MEMS传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种MEMS传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法。

背景技术

MEMS微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器。以上各种传感器器件的核心部分为谐振元件，谐振元件的性能直接决定器件的产品等级。

现有技术的谐振元件通常通过单根振梁进行震动，来使压电层产生形变，其振梁的每次振动仅能产生一次电信号，导致输出信号的频率低，电信号输出延迟较大，同时现有技术中压电层底部的衬底会对压电层的形变产生限制，导致压电层的形变灵敏度受影响，压电层的压电模量不足。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种MEMS传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法，旨在解决现有技术的谐振元件输出信号频率低，压电模量不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种薄膜力敏谐振元件的制造方法，包括以下步骤：

提供衬底，在所述衬底上开设空腔，并在所述空腔内填充氧化物形成氧化层，所述氧化层的顶面与所述衬底的顶面平齐；

在所述衬底上制备压电层，所述压电层覆盖所述氧化层；

图形化所述压电层，以使所述压电层形成沿第一方向间隔设置的第一锚点和第二锚点，以及连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的两个振梁，其中，两个所述振梁沿第二方向间隔设置，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第一锚点位于所述衬底上，所述第二锚点及两个所述振梁均位于所述氧化层上；

在所述压电层上制备两个环形的激励电极，其中，两个所述激励电极均经过所述第一锚点、所述第二锚点和两个所述振梁，且其中一个所述激励电极间隔的套设于另一个所述激励电极外侧；

去除所述氧化层，以使所述第二锚点和两个所述振梁悬空设置，获得所述薄膜力敏谐振元件。

优选地，所述提供衬底，在所述衬底上开设空腔，并在所述空腔内填充氧化物形成氧化层，所述氧化层的顶面与所述衬底的顶面平齐的步骤包括：

提供衬底，在所述衬底上开设空腔；

在所述空腔内沉积氧化物，所述氧化物的顶面凸出于所述衬底的顶面；

研磨凸出于所述衬底顶部的所述氧化物直至所述氧化物的顶面与所述衬底的顶面平齐，获得所述氧化层。

优选地，所述衬底为Si晶圆衬底，所述衬底的厚度为200μm～1000μm，所述衬底的晶圆尺寸为50mm～300mm，所述空腔的深度为1μm～50μm，在所述空腔内沉积的所述氧化物的厚度为2μm～52μm。

优选地，所述在所述衬底上制备压电层，所述压电层覆盖所述氧化层的步骤包括：

通过PVD溅射工艺在所述衬底上制备材质为AlN或ScAlN的压电层，其中，所述压电层的厚度为200nm～10000nm。

优选地，所述图形化所述压电层，以使所述压电层形成沿第一方向间隔设置的第一锚点和第二锚点，以及连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的两个振梁的步骤包括：

在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

在所述光刻胶上形成第一预设图案，以将除所述第一预设图案外的所述压电层露出；

通过干法刻蚀工艺将露出的所述压电层刻蚀，形成所述第一锚点、所述第二锚点和两个所述振梁。

优选地，所述在所述压电层上制备两个环形的激励电极的步骤包括：

在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

在所述光刻胶上形成第二预设图案，以将所述第二预设图案下方的所述压电层露出，其中，所述第二预设图案包括两个环形回路，其中一个环形回路间隔的套设于另一个所述环形回路外，各所述环形回路依次经过所述第一锚点、其中一个所述振梁、所述第二锚点和另一个所述振梁；

在所述压电层上溅镀20nm～50nm厚的TiW或100nm～1000nm厚的Au形成金属层；

去除所述光刻胶以及所述光刻胶上的所述金属层，以形成两个所述激励电极。

优选地，所述第一锚点和所述第二锚点均呈轴对称结构，所述第一锚点和所述第二锚点的对称轴同轴，且所述对称轴沿所述第一方向延伸，两个所述振梁沿所述对称轴对称设置。

优选地，各所述振梁与所述第一锚点和所述第二锚点连接的两端均形成挠性支撑部，所述挠性支撑部沿所述第二方向的宽度大于所述振梁沿所述第二方向的宽度，沿所述第二方向的两个所述挠性支撑部之间形成有间隙。

本发明还提供一种薄膜力敏谐振元件，包括：

衬底，所述衬底上开设有空腔；

压电层，所述压电层包括第一锚点、第二锚点和连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的两个振梁，所述第一锚点和所述第二锚点沿第一方向间隔设置，两个所述振梁沿第二方向间隔设置，各所述振梁与所述第一锚点和所述第二锚点连接的两端均形成挠性支撑部，所述挠性支撑部沿所述第二方向的宽度大于所述振梁沿所述第二方向的宽度，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第一锚点位于所述衬底上，所述第二锚点和两个所述振梁位于所述空腔上方并悬空设置；

两个激励电极，两个所述激励电极均设置在所述压电层上方，两个所述激励电极均经过所述第一锚点、所述第二锚点和两个所述振梁，且其中一个所述激励电极间隔的套设于另一个所述激励电极外侧。

本发明还提供一种MEMS传感器，所述传感器应用有上述的薄膜力敏谐振元件。

在本发明的技术方案中，在衬底上开设空腔，并将压电层图形化形成沿第一方向间隔设置的第一锚点和第二锚点，以及连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的两个振梁，应用过程中，通过激励电极向压电层输入电信号使得压电层形变产生振动，或通过加速度产生的惯性带动压电层形变产生振动，在此过程中振动产生的机械波会在特定的频率与压电材料共振，形成谐振波，谐振波又作用于压电层，压电层形变产生调制电信号，调制电信号被金属电极接收，在此过程种产生的差分信号被电路检测分析出，通过电路转换为需要检测的数据，如频差，速度，加速度等。本申请通过设置两个间隔设置的振梁，两个振梁在振动时会有时间差，因此其产生的电信号也存在时间差，相比于单根振梁，两个交替产生的电信号之间的时间间隔更短，因此提高了电信号的输出频率，同时使第一锚点与衬底连接，第二锚点和两个振梁悬空设置，使得压电层对于环境的变化感知更加灵敏，提高了压电层的压电模量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的制造方法的流程框图；

图2为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的制造方法的步骤S100的细化流程框图；

图3为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的制造方法的步骤S300的细化流程框图；

图4为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的制造方法的步骤S400的细化流程框图；

图5为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的衬底及空腔的侧视剖面示意图；

图6为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S100时的侧视剖面示意图；

图7为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S200时的侧视剖面示意图；

图8为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S300时的侧视剖面示意图；

图9为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S300时的俯视结构示意图；

图10为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S400时的侧视剖面示意图；

图11为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件对应步骤S400时的俯视结构示意图；

图12为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的侧视剖面示意图；

图13为本发明一实施例薄膜力敏谐振元件的俯视结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种薄膜力敏谐振元件的制造方法。

请结合图1以及图5～图13，本实施例的一种薄膜力敏谐振元件的制造方法，包括以下步骤：

S100：提供衬底，在所述衬底上开设空腔，并在所述空腔内填充氧化物形成氧化层，所述氧化层的顶面与所述衬底的顶面平齐；

空腔11位于衬底10的中间部位，不能靠近衬底10的边缘设置，需要在衬底10的两侧边缘留下部分用于支撑，氧化层12可以是非金属的氧化物，也可以是金属的氧化物，氧化层12填满空腔11，并与衬底10的顶面平齐，具体地，氧化层12可以是氧化硅；

S200：在所述衬底上制备压电层，所述压电层覆盖所述氧化层；

压电层20铺满衬底10，并覆盖氧化层12；

S300：图形化所述压电层，以使所述压电层形成沿第一方向间隔设置的第一锚点和第二锚点，以及连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的两个振梁，其中，两个所述振梁沿第二方向间隔设置，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第一锚点位于所述衬底上，所述第二锚点及两个所述振梁均位于所述氧化层上；

通过刻蚀工艺将压电层20刻蚀，将多余部分的压电层20刻蚀去除，以形成第一锚点21、第二锚点22和连接在第一锚点21和第二锚点22之间的两个振梁23，第一锚点21位于衬底10上，第二锚点22位于氧化层12上，由于后续需要将氧化层12去除以使第二锚点22和两个振梁23悬空，因此整个压电层20的支撑仅剩第一锚点21部分，通常来说，第一锚点21的尺寸需要大于第二锚点22的尺寸，以提高第一锚点21与衬底10的接触面积；

S400：在所述压电层上制备两个环形的激励电极，其中，两个所述激励电极均经过所述第一锚点、所述第二锚点和两个所述振梁，且其中一个所述激励电极间隔的套设于另一个所述激励电极外侧；

两个激励电极30位于压电层20的上方，并与外部电源连接，激励电极30呈经过所述第一锚点21、所述第二锚点22和两个所述振梁23的环形结构，使其可以与压电层20的任意部位均有接触，激励电极30用于向压电层20提供电场以使压电层20发生逆压电效应产生形变和振动；

S500：去除所述氧化层，以使所述第二锚点和两个所述振梁悬空设置，获得所述薄膜力敏谐振元件。

通过腐蚀工艺将氧化层12去除的同时保留压电层20，由于第二锚点22和两个振梁23均位于氧化层12的上方，因此氧化层12取出后第二锚点22和两个振梁23均呈悬空设置，类似弹簧结构，能够灵敏的感知环境的变化，使压电材料更有效的压电转换。

在本发明的技术方案中，在衬底10上开设空腔11，并将压电层20图形化形成沿第一方向间隔设置的第一锚点21和第二锚点22，以及连接在所述第一锚点21和所述第二锚点22之间的两个振梁23，应用过程中，通过加速度产生的惯性带动压电层20形变产生振动，在此过程中振动产生的机械波会在特定的频率与压电材料共振，形成谐振波，谐振波又作用于压电层20，压电层20形变产生调制电信号，同时通过激励电极30向压电层20提供电场，以增强压电层20的压电效应，使振梁23和压电层20对外部振动更加敏感，调制电信号被金属电极接收，在此过程中产生的差分信号被电路检测分析出，通过电路转换为需要检测的数据，如频差，速度，加速度等。本申请通过设置两个间隔设置的振梁23，两个振梁23在振动时会有时间差，因此其产生的电信号也存在时间差，相比于单根振梁23，两个交替产生的电信号之间的时间间隔更短，因此提高了电信号的输出频率，同时使第一锚点21与衬底10连接，第二锚点22和两个振梁23悬空设置，使得压电层20对于环境的变化感知更加灵敏，提高了压电层20的压电模量。

请结合图2、图5和图6，在一实施例中，步骤S100包括：

S110：提供衬底，在所述衬底上开设空腔；

衬底的材质可根据实际需要选用，衬底

S120：在所述空腔内沉积氧化物，所述氧化物的顶面凸出于所述衬底的顶面；

氧化物需要填满空腔，并使氧化物突出于衬底的表面，以使氧化物可以填满空腔的所有部分；

S130：研磨凸出于所述衬底顶部的所述氧化物直至所述氧化物的顶面与所述衬底的顶面平齐，获得所述氧化层。

将突出于衬底10顶部的氧化物全部研磨，直至突出于衬底10顶部的所有氧化物全部研磨殆尽，使得氧化物的顶面与衬底10的顶面平齐，便于后续制备压电层20时，保持压电层20的厚度均匀，

具体地，所述衬底10为Si晶圆衬底10，所述衬底10的厚度为200μm～1000μm，所述衬底10的晶圆尺寸为50mm～300mm，所述空腔11的深度为1μm～50μm，在所述空腔11内沉积的所述氧化物的厚度为2μm～52μm。Si作为半导体领域中最常用的衬底10，硅易于微纳加工，使制造过程更简便，且硅容易与其他传感器或电子元件集成，形成更复杂的集成电路，硅是稳定和可靠的材料，有助于确保传感器的长期性能和稳定性。空腔11的深度不超过衬底10厚度的1/3。

在一实施例中，步骤S200包括：

S210：通过PVD溅射工艺在所述衬底上制备材质为AlN或ScAlN的压电层，其中，所述压电层的厚度为200nm～10000nm。

PVD溅射工艺的优点包括均匀沉积、高纯度、适用于多种材料、精密控制、环保友好、热稳定性，压电材料选用AlN压电材料，AlN具有优良的导热性、高压拉曼位移蠕变小和温度稳定特性，可工作在条件要求严格的环境下。沉积的AlN压电材料，亚原子级薄膜生长厚度，保证了频率的一致性，可以理解地，AlN可以是单晶的，也可以是多晶的，可以是掺Sc的(ScAlN)，也可以是非掺Sc的。

请结合图3、图8和图9，在一实施例中，步骤S300包括：

S310：在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

S320：在所述光刻胶上形成第一预设图案，以将除所述第一预设图案外的所述压电层露出；

S330：通过干法刻蚀工艺将露出的所述压电层刻蚀，形成所述第一锚点、所述第二锚点和两个所述振梁。

通过光刻工艺在压电层20上形成第一预设图案，然后通过干法刻蚀工艺将除第一预设图案外的压电层20刻蚀，剩余部分的压电层20形成第一锚点21、第二锚点22和两个振梁23，干法刻蚀过程中，可以通过精确控制工艺参数，实现对特定材料的高选择性刻蚀，从而可以提高压电层20的刻蚀精度。

请结合图4、图10和图11，进一步地，步骤S400包括：

S410：在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

S420：在所述光刻胶上形成第二预设图案，以将所述第二预设图案下方的所述压电层露出，其中，所述第二预设图案包括两个环形回路，其中一个环形回路间隔的套设于另一个所述环形回路外，各所述环形回路依次经过所述第一锚点、其中一个所述振梁、所述第二锚点和另一个所述振梁；

S430：在所述压电层上溅镀20nm～50nm厚的TiW或100nm～1000nm厚的Au形成金属层；

S440：去除所述光刻胶以及所述光刻胶上的所述金属层，以形成两个所述激励电极。

通过光刻工艺在压电层20上形成第二预设图案，第二预设图案包括两个环形回路，环形回路依次经过第一锚点21、其中一个振梁23、第二锚点22和另一个振梁23，以使激励电极30可以遍历第一锚点21、第二锚点22和两个振梁23，从而使得覆盖更大面积的压电层20，激励电极30通电时可以使压电层20各处均发生压电反应，同时两个激励电极30之间没有接触，防止串流。

进一步地，两个激励电极30上均设置有焊盘区，两个焊盘区均位于第一锚点21上，且两个激励电极30的焊盘区尺寸不同。两个焊盘区用于与外部电源连接，同时两个焊盘区尺寸不同，便于分辨两个不同的激励电极30。

具体地，第一锚点21和第二锚点22均呈轴对称结构，第一锚点21和第二锚点22的对称轴同轴，且对称轴沿第一方向延伸，两个振梁23沿对称轴对称设置。谐振元件需要装配在一些敏感部件上，谐振元件放置的位置会影响工作时的状态，同时谐振元件的角度和对称性都会影响性能，因此将第一锚点21和第二锚点22均设置成轴对称结构，振梁23轴对称设置，可以提高谐振元件的敏感度和检测精度。

在一实施例中，各振梁23与第一锚点21和第二锚点22连接的两端均形成挠性支撑部24，挠性支撑部24沿第二方向的宽度大于振梁23沿第二方向的宽度，沿第二方向的两个挠性支撑部24之间形成有间隙。通过在振梁23的两端均设置挠性支撑部24，从而加强振梁23的支撑强度和减少振梁23的振动损耗。

请结合图12和图13，本发明还提供一种薄膜力敏谐振元件1，包括衬底10、压电层20和两个激励电极30，衬底10上开设有空腔11；压电层20包括第一锚点21、第二锚点22和连接在第一锚点21和第二锚点22之间的两个振梁23，第一锚点21和第二锚点22沿第一方向间隔设置，两个振梁23沿第二方向间隔设置，各振梁23与第一锚点21和第二锚点22连接的两端均形成挠性支撑部24，挠性支撑部24沿第二方向的宽度大于振梁23沿第二方向的宽度，第一方向和第二方向垂直，第一锚点21位于衬底10上，第二锚点22和两个振梁23位于空腔11上方并悬空设置；两个激励电极30均设置在压电层20上方，两个激励电极30均经过第一锚点21、第二锚点22和两个振梁23，且其中一个激励电极30间隔的套设于另一个激励电极30外侧。

在本发明的技术方案中，在衬底10上开设空腔11，并将压电层20图形化形成沿第一方向间隔设置的第一锚点21和第二锚点22，以及连接在所述第一锚点21和所述第二锚点22之间的两个振梁23，应用过程中，通过加速度产生的惯性带动压电层20形变产生振动，在此过程中振动产生的机械波会在特定的频率与压电材料共振，形成谐振波，谐振波又作用于压电层20，压电层20形变产生调制电信号，同时通过激励电极30向压电层20提供电场，以增强压电层20的压电效应，使振梁23和压电层20对外部振动更加敏感，调制电信号被金属电极接收，在此过程中产生的差分信号被电路检测分析出，通过电路转换为需要检测的数据，如频差，速度，加速度等。本申请通过设置两个间隔设置的振梁23，两个振梁23在振动时会有时间差，因此其产生的电信号也存在时间差，相比于单根振梁23，两个交替产生的电信号之间的时间间隔更短，因此提高了电信号的输出频率，同时使第一锚点21与衬底10连接，第二锚点22和两个振梁23悬空设置，使得压电层20对于环境的变化感知更加灵敏，提高了压电层20的压电模量。

本发明还提供一种MEMS传感器，MEMS传感器应用有上述的薄膜力敏谐振元件1。该薄膜力敏谐振元件1的具体结构参照上述实施例，由于本MEMS传感器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。