[發明專利]一種基于金屬薄板和壓電薄膜的聲表面波高溫應變傳感器芯片及其制備方法

在審

• 申請號: 201710812288.6
• 申請日: 2017-09-11
• 公開（公告）號: CN107504927A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 牟笑靜;竇韶旭;齊夢珂
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01B17/04
• 分類號: G01B17/04;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙)50211
• 代理人: 顧曉玲

技術領域

本發明屬于半導體設計及制造技術領域，涉及MEMS傳感器，具體涉及一種基于金屬薄板和壓電薄膜的聲表面波高溫應變傳感器芯片及其制備方法。

背景技術

高溫環境下的應變測量是測控技術的重點、難點之一。在航空航天、國防軍工、石油化工、汽車工業等領域，常常需要在高溫環境下進行應變的測量與控制，高性能的高溫應變傳感器是上述領域中的關鍵器件之一。

基于電阻應變片的應變電測系統，在高溫環境下，受電磁輻射干擾后，電阻應變片的測試穩定性較差，存活率也較低，且電阻應變片的電阻值受溫度影響較大。

基于光纖法珀傳感器的應變光測系統，其光柵二次涂覆問題以及帶涂層保護的高溫光纖問題，妨礙了該種應變光測系統在高溫下的使用。

傳統MEMS應變傳感器的安裝多使用粘合劑進行，由于粘合劑的高溫性能限制，一般使用溫度不超過300℃。如能用金屬薄板代替硅晶圓和SOI晶圓做成高溫金屬/合金基底的應變傳感器，則可使用釬焊、擴散焊、激光焊、鎢極氬弧焊等金屬連接技術進行應變芯片與待測金屬件之間的連接，大幅度提高應變計的使用溫度。

發明內容

本發明旨在解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種基于金屬薄板和壓電薄膜的聲表面波高溫應變傳感器芯片及其制備方法，解決高溫應變測量中存在的高溫粘接劑失效問題，實現更高溫度環境下的應變測量。

為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種基于金屬薄板和壓電薄膜的聲表面波高溫應變傳感器芯片，其包括金屬薄板基底，所述金屬薄板基底具有第一表面和第二表面，在所述金屬薄板基底上形成有壓電薄膜，在所述壓電薄膜之上形成有叉指換能器和反射柵在壓電薄膜和絕緣保護層上有貫通至底電極和叉指換能器的通孔，在絕緣保護層上的通孔處形成有信號引出盤。

此傳感器芯片體積小，工作在射頻段，可實現無線收發，測量方式靈活，因而在高溫應變測量領域具有非常大的應用潛力。

在本發明的一種優選實施方式中，所述金屬薄板基底為各種金屬或合金材料，如不銹鋼304、鈦基合金TC4、鎳基合金C276、鐵基合金310S之一或它們的組合；保證實現高溫狀態下應變的檢測。

所述金屬薄板其厚度≤10mm且表面平整；這個厚度保證檢測精度。

在本發明的另一種優選實施方式中，所述壓電薄膜為晶粒呈c軸取向的純 AlN壓電薄膜或摻雜10at％-43at％鈧元素的AlN壓電薄膜；保證高溫時的溫度檢測效果。

在本發明的另一種優選實施方式中，叉指換能器和反射柵在壓電薄膜上方平行設置，所述叉指換能器和反射柵材料為同一種材料。

在本發明的另一種優選實施方式中，所述叉指換能器和反射柵的材料為鋁、金、鉬、鉑、銥或其合金；能夠滿足多種溫度傳感器的要求。

例如在200℃以下選擇鋁；在600℃以下選擇金；在800℃以下選擇鉬；

在1000℃以下選擇鉑；在1200℃以下選擇銥。

在本發明的另一種優選實施方式中，在金屬薄板基底與壓電薄膜之間形成有底電極，所述底電極可引出接地，也可不引出；和/或在所述金屬薄板基底第二表面進行深刻蝕加工腔室，以進一步減薄金屬薄板基底的厚度，所述腔室為開放狀態。

在本發明的另一種優選實施方式中，在金屬薄板基底與底電極之間形成有二氧化硅平鋪層，或者在金屬薄板基底與底電極之間形成有二氧化硅立體結構與多晶硅立體結構交叉分布的周期性陣列平鋪層；或者在金屬薄板基底與壓電薄膜之間形成有二氧化硅平鋪層，或者在金屬薄板基底與壓電薄膜之間形成有二氧化硅立體結構與多晶硅立體結構交叉分布的周期性陣列平鋪層；補償抵消環境溫度的變化導致的應變測量誤差。

和/或在叉指換能器和反射柵之上形成有絕緣保護層，在所述壓電薄膜和絕緣保護層上有貫通至底電極和叉指換能器的通孔，在所述絕緣保護層上的通孔處形成有信號引出盤。在本發明的另一種優選實施方式中，所述叉指換能器和反射柵可以組成聲表面波單端諧振器、聲表面波雙端諧振器或聲表面波延遲線。

在本發明的另一種優選實施方式中，可同時使用兩個諧振器或兩個延遲線形式的雙通道補償方式補償抵消環境溫度的變化導致的應變測量誤差，所述兩個諧振器或兩個延遲線中其中一個僅敏感溫度參量不敏感應變參量，另一個同時敏感溫度參量和應變參量。

在本發明的另一種優選實施方式中，如所述芯片中存在兩種或兩種以上的對溫度和應變敏感的聲波模態，也可同時使用兩種聲波模態信號補償方式補償抵消環境溫度的變化導致的應變測量誤差，所述兩種聲波模態具有不同的溫度敏感性能和(或)應變敏感性能。