基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别涉及一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用，属于传感器技术领域。

背景技术

温度是科学研究和工业生产中的一个重要技术参量，现代工业的不断发展对温度控制提出了更高的要求。对于植入式和高温等恶劣应用场合，无线和无源的温度传感器因不需要其它电子元件配合，具有明显的优势。目前已经有不少的相关研究，如基于SAW器件、微型天线和超表面天线的无线温度传感器。

薄膜体声波滤波器(FBAR)具有尺寸小、工作频率高和更高的品质因数等优势，可以大幅降低天线的尺寸，也可被用于制备无线传感器。此外，基于FBAR的温度传感器输出是频率的形式，很容易转换为数字，且不容易受到电路噪声的影响，具有独特的优势。

FBAR是一种声电换能器，工作机理是压电薄膜的压电效应。其中，常见的压电材料有AlN、PZT、ZnO及LiNbO

以AlN FBAR器件为例，本征频率温度系数(TCF)约为-25ppm/℃，大多数的电极金属的TCE都比它大，2009年，Kao等人通过提高Al电极在AlN FBAR中的厚度比例，将TCF提高到-34.5ppm/℃，对应的温度灵敏度为82.8kHz/℃，通过在AlN中掺杂Sc可以提高AlN的TCE温度灵敏度，也可用于提高传感器的温度灵敏度。2021年，WANG等制备了基于Al

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于尺寸效应的薄膜体声波谐振器，包括依次叠设在谐振腔上的的第一电极和第二电极，所述第一电极与第二电极之间设置有压电层；所述第一电极和第二电极之间还设置有纳米级厚度的插入层。

进一步的，所述插入层的厚度为10-40nm。

进一步的，所述插入层的材质包括Ti、Ni、Cu、W、Al或Si，但不限于此。

进一步的，所述插入层被设置于所述薄膜体声波谐振器内部的大应力区。

进一步的，所述插入层叠设在所述压电层与第一电极和第二电极中的任一者之间。

进一步的，所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的厚度d

进一步的，所述插入层的晶体形态为非晶或择优取向。

进一步的，所述插入层设置在压电层与第二电极之间，并且所述第二电极的晶粒尺寸大于所述插入层的晶粒尺寸。

进一步的，所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底上，所述衬底内形成有所述谐振腔。

更进一步的，所述谐振腔形成于衬底的第一表面上，并且所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底的第一表面上；或者，所述谐振腔形成于衬底的第二表面上，并且所述第一电极、压电层和第二电极依次叠设在衬底的第一表面上，所述第一表面与第二表面相背对。

进一步的，所述第一电极、压电层、第二电极依次叠设在衬底上，其中至少是所述第一电极的局部区域沿远离衬底的方向内凹形成谐振腔。

进一步的，所述压电层的材质包括AlN、ZnO、PZT及LiNbO

进一步的，所述压电层的厚度为50nm-5000nm。

进一步的，所述第一电极的材质包括Mo、Al、Pt和W中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述第二电极的材质包括Mo、Al、Pt、W、Ni、Au、FeGa、FeNi和FeGaB中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述第一电极的厚度为50nm-2000nm。

进一步的，所述第二电极的厚度为50nm-2000nm。

本发明实施例还提供了一种温度传感器，包括所述薄膜体声波谐振器。

本发明实施例还提供了所述薄膜体声波谐振器或所述温度传感器在温度检测中的用途。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种FBAR温度传感器，通过在FBAR中插入一层纳米级厚度的插入层，在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高了FBAR温度传感器的探测灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例1中一种FBAR温度传感器的结构示意图；

图2a是本发明实施例1中一种FBAR温度传感器的显微结构图；

图2b是本发明实施例1中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图；

图3a是本发明实施例1中一种FBAR温度传感器的S11与温度之间的对应关系图；

图3b是本发明实施例1中一种FBAR温度传感器的谐振频率与温度的关系图；

图4本发明实施例1中制备的FBAR温度传感器的灵敏度与Ti插入层厚度的对应关系图；

图5a是本发明实施例2中一种FBAR温度传感器的结构示意图；

图5b是本发明实施例2中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图；

图5c是本发明实施例2中制备的FBAR温度传感器的灵敏度与Si插入层厚度的对应关系图；

图5d是本发明实施例2中Si插入层的厚度为23nm时，FBAR温度传感器的温度特性曲线；

图6a是本发明实施例3中一种FBAR温度传感器的结构示意图；

图6b是本发明实施例3中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图；

图7是本发明实施例4中一种FBAR温度传感器的制作流程结构图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中的器件的结构生长工艺，例如，溅射、刻蚀、外延等工艺均可以是本领域技术人员已知的。

具体的，当薄膜的厚度低于几十nm时，薄膜的杨氏模量(E)随温度的变化规律与薄膜的厚度直接相关，表现出尺寸效应。当薄膜的厚度变薄时，内聚能减小，原子之间的结合强度减弱，热膨胀系数增大。在同样的温差下，纳米级厚度的薄膜比体材料表现出更大的杨氏模量温度系数(TCE)。进一步的，本案发明人意外发现，在薄膜体声波谐振器(FBAR)中插入一层纳米级厚度(10-40nm)的薄膜，能够在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高FBAR的温度传感器的探测灵敏度。

以Ti为例，其具有高杨氏模量和高声速的优点，而且Ti的杨氏模量随温度的变化很敏感，在FBAR中插入一层纳米级厚度的Ti薄膜，可以在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高FBAR的温度传感器的探测灵敏度。

具体的，采用分子动力学方法模拟了温度对铜薄膜模量的影响，结果表明，铜薄膜的弹性模量随着温度的升高而降低，模量降低的速率随着薄膜厚度的减小而增大。模拟结果显示，具备同样规律的还有Ni、W、Al和硅，基于此，本案发明人发现，除了Ti之外，Ni、Cu、W、Al和Si等也适用于本发明。

本发明实施例提供的一种FBAR温度传感器的工作机理至少在于：器件谐振频率随测试温度发生变化，当被测试的温度发生变化时，纳米级厚度的插入层的杨氏模量发生剧烈变化，进而引起薄膜的声速和声阻抗发生剧烈变化，最终导致FBAR的谐振频率发生偏移。

本发明实施例提供的一种FBAR温度传感器的机理是体声波谐振，处于器件中的大应力区的材料对器件的温度灵敏度具有更大的影响。本发明可以通过调节上、下电极的厚度比例，将插入层设置在器件内部的大应力区。

本案发明人研究发现，纳米级厚度的插入层的杨氏模量变化对器件灵敏度的影响会增大，有利于获得更大的温度灵敏度。处于器件中的大应力区的材料对器件的温度特性具有更大的影响，而薄膜声速的快慢和厚度决定了器件中的应力的分布。本发明实施例将上电极的厚度dt设置为大于(V

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，如下实施例仅给出了插入层设置在压电层与第一电极和第二电极中的任一者之间的案例，当然，该插入层也可以设置在压电层内部；需要说明的是，本实施例仅仅是示意如何利用本发明内容，但并不是只能以此方式实施。

实施例1

本实施例采用Mo薄膜作为FBAR的下电极(即前述第一电极、下同)，AlN薄膜作为压电谐振层(即前述压电层、下同)，FeGa/Au薄膜作为上电极(即前述第二电极，下同)。

请参阅图1和图2a，一种FBAR温度传感器，包括依次叠设在硅衬底第一表面上的Mo下电极、AlN压电层、Ti插入层和FeGa/Au上电极，所述硅衬底第二表面设置有谐振腔，所述Mo下电极、AlN压电层、Ti插入层和FeGa/Au上电极设置在于所述谐振腔对应的谐振区域，其中，所述Ti插入层的厚度为20nm。

具体的，请参阅图2b，采用MEMS工艺制备该温度传感器的步骤如下：

1)以溅射台在(100)的高阻Si晶圆的正面依次沉积形成厚度为30nm的AlN缓冲层和厚度为200nm的Mo下电极，AlN缓冲层可以提高金属Mo的(110)择优取向，进而有利于促进AlN压电层的(002)择优取向程度；

2)以溅射台在Mo下电极上依次形成厚度为1000nm的AlN压电层、20nm的Ti插入层、200nm FeGa/20nm Au上电极；其中，Au用于防止FeGa材料氧化；

3)分别采用IBE和ICP刻蚀机对FeGa/Au上电极和AlN压电层、Mo下电极进行图形化加工处理，以PECVD设备在器件表面形成厚度为400nm的Si

4)将阻Si晶圆减薄到200μm，再采用深硅刻蚀设备在高阻Si晶圆的背面加工形成图形化的腔室，从而形成FBAR温度传感器。

采用网络分析仪和温控平台对测试FBAR温度传感器的谐振频率随温度的变化，并计算得到FBAR温度传感器的温度灵敏度，测试结果如图3a、图3b、图4所示，图3a是FBAR温度传感器的S11与温度的典型关系图，图3b是FBAR温度传感器谐振频率与温度的关系图，可以看出，随着温度从30℃上升到80℃，器件的谐振频率下降了28.3MHz。经过线性拟合得到温度探测的灵敏度约为546kHz/℃，频率与温度之间的线性度为0.9965。

具体的，除了20nm Ti插入层之外，本案发明人在研究过程中还制备了包含10nm、40nm、50nm和100nm Ti插入层的传感器。图4示出了传感器的灵敏度与Ti插入层厚度之间的关系，图4中同时给出了基于Mason模型的计算结果和本案发明人提供的试验测试数据，其中Mason数据是采用表1的参数计算得到，Ti的TCE参数采用的是文献报道(Bottoni G.，Candolfo D，Cecchetti A.，Giarda L.，and Masoli F.2010 Phys Status Solidi143K75)的数据。

表1 Mason模型采用的材料参数

根据Mason模型获悉，随着Ti的厚度从10nm增加到700nm时，传感器的灵敏度逐渐增加，最大值为315kHz/℃，这是由于Ti是一种负TCE材料，它对器件温度灵敏度的贡献会因厚度变厚而增大；而当厚度从700nm继续增大至1000nm时，灵敏度又逐渐减小，这是由于Ti的厚度太厚，会造成谐振频率逐渐变低，最终导致灵敏度下降。

实验结果显示，当Ti的厚度为50nm和100nm时，灵敏度的实验结果与Mason模型预测的相近，变化趋势一致，但是，本申请的发明人非常意外的发现，当Ti的厚度小于等于40nm时，传感器表现出了异常高的灵敏度；当Ti的厚度为20nm时，灵敏度达到了546kHz/℃，与计算结果(147kHz/℃)相比较，这是一种与厚度尺度效应相关的异常现象。而当Ti的厚度减薄至10nm时，该现象依然存在，但是与厚度20nm时，灵敏度稍小，即当Ti的厚度为20nm时，相应器件的灵敏度达到最大值。

通过试验发现，增大和减小Ti的厚度均能提高传感器灵敏度，但是与两者相比，基于厚度尺度效应的方法效果更加明显。实验结果显示，Al、Pt和W也具有优秀的声学特性，可用于FBAR滤波器的下电极，所以本实施例中的下电极Mo，也可以采用Al、Pt和W替代。

实施例2

本实施例采用Mo薄膜作为FBAR的下电极(即前述第一电极、下同)，AlN薄膜作为压电谐振层(即前述压电层、下同)，Ni/Au作为上电极(即前述第二电极，下同)。

请参阅图5a，一种FBAR温度传感器，包括依次叠设在硅衬底第一表面上的Mo下电极、AlN压电层、Si插入层和Ni/Au上电极，所述硅衬底第一表面设置有谐振腔，所述Mo下电极、AlN压电层、Si插入层和Ni/Au上电极设置在于所述谐振腔对应的谐振区域，其中，所述Si插入层的厚度为10nm。

具体的，请参阅图5b，采用MEMS工艺制备该温度传感器的步骤如下：

1)采用ICP刻蚀在高阻Si晶圆正面加工形成图形化的腔室，再采用PECVD生长牺牲层PSG，然后采用CMP工艺去除表面多余的PSG薄膜；

2)以溅射台在高阻Si晶圆的正面依次沉积形成厚度为30nm的AlN缓冲层和厚度为200nm的Mo下电极，AlN缓冲层可以提高金属Mo的(110)择优取向，进而有利于促进AlN压电层的(002)择优取向程度；以溅射台在Mo下电极上依次形成厚度为1080nm的AlN压电层，采用化学气相沉积法制备纳米级厚度的Si插入层，采用溅射台制备200nm Ni/30nm Au上电极；其中，Si插入层的厚度为10nm，Au用于防止Ni薄膜氧化；

3)分别采用IBE和ICP刻蚀机对Ni/Au上电极和AlN压电层、Mo下电极进行图形化加工处理，以PECVD设备在器件表面形成厚度为400nm的Si

4)采用ICP刻蚀形成释放孔，采用HF或者VHF释放腔室中的牺牲层PSG，从而形成FBAR温度传感器。

采用网络分析仪和温控平台对测试FBAR温度传感器的谐振频率随温度的变化，并计算得到FBAR温度传感器的温度灵敏度。除了厚度为10nm的硅插入层之外，实验中还制备了基于厚度为15nm、23nm、34nm、65nm、104nm、140nm和190nm的硅插入层的FBAR温度传感器。并对制备获得的FBAR温度传感器进行测试，测试结果如图5c、图5d所示，实验结果显示，当Si插入层的厚度为10nm-65nm时，FBAR温度传感器具有较高的温度灵敏度。

实验结果显示，Al、Pt和W具有优秀的声学特性，也可用于FBAR滤波器。鉴于此，所以本实施例中的下电极Mo，也可以采用Al、Pt和W替代。

实施例3

请参阅图6a和6b，一种FBAR温度传感器，包括依次叠设在硅衬底第一表面上的Al下电极、ZnO压电层、Cu插入层和W上电极，所述Al下电极的局部区域沿远离硅衬底的方向内凹形成谐振腔，所述Al下电极、ZnO压电层、Cu插入层和W上电极设置在与所述谐振腔对应的谐振区域，其中，所述Cu插入层的厚度为30nm。

本实施例中的FBAR温度传感器的制作工艺与实施例2基本一致。

实施例4

本实施例中的FBAR温度传感器的结构和制作工艺与实施例3基本一致，不同之处在于：本实施例采用Pt薄膜作为FBAR的下电极(即前述第一电极、下同)，PZT薄膜作为压电谐振层(即前述压电层、下同)，W薄膜作为上电极(即前述第二电极，下同)。

具体请参阅图7，一种FBAR温度传感器，包括依次叠设在硅衬底第一表面上的Pt下电极、PZT压电层、Ni插入层和W上电极，所述Pt下电极的局部区域沿远离硅衬底的方向内凹形成谐振腔，所述Pt下电极、PZT压电层、Ni插入层和W上电极设置在与所述谐振腔对应的谐振区域，其中，所述Ni插入层的厚度为30nm。

需要说明的是，本实施例仅仅是示意如何利用本发明内容，但并不是只能以此方式实施。本发明可以通过调节上、下电极的厚度比例，将插入层设置在器件内部的大应力区，纳米级厚度的插入层的杨氏模量变化对器件灵敏度的影响会增大，有利于获得更大的温度灵敏度。

本发明实施例提供的一种FBAR温度传感器，通过在FBAR中插入一层纳米级厚度的插入层，在不明显降低器件谐振频率的基础上，大幅提高了FBAR温度传感器的探测灵敏度。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。