基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片制造技术

本实用新型专利技术提出了一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其包括硅晶元芯片基底，所述硅晶元芯片基底包括第一表面和第二表面，在所述硅晶元芯片基底内部设置有腔室，所述腔室在硅晶元芯片基底第二表面有开口或者由键合于硅晶元芯片基底的第二芯片基底密封形成高真空密封腔室；所述腔室之上的硅晶元芯片基底为压力敏感膜，所述压力敏感膜上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅。本实用新型专利技术的基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片体积小，工作在射频段可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温压力测量领域具有非常大的应用潜力。

Surface acoustic wave high temperature pressure sensor chip based on silicon wafer and piezoelectric thin film

The utility model provides a surface wave high temperature pressure sensor chip based on silicon crystal element and piezoelectric film, which includes a silicon wafer substrate. The silicon wafer substrate includes a first surface and a second surface, and a cavity is arranged inside the substrate of the silicon crystal element chip, and the chamber is in the silicon wafer chip substrate second. A second chip substrate with an opening or bonding to a silicon wafer substrate is sealed to form a high vacuum seal chamber; the silicon wafer substrate above the chamber is a pressure sensitive film, and a piezoelectric film is formed on the pressure sensitive film, and a cross finger transducer and a reflecting gate are formed on the piezoelectric film. The sonic surface wave high temperature pressure sensor chip based on silicon wafer and piezoelectric film is small in volume. It can receive wireless transceiver in the radio frequency section and is flexible in measurement. Therefore, it has great potential application in the field of high temperature pressure measurement.

【技术实现步骤摘要】
基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片
本技术属于半导体设计及制造
，涉及MEMS传感器，具体涉及一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片。
技术介绍
高温环境下的压力测量是测控技术的重点、难点之一。在航空航天、国防军工、石油化工、汽车工业等领域，常常需要在高温环境下进行压力的测量与控制，高性能的高温压力传感器是上述领域中的关键器件之一。目前广泛使用的硅压阻式压力传感器，采用P-N结隔离应变电桥与应变膜，其工艺成熟且性能优异，但是P-N结漏电随着温度升高而急剧增大，当温度超过120℃时，传感器的性能会严重恶化甚至失效，另外，硅在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏，导致信号处理系统和电路的极度失调。以石英为基底的声表面波压力传感器技术已经相当成熟，但其工作温度一般为-20℃-100℃，不宜在高于200℃的环境下使用。中国专利CN1514219提供了一种固态压阻式耐高温压力传感器，实现了200℃以上恶劣环境的温度测量，但此传感器仍需电源供电，需要导线传输信号，难以胜任500℃以上高温要求。中国专利CN101775657涉及到了硅酸镓镧高温应用零温度补偿切型，但没有具体针对此晶体在传感器方面做深入的工作。
技术实现思路
本技术旨在解决现有技术中存在的问题，特别创新地提出了一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片。为了实现本技术的上述目的，本技术提供了一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其包括硅晶元芯片基底，所述硅晶元芯片基底包括第一表面和第二表面，在所述硅晶元芯片基底内部设置有腔室，所述腔室在硅晶元芯片基底第二表面有开口或者由键合于硅晶元芯片基底第二表面的第二芯片基底密封形成高真空密封腔室；所述腔室之上的硅晶元芯片基底为压力敏感膜，所述压力敏感膜上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅。本技术的基于硅晶元和压电薄膜声表面波高温压力传感器芯片体积小，工作在射频段，可实现无线收发，测量方式灵活，因而在高温压力测量领域具有非常大的应用潜力。在本技术的一种优选实施方式中，硅晶元芯片基底的电阻率≥5kΩ。制备的传感器高温性能好，保证芯片质量；用硅晶元的加工工艺简单，成品率高。在本技术的另一种优选实施方式中，所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜；保证高温时的温度检测效果。在本技术的另一种优选实施方式中，叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方平行设置，所述叉指换能器和反射栅为同一种材料。在本技术的另一种优选实施方式中，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金。能够满足多种温度传感器的要求。例如在200℃以下选择铝；在600℃以下选择金；在800℃以下选择钼；在1000℃以下选择铂；在1200℃以下选择铱。在本技术的另一种优选实施方式中，在压力敏感膜与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出接地，也可不引出。在本技术的另一种优选实施方式中，在压力敏感膜与底电极之间形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感膜与底电极之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；或者在压力敏感膜与压电薄膜之间形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感膜与压电薄膜之间形成有二氧化硅立体结构与多晶硅立体结构交叉分布的周期性阵列平铺层；补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差。在叉指换能器和反射栅之上形成有绝缘保护层，起到对器件的绝缘保护作用。本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明本技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本技术第一优选实施例中基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器差压式芯片的制备流程图，其中，图1-1为硅晶圆芯片基底的示意图；图1-2是在硅晶圆芯片基底的背面深刻蚀形成腔室的示意图；图1-3是在硅晶元芯片基底的正面淀积形成压电薄膜层的示意图；图1-4是压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图1-5为淀积形成绝缘保护层的示意图；图1-6为光刻、刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层并开窗口至底电极层的示意图；图1-7为光刻、刻蚀绝缘保护层并开窗口至叉指换能器层的示意图；图1-8为淀积导电金属层的示意图；图2是本技术第二优选实施例中基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片的制备流程图，其中，图2-1为硅晶元芯片基底的示意图；图2-2是在硅晶元芯片基底的背面深刻蚀形成腔室的示意图；图2-3是将硅晶元背面与玻璃键合形成高真空密封腔室的示意图；图2-4是将硅晶元芯片基底的正面减薄制备出压力敏感膜的示意图；图2-5是在压力敏感膜表面淀积形成压电薄膜层的示意图；图2-6是在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图2-7是淀积形成绝缘保护层的示意图；图2-8是光刻、刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层并开窗口至底电极层的示意图；图2-9是光刻、刻蚀绝缘保护层并开窗口至叉指换能器层的示意图；图2-10是淀积导电金属层的示意图；图3是本技术第三优选实施例中基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器绝压式芯片的制备流程图(与图2不同之处在于：高真空密封腔室的制作工艺不再采用硅-玻璃阳极键合工艺，而是采用硅-硅键合工艺)，其中，其中，图3-1为硅晶元芯片基底的示意图；图3-2是在硅晶元芯片基底的背面深刻蚀形成腔室的示意图；图3-3是将硅晶元背面与另一硅晶圆键合形成高真空密封腔室的示意图；图3-4是将硅晶元芯片基底的正面减薄制备出压力敏感膜的示意图；图3-5是在压力敏感膜表面淀积形成压电薄膜层的示意图；图3-6是在压电薄膜层之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图3-7是淀积形成绝缘保护层的示意图；图3-8是光刻、刻蚀绝缘保护层和压电薄膜层并开窗口至底电极层的示意图；图3-9是光刻、刻蚀绝缘保护层并开窗口至叉指换能器层的示意图；图3-10是淀积导电金属层的示意图；图4(a)是本技术另一种优选实施例中传感器芯片不带底电极的结构示意图；图4(b)是本技术另一种优选实施例中传感器芯片带底电极的结构示意图；图5是本技术一种优选实施例中在传感器芯片中加入一定厚度的二氧化硅材料立体结构与多晶硅材料立体结构的交叉分布的周期性阵列平铺层结构示意图；图6是本技术一种优选实施例中使用两个谐振器形式的双通道补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差示意图，其中，其中，图6(a)为响应信号的变化只反映环境温度变化的谐振器结构示意图，图6(b)为响应信号的变化反映环境温度变化和待测压力变化的双重作用的谐振器结构示意图。附图标记：1硅晶元芯片基底；2单晶硅压力敏感层；3二氧化硅；4底电极；5压电薄膜层；6二氧化硅绝缘保护层；7叉指换能器；8叉指换能器；9叉指换能器；10信号引出盘。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，包括：硅晶元芯片基底，所述硅晶元芯片基底包括第一表面和第二表面，在所述硅晶元芯片基底内部设置有腔室，所述腔室在硅晶元芯片基底第二表面有开口或者由键合于硅晶元芯片基底第二表面的第二芯片基底密封形成高真空密封腔室；所述腔室之上的硅晶元芯片基底为压力敏感膜，所述压力敏感膜上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，包括：硅晶元芯片基底，所述硅晶元芯片基底包括第一表面和第二表面，在所述硅晶元芯片基底内部设置有腔室，所述腔室在硅晶元芯片基底第二表面有开口或者由键合于硅晶元芯片基底第二表面的第二芯片基底密封形成高真空密封腔室；所述腔室之上的硅晶元芯片基底为压力敏感膜，所述压力敏感膜上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅。2.如权利要求1所述的基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，硅晶元芯片基底的电阻率≥5kΩ；和/或所述压电薄膜为晶粒呈c轴取向的纯AlN压电薄膜或掺杂10at％-43at％钪元素的AlN压电薄膜。3.如权利要求1所述的基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方平行设置，所述叉指换能器和反射栅为同一种材料。4.如权利要求1或3所述的基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，所述叉指换能器和反射栅的材料为铝、金、钼、铂、铱或其合金。5.如权利要求1所述的基于硅晶元和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟笑静，窦韶旭，齐梦珂，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：新型
国别省市：重庆,50