一种压电式传感器及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A piezoelectric sensor and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种压电式传感器及其制备方法
本专利技术涉及到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。
技术介绍
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。但是随着微机电系统(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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果是：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：是本专利技术其中一实施例的压电式传感器俯视轮廓图；图2：是本专利技术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：是本专利技术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：是本专利技术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：是本专利技术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：是本专利技术其中一个实施例的压电式传感器电极分布俯视图。图7：是本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙成亮，胡博豪，刘婕妤，林炳辉，谢英，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42