MEMS传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法与流程

本发明涉及传感器，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、在所述衬底上制备压电层，所述压电层覆盖所述氧化层；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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：

9、提供衬底，在所述衬底上开设空腔；

10、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；

11、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。

12、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。

13、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：

14、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。

15、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：

16、在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

17、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；

18、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。

19、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：

20、在所述压电层上方铺设一层光刻胶；

21、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；

22、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；

23、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。

24、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。

25、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。

26、本发明还提供一种薄膜力敏谐振元件，包括：

27、衬底，所述衬底上开设有空腔；

28、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；

29、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。

30、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。

31、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。

技术特征：

1.一种薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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：

3.如权利要求2所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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。

4.如权利要求1所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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：

5.如权利要求1所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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：

6.如权利要求1至5中任一项所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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：

7.如权利要求1至5中任一项所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的薄膜力敏谐振元件的制造方法，其特征在于，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。

9.一种薄膜力敏谐振元件，其特征在于，包括：

10.一种mems传感器，其特征在于，所述传感器应用有如权利要求9所述的薄膜力敏谐振元件。

技术总结本发明公开了一种MEMS传感器、薄膜力敏谐振元件及其制造方法。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，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。技术研发人员：张汪根,樊永辉,贾春楠,许明伟,樊晓兵受保护的技术使用者：深圳市汇芯通信技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/2/6