一种基于SOI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SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构，该声表面波高温压力传感器芯片包括SOI芯片基底，SOI芯片基底上形成有压力敏感层，压力敏感层上形成有压电薄膜，在压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。本实用新型专利技术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。

A surface acoustic wave high temperature pressure sensor chip based on SOI and piezoelectric thin film

The utility model provides a surface wave high temperature pressure sensor chip based on SOI and piezoelectric film and its application structure. The acoustic surface wave high temperature pressure sensor chip includes a SOI chip substrate, a pressure sensitive layer is formed on the SOI chip substrate, a piezoelectric film is formed on the pressure sensitive layer, and a piezoelectric film is formed on the piezoelectric film. There is a cross - finger transducer and a reflector, which extends from the base of the SOI chip to the pressure sensitive layer in the substrate of the SOI chip to form a chamber that provides the reference pressure when the pressure is detected. The surface wave high temperature pressure sensor chip of the utility model is small in volume, and can be used in radio frequency section to achieve wireless transceiver, and it is flexible in measurement. Therefore, it has great potential in the field of high temperature pressure measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于SOI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SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构。
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技术问题，特别创新地提出了一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片及其应用结构。为了实现本技术的上述目的，根据本技术的第一个方面，本技术提供了一种基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其包括SOI芯片基底，所述SOI芯片基底上的二氧化硅层及其上的器件层共同构成SOI压力敏感层，所述SOI压力敏感层上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。所述SOI芯片基底之下也可以具有第二芯片基底，在SOI芯片基底内从第二芯片基底延伸至压力敏感层之间形成有高真空密封腔室。本技术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。在本技术的一种优选实施方式中，采用SOI制备形成SOI芯片基底和压力敏感层，SOI器件层的电阻率≥5kΩ。制备的传感器芯片高温性能好，保证芯片质量；用SOI的加工工艺成熟，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呈平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。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，在压力敏感层与压电薄膜之间形成有底电极，所述底电极可引出并接地，也可不引出。在本技术的另一种优选实施方式中，可以在压力敏感层上方形成有二氧化硅平铺层，或者在压力敏感层上方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。为了实现本技术的上述目的，根据本技术的第二个方面，本技术提供了一种利用基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片的应用结构，其采用如下结构之一：结构一：同时使用两个谐振器或两个延迟线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，所述两个谐振器或两个延迟线由于位置不同或结构参数不同而具有不同的温度敏感性能和/或压力敏感性能；结构二：如所述芯片中存在两种或两种以上的对温度和压力敏感的声波模态，同时使用两种声波模态信号补偿方式补偿抵消环境温度的变化导致的测压误差，所述两种声波模态具有不同的温度敏感性能和/或压力敏感性能。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是本技术一种优选实施例中基于SOI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SOI的示意图；图1-2为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图1-3是在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图1-4是淀积形成绝缘保护层的示意图；图1-5为开窗口至底电极的示意图；图1-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图1-7为淀积导电金属层的示意图；图1-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；图2是本技术一种优选实施例中基于SOI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为提供SOI的示意图；图2-2为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图2-3为在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图2-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图2-5为开窗口至底电极的示意图；图2-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图2-7为淀积导电金属层的示意图；图2-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；图2-9为将SOI背面与第二芯片基底键合形成高真空密封腔室的示意图；图3是本技术另一种优选实施例中基于SOI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，图3-1为提供SOI的示意图；图3-2为在SOI正面淀积形成压电薄膜的示意图；图3-3为在压电薄膜之上淀积形成叉指换能器和反射栅的示意图；图3-4为淀积形成绝缘保护层的示意图；图3-5为开窗口至底电极的示意图；图3-6为开窗口至叉指换能器的示意图；图3-7为淀积导电金属层的示意图；图3-8为在SOI背面刻蚀直至SOI的隔离层暴露形成压力敏感层的示意图；图3-9为将SOI背面与硅基底键合形成高真空密封腔室的示意图；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，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：1SOI基底层；2SOI隔离层；3SOI器件层；4底电极；5压电层；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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SOI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：SOI芯片基底，所述SOI芯片基底上的二氧化硅层及其上的器件层共同构成SOI压力敏感层，所述SOI压力敏感层上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI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：SOI芯片基底，所述SOI芯片基底上的二氧化硅层及其上的器件层共同构成SOI压力敏感层，所述SOI压力敏感层上形成有压电薄膜，在所述压电薄膜之上形成有叉指换能器和反射栅；在SOI芯片基底内从SOI芯片基底底面延伸至压力敏感层形成有检测压力时提供参考压力的腔室。2.如权利要求1所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，SOI器件层的电阻率≥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SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其特征在于，叉指换能器和反射栅在压电薄膜上方呈平行设置，所述叉指换能器和反射栅材料为同一种材料。4.如权利要求1或3所述的基于SOI和压电薄膜的声表面波高温压力传感器芯片，其...

【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