[发明专利]膜片上FBAR结构的微加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种膜片上FBAR(薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonators)结构的微加速度计，该结构的微加速度计具有刚度高，模态间的交叉耦合小，灵敏度高及线性度好等特点。

技术背景

微加速度计是最重要的MEMS传感器之一，目前主要采用电容、压阻、场效应晶体管等检测原理，表头输出微弱的模拟信号，容易受到环境温度、寄生电容、电磁干扰等因素的影响，很难满足中高精度惯性测量的要求。基于微机械谐振器的谐振式微加速度计输出频率为准数字信号，具有抗干扰能力强、分辨率和测量精度高，适合单片集成等优点，但复杂的微机械结构、驱动与检测模式的耦合等易于导致器件可靠性、稳定性等方面的问题。

薄膜体声波谐振器(FBAR，thin-film bulk acoustic wave resonators)是一种新型的微型电声谐振器，具有高灵敏度、高工作频率和低功耗等特点。以FBAR替代微机械谐振器，结合典型的硅微惯性力敏结构，可以构建一种新型的高频谐振式微加速度计，满足目标探测、识别与控制系统对高灵敏度、低功耗、高可靠性、稳定性好的中高精度微加速度计的需求。微加速度计的工作原理是：当惯性力作用于质量块时，带动支撑质量块的悬臂梁变形，使得集成在悬臂梁上的FBAR产生应变，导致FBAR谐振频率偏移；利用适当的射频电路或矢量网络分析仪测量FBAR的谐振频率偏移，实现惯性加速度的读出或测量。

由全球高精度惯性器件领先制造商SEIKO EPSON的子公司EPSON Europe Electronics GmbH资助研究的一种基于FBAR的射频谐振式微加速度计，该种微加速度计提出了两种结构：FBAR-梁(FBAR-beam)结构和嵌入式FBAR(embedded-FBAR)结构，嵌入式FBAR结构采用空腔型FBAR，微加工工艺复杂；FBAR-梁式结构，其特征在于采用通孔型FBAR，FBAR即为微加速度计的检测元件，又作为微加速度计的悬臂梁。该方案的缺点是：一、FBAR作为悬臂梁，器件的机械强度差，量程小；二、FBAR不具有温度补偿层，温度对FBAR谐振频率影响大；三、由于采用传统的悬臂梁结构，引线的分布受梁宽的限制。四、由于整个FBAR器件作为悬臂梁，惯性力作用时FBAR所受应力分布不均匀，导致微加速度计的检测误差较大。四、采用悬臂梁式结构，一阶模态频率与其他阶模态频率相隔较近，容易模态间的交叉耦合。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所公开了公开号为CN101271124B，公开日是2010年9月29日的中国发明专利文献，该文献涉及一种L形梁压阻式微加速度计及其制作方法，该技术方案的特征在于弹性梁呈L形，每根L形梁上有两个阻值相等的压敏电阻组成惠斯通电桥的单边应变电桥。该方案的主要缺点是：一、输出的信号为模拟信号，易受外界环境影响，信号检测电路复杂；二、L形弹性梁的工艺制作复杂，需要在硅片上光刻出L形弹性梁窗口，并通过干法刻蚀释放出L形弹性梁的结构。三、引线的分布受L形弹性梁梁宽的限制；四、压敏电阻的灵敏度低，不能满足中高精度惯性测量的要求。

北京航空航天大学公开了一种谐振式微机械加速度计，公开号为CN1844931A，该发明的特征在于“回”字型质量块设计能过使元件在有限体积下实现较大的质量块，谐振梁采用双端固定音叉的形式，并且通过细颈结构与外界连接，有效减小谐振梁和外围结构的能量耦合。该方案的缺点是：一、该种微加速度计具有复杂的微机械结构，制造复杂。二、工作在Hz的频率范围，不能满足高频领域微加速度计的应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种膜片上FBAR结构的微加速度计，该种结构的微加速度计除了具有高灵敏度(Δf/a在100kHz/g量级)、低功耗(FBAR具有低功耗的优点)、高可靠性(避免了微机械谐振器中各种复杂的机/电失效模式)、制造性好(没有微机械谐振器中运动形式复杂的精细可动结构、CMOS工艺兼容易于单片集成)、高工作频率(f0在GHz量级)，还能改善温度对FBAR灵敏度的影响，增加了器件的机械强度，引线的分布不再受梁宽的限制，一阶模态频率与其他阶相去甚远，模态间的交叉耦合小，且采用工艺较为简单的背腔刻蚀工艺即可形成质量块与弹性膜片；膜片上FBAR结构的微加速度计，可能满足目标探测、识别与控制系统对中高精度等级、高稳定性的微加速度计的需求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：