[發(fā)明專利]氮化鋁壓電MEMS諧振式壓力傳感器

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• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113295303A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發(fā)明（設計）人: 楊健;趙廣宏;許姣;尹玉剛;陳平
• 申請（專利權）人: 北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10;G01L1/16;G01L9/00;G01L9/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 茹阿昌

氮化鋁壓電MEMS諧振式壓力傳感器，該芯片結構包括：壓力敏感層、AlN壓電諧振結構單元和密封蓋板層。其中壓力敏感層包含一感壓膜結構和兩個凸臺結構，感壓膜結構經(jīng)凸臺與AlN壓電諧振結構單元相連。AlN壓電諧振結構單元包括上電極層、氮化鋁壓電層、下電極層和絕緣層；上電極包括驅動電極和檢測電極，分別用于驅動AlN壓電諧振結構單元發(fā)生諧振和檢測輸出信號，上電極呈條狀，位于AlN結構上表面中心線的兩側。密封蓋板層包括凹槽和電極通孔，該蓋板層通過鍵合工藝與AlN壓電諧振結構單元連接，形成真空密封腔。本發(fā)明的諧振式壓力傳感器，可有效降低工藝制造難度、提高傳感器的可靠性。

技術領域

本發(fā)明涉及氮化鋁壓電MEMS諧振式壓力傳感器，屬于微電子壓力傳感器敏感芯片技術領域。

背景技術

MEMS壓力傳感器具有體積小、精度高、成本低、易于集成等特點。基于MEMS技術的壓力傳感器已在消費電子、工業(yè)電子、軍工航天等各個領域得到了廣泛的應用。根據(jù)其工作原理的不同可以分為：壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器等。其中諧振式壓力傳感器具有綜合精度高、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，已得到了學術研究領域和產(chǎn)業(yè)界的一致認可。

MEMS諧振式壓力傳感器工作原理為：諧振結構經(jīng)由凸臺固支在感壓膜上，當有外界壓力作用在感壓膜上時，感壓膜發(fā)生彎曲變形，該彎曲形變經(jīng)由凸臺會對諧振結構產(chǎn)生拉伸或擠壓作用，使得諧振結構的諧振頻率發(fā)生改變，通過檢測諧振頻率來檢測外界壓力的大小。根據(jù)驅動檢測原理的不同，MEMS諧振式壓力傳感器又可以分為：電磁驅動-電磁檢測型、靜電驅動-壓阻檢測型、靜電驅動-電容檢測型、壓電驅動-壓電檢測型等。

電磁驅動-電磁檢測型的MEMS諧振式壓力傳感器需要一個穩(wěn)定的磁場環(huán)境，這就限制了該類型傳感器的使用場景、限制了傳感器的小型化、批量化。

靜電驅動-壓阻檢測型和靜電驅動-電容檢測型的MEMS諧振式壓力傳感器是基于Si材料制備而成的，由于平行板電容結構的靜電驅動能力較弱，為了提高靜電驅動能力，多采用梳齒電容結構進行驅動。但是其梳齒間隙小、梳齒對數(shù)多等特征對MEMS加工工藝提出了極高的要求，高刻蝕深寬比極大地增大了刻蝕工藝的難度、同時降低了芯片的成品率。此外，密封蓋板層、諧振結構層、壓力敏感層之間通常采用兩次鍵合的方式來實現(xiàn)3個層的連接，而諧振結構層與壓力敏感層之間的鍵合偏差，會造成凸臺與諧振結構固支點的錯位，降低器件性能。

基于石英材料的諧振式壓力傳感器是壓電驅動-壓電檢測型傳感器中的一種，但石英材料除了需要在諧振結構的上下表面制備電極外，還需要在諧振結構的側壁制備側面電極來進行驅動或檢測，而側面電極的制備是與常規(guī)的微電子平面工藝不兼容的，制備工藝困難。此外，石英諧振壓力傳感器的尺寸較大，通常在厘米量級，因而難以實現(xiàn)器件的小型化和集成化。

發(fā)明內容

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出了氮化鋁壓電MEMS諧振式壓力傳感器，該傳感器為壓電驅動-壓電檢測型，根據(jù)AlN壓電材料特性及其逆壓電效應，僅通過設計上下電極即可驅動AlN諧振結構單元發(fā)生諧振。再根據(jù)正壓電效應，在檢測端通過上下電極來檢測輸出信號。整個制備工藝與常規(guī)的微電子平面制備工藝兼容，無需側面電極，易于實現(xiàn)小型化和集成化。同時，本發(fā)明結構簡單，避免了復雜的梳齒結構，降低了工藝難度。

本發(fā)明的技術方案是：

氮化鋁壓電MEMS諧振式壓力傳感器，包括：壓力敏感層、AlN壓電諧振結構單元和密封蓋板層；

壓力敏感層與AlN壓電諧振結構單元經(jīng)由凸臺連接，AlN壓電諧振結構單元與密封蓋板層經(jīng)鍵合連接在一起，形成真空絕壓腔體；

壓力敏感層包括：感壓膜和2個凸臺，凸臺連接著感壓膜和AlN壓電諧振結構單元。

AlN壓電諧振結構單元從上至下依次包括：上電極、氮化鋁壓電層、下電極和SiO₂層；