化时形成；第三次：顶电极、顶电极引线及顶电极焊盘在顶电极层进行沉积和图 形化时形成。底电极、顶电极位于弹性膜片区域之上，由于弹性膜片是一个连续、完整的平 面，底电极引线和顶电极引线可以在弹性膜片区域上灵活布线，底电极焊盘和顶电极焊盘 均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上面。
[0015]对于力敏结构，进一步的具体结构限定为：
[0016] 所述弹性膜片区域为具有一定厚度的圆盘，Si基座的高度即为硅衬底的厚度。
[0017] 所述空腔是通过硅衬底背面一次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底背 面图形化形成刻蚀窗口，通过刻蚀窗口一次背面刻蚀即确定空腔的深度和形状；Si基座形 成后，Si基座和复合薄膜之间的空间构成空腔。
[0018] 所述空腔的顶面是力敏结构中的弹性膜片区域，同时又用于形成FBAR的声波反 射界面。
[0019] 为了获得高性能的FBAR，需将声波限制在由底电极-压电层-顶电极组成的压电 振荡堆中。根据传输线理论，当负载为零或无穷大时，入射波将全反射，空气的声阻抗近似 等于零，可以作为良好的声波反射边界。而压电振荡堆中顶电极一般与空气接触，自然形成 了良好的声波反射界面，底电极因置于复合薄膜上面所以需要人为地形成声波反射界面， 在本发明中即是空腔形成Si02反射界面。
[0020] 对于复合薄膜，进一步的具体限定为：
[0021] 所述复合薄膜是具有一定厚度的方形膜片，复合薄膜包括Si02层和Si3N4层，SiO^ 层与Si基座连接，Si3N4层位于SiO2层上面，复合薄膜厚度即为SiO2层与Si3N4层的厚度之 和。
[0022] 所述复合薄膜的弹性膜片区域不仅作为力敏结构中的弹性元件，也作为FBAR结 构中的压电振荡堆的支撑层。
[0023] 所述复合薄膜中的Si02层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；FBAR的压电层具 有负温度系数；复合薄膜的弹性膜片区域的Si02层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿， 可提高FBAR的温度稳定性。
[0024] 由FBAR串联谐振频率fs与压电层弹性系数c之间的关系式：
【主权项】
1. 膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：包括力敏结构、检测元件和复合薄 膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，力敏结构位于复合薄膜的下方，检测元件位于 复合薄膜的上方；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座沿复合薄膜底部的边沿区域一圈设 置，Si基座围绕的中空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔的顶面对应的复合薄膜为弹 性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接。
2. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述FBAR包 括有压电振荡堆，压电振荡堆位于空腔上面对应的弹性膜片区域上面，弹性膜片区域为复 合薄膜的应力集中部分；压电振荡堆由下到上依次包括底电极、压电层、顶电极，底电极紧 贴设置于弹性膜片区域上面，压电层底面的一部分紧贴底电极上面，压电层底面的另一部 分向弹性膜片区域中心方向包覆底电极侧面并延伸至紧贴弹性膜片区域上面，顶电极底面 的一部分紧贴压电层的上面，顶电极底面的另一部分向弹性膜片区域中心方向包覆压电层 侧面并延伸至弹性膜片区域上面。
3. 根据权利要求2所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述FBAR的 压电振荡堆的数量多1。
4. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述引线包 括底电极引线与顶电极引线，焊盘包括底电极焊盘与顶电极焊盘，FBAR的底电极通过底电 极引线与底电极焊盘连接，FBAR的顶电极通过顶电极引线与顶电极焊盘连接。
5. 根据权利要求4所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述底电极 焊盘、顶电极焊盘均设置于Si基座对应支撑的复合薄膜上面。
6. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述检测 元件通过三次沉积和图形化工艺形成，具体为：第一次，底电极、底电极引线及底电极焊盘 在底电极层进行沉积和图形化时形成；第二次，压电层在压电层进行沉积和图形化时形成； 第三次，顶电极、顶电极引线及顶电极焊盘在顶电极层进行沉积和图形化时形成。
7. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述弹性膜 片区域的形状为圆形。
8. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述空腔是 通过硅衬底背面一次刻蚀形成的，具体刻蚀过程为：首先，对硅衬底背面图形化形成刻蚀窗 口；然后，通过刻蚀窗口一次背面刻蚀就确定空腔的高度与形状；空腔的形状为圆柱体。
9. 根据权利要求8所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述空腔的 顶面还用于形成FBAR的声波反射界面。
10. 根据权利要求1所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述复合 薄膜包括Si02层和Si 3N4层，SiO 2层与Si基座连接，Si 3N4层位于SiO 2层上面。
11. 根据权利要求10所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述复合 薄膜中的Si02层具有正温度系数，通过CVD工艺制备；所述FBAR的压电层具有负温度系数； 复合薄膜的弹性膜片区域的Si0 2层与FBAR的压电层复合，进行温度补偿，用于提高FBAR的 温度稳定性。
12. 根据权利要求10所述的膜片上FBAR结构的微压力传感器，其特征在于：所述复合 薄膜中的SiOjl作为硅衬底背面刻蚀的自停止层。
【专利摘要】本发明公开了膜片上FBAR结构的微压力传感器，包括力敏结构、检测元件和复合薄膜，复合薄膜用于连接力敏结构和检测元件，力敏结构位于复合薄膜的下方，检测元件位于复合薄膜的上方；力敏结构包括Si基座和空腔；Si基座位于复合薄膜底部的边沿区域，Si基座的中间挖空，挖空部分与复合薄膜之间形成为空腔，空腔上面对应的复合薄膜为弹性膜片区域；检测元件包括FBAR、引线和焊盘，FBAR通过引线与焊盘连接；本发明具有可制造性好、温度稳定性高、机械强度高的优点。
【IPC分类】G01L1-10
【公开号】CN104614099
【申请号】CN201510055865
【发明人】高杨, 尹汐漾, 何婉婧, 韩宾, 李君儒, 蔡洵, 赵俊武, 赵坤丽
【申请人】中国工程物理研究院电子工程研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月3日