不含电路结构，在基板外周引出底电极和顶电极，刻蚀出压电悬臂梁结构；
若所述基板上不存在连接结构：
选取的所述基板含有电路结构，在引出所述压电悬臂梁中压电叠层的电极时，通过硅通孔工艺，在固定柱处连接所述底电极/顶电极和所述基板中的电路结构，进一步地，刻蚀出压电悬臂梁结构。
8.根据权利要求4或5所述压电传感器的制备方法，其特征在于：所述支撑层材料为Si、SiC、Si3N4或蓝宝石。
9.根据权利要求7所述压电传感器的制备方法，其特征在于：所述铌酸锂晶圆片自上而下由铌酸锂薄膜、电极层、SiO2层和铌酸锂基板组成；所述钽酸锂晶圆片自上而下由钽酸锂薄膜、电极层、SiO2层和钽酸锂基板组成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010008412.5A CN111174951A (zh) | 2020-01-06 | 2020-01-06 | 一种压电式传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010008412.5A CN111174951A (zh) | 2020-01-06 | 2020-01-06 | 一种压电式传感器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111174951A true CN111174951A (zh) | 2020-05-19 |
Family
ID=70656090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010008412.5A Pending CN111174951A (zh) | 2020-01-06 | 2020-01-06 | 一种压电式传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111174951A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112435922A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-02 | 武汉大学 | 一种在csoi上刻蚀悬臂梁的方法 |
| CN113316072A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法 |
| CN114112010A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-03-01 | 青岛国数信息科技有限公司 | 一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置 |
| WO2022061991A1 (zh) * | 2020-09-27 | 2022-03-31 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 一种压电式麦克风 |
| CN114923605A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 一种微悬臂梁传感器及其制备方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150145376A1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-05-28 | Agency For Science, Technology And Research | Energy harvesting device and method for forming the same |
| CN104748904A (zh) * | 2015-03-24 | 2015-07-01 | 西安交通大学 | 一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 |
| CN205452357U (zh) * | 2016-03-18 | 2016-08-10 | 河南师范大学 | 一种压电单晶片 |
| CN107528561A (zh) * | 2017-09-12 | 2017-12-29 | 电子科技大学 | 一种空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法 |
| CN108147361A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-12 | 中国科学院半导体研究所 | 浓硼掺杂硅纳米线压阻式mems压力传感器的制备方法 |
| CN108493326A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-04 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 基于单晶压电薄膜的声波谐振器及其制备方法 |
| CN108700482A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-10-23 | 大陆汽车***公司 | 应力隔离的绝对压力传感器 |
| CN108885972A (zh) * | 2016-04-05 | 2018-11-23 | 信越化学工业株式会社 | 具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法 |
| CN110467148A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-19 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种圆片级封装mems芯片结构及其加工方法 |
| CN110602616A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-12-20 | 武汉大学 | 一种高灵敏度mems压电式麦克风 |
-
2020
- 2020-01-06 CN CN202010008412.5A patent/CN111174951A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150145376A1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-05-28 | Agency For Science, Technology And Research | Energy harvesting device and method for forming the same |
| CN104748904A (zh) * | 2015-03-24 | 2015-07-01 | 西安交通大学 | 一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 |
| CN108700482A (zh) * | 2015-12-22 | 2018-10-23 | 大陆汽车***公司 | 应力隔离的绝对压力传感器 |
| CN205452357U (zh) * | 2016-03-18 | 2016-08-10 | 河南师范大学 | 一种压电单晶片 |
| CN108885972A (zh) * | 2016-04-05 | 2018-11-23 | 信越化学工业株式会社 | 具有氧化物单晶薄膜的复合晶片的制造方法 |
| CN107528561A (zh) * | 2017-09-12 | 2017-12-29 | 电子科技大学 | 一种空腔型薄膜体声波谐振器及其制备方法 |
| CN108147361A (zh) * | 2017-12-22 | 2018-06-12 | 中国科学院半导体研究所 | 浓硼掺杂硅纳米线压阻式mems压力传感器的制备方法 |
| CN108493326A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-04 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | 基于单晶压电薄膜的声波谐振器及其制备方法 |
| CN110467148A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-11-19 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种圆片级封装mems芯片结构及其加工方法 |
| CN110602616A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-12-20 | 武汉大学 | 一种高灵敏度mems压电式麦克风 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张桂铭: "微机械悬臂梁谐振传感器的关键技术与应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022061991A1 (zh) * | 2020-09-27 | 2022-03-31 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | 一种压电式麦克风 |
| CN112435922A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-03-02 | 武汉大学 | 一种在csoi上刻蚀悬臂梁的方法 |
| CN113316072A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-27 | 武汉大学 | 一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法 |
| CN113316072B (zh) * | 2021-05-27 | 2022-06-17 | 宁波华彰企业管理合伙企业(有限合伙) | 一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法 |
| CN114112010A (zh) * | 2022-01-26 | 2022-03-01 | 青岛国数信息科技有限公司 | 一种用于超低频水下声学信号检测的声学测量单元及装置 |
| CN114923605A (zh) * | 2022-04-26 | 2022-08-19 | 苏州大学 | 一种微悬臂梁传感器及其制备方法 |
| CN114923605B (zh) * | 2022-04-26 | 2023-08-25 | 苏州大学 | 一种微悬臂梁传感器及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101955791B1 (ko) | 콤 드라이브 mems 장치용 시스템 및 방법 | |
| CN111174951A (zh) | 一种压电式传感器及其制备方法 | |
| KR101910867B1 (ko) | 차동 콤 드라이브 mems를 위한 시스템 및 방법 | |
| US10623866B2 (en) | Piezoelectric acoustic MEMS transducer and fabrication method thereof | |
| US9386379B2 (en) | MEMS microphone | |
| EP3745743B1 (en) | Piezoelectric microelectromechanical acoustic transducer having improved characteristics and corresponding manufacturing process | |
| KR101545271B1 (ko) | 압전형 음향 변환기 및 이의 제조방법 | |
| CN110602616B (zh) | 一种高灵敏度mems压电式麦克风 | |
| JP5602761B2 (ja) | 分離した微細構造を有する微小電気機械システムデバイス及びその製造方法 | |
| US11418888B2 (en) | Microelectromechanical electroacoustic transducer with piezoelectric actuation and corresponding manufacturing process | |
| US20120025337A1 (en) | Mems transducer device having stress mitigation structure and method of fabricating the same | |
| US11902740B2 (en) | High-sensitivity piezoelectric microphone | |
| US6794271B2 (en) | Method for fabricating a microelectromechanical system (MEMS) device using a pre-patterned bridge | |
| CN109511023A (zh) | 一种高灵敏度的压电麦克风及制作方法 | |
| KR20160130381A (ko) | 대칭 듀얼 압전 스택 미세 전자 기계 압전 디바이스들 | |
| CN113301484A (zh) | 一种mems结构及其制造方法 | |
| CN214960116U (zh) | 一种mems结构 | |
| JP2007329559A (ja) | コンデンサ型マイクロホンの製造方法及びコンデンサ型マイクロホン | |
| CN116996822A (zh) | Mems换能器及其制造方法 | |
| CN115513365A (zh) | 一种基于fbar的压力传感器及其制备方法 | |
| CN118283511A (zh) | Mems麦克风及其制作方法 | |
| CN116534792A (zh) | 半导体基底的制作方法及微机电装置 | |
| WO2002091439A9 (en) | Fabrication of a microelectromechanical system (mems) device | |
| KR20150040839A (ko) | 압전형 음향 변환기 및 이의 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201222 Address after: No.01, 4th floor, building D7, phase 3, Wuhan Software New Town, No.9 Huacheng Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430000 Applicant after: Wuhan Minsheng New Technology Co.,Ltd. Address before: 430072 Hubei Province, Wuhan city Wuchang District of Wuhan University Luojiashan Applicant before: WUHAN University |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200519 |