膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵

【摘要】针对“FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁”结构悬臂梁厚度不足、“嵌入式FBAR”结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型“膜片上FBAR (FBAR-on-diaphragm)”结构的微加速度计.其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性.对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性.通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度.进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性.

【期刊名称】《中国惯性技术学报》

【年(卷),期】2015(023)002

【总页数】8页(P262-269)

【关键词】微电子机械系统;薄膜体声波谐振器;微加速度计;灵敏度

【作者】高杨;何婉婧;李君儒;黄振华;蔡洵

【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621999

【正文语种】中文

【中图分类】TB934

FBAR（薄膜体声波谐振器，film bulk acoustic-wave resonator）微加速度计是一种基于FBAR应力-谐振频率偏移特性的新型谐振式微加速度计，具有高灵敏度（Δf / gn在100 kHz/g量级[1]）、高稳定性（FBAR的温度稳定性[2]可达±10-5）、IC工艺兼容等优点，有望满足惯性导航与制导、重力测量、油气探测、振动监测等关键应用的需求。其工作原理是：惯性力作用于检测质量，带动支撑检测质量的悬臂梁变形，使得集成在悬臂梁上的FBAR产生应力，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[1]测量FBAR的谐振频率偏移，实现惯性加速度的读出或测量。

文献[1]提出了两种FBAR微加速度计表头结构：FBAR-梁（FBAR-beam）结构和嵌入式FBAR（embedded-FBAR）结构。嵌入式FBAR结构的微加工工艺较为复杂。对于FBAR-梁结构，兼顾性能和工艺性的设计会导致悬臂梁厚度不足，无法获得较大的量程。为了解决这一问题，提出了一种新颖的FBAR（FBAR-ondiaphragm）型微加速度计；由SiO2/Si3N4双层复合薄膜构成弹性膜片，既

便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工，也利于改善微加速度计的

灵敏度和温度稳定性。

通过有限元分析计算了SiO2/Si3N4膜片上FBAR结构的机械灵敏度和工作频率，验证了该结构的可行性。针对SiO2/Si3N4两层复合膜片与Al(顶电极)/AlN (压电层)/Pt(底电极)三层堆叠的FBAR构成的力-声-电多物理场耦合的集成化惯性力敏

结构，建立了五层复合FBAR的Mason模型等效电路，用于分析其阻抗特性。结合纤锌矿AlN（氮化铝）薄膜的应力-弹性系数关系的第一性原理计算结果，提出

了一种粗略估计膜片上FBAR型微加速度计灵敏度的方法。

FBAR-梁结构的微加速度计[1]主要特点是FBAR既作为检测元件，也是微加速度

计的悬臂梁，如图1(a)所示。其工作原理是检测质量将惯性加速度信号转换为作

用于FBAR叠层结构中压电层的应力，而FBAR作为应力调谐的电声谐振器，其

谐振频率将随压电层的应力作用而发生偏移[3]。

由于FBAR-梁结构的微加速度计悬臂梁厚度不足，无法获得较大的量程。在此基

础上提出了添加FBAR支撑层的设想，添加的FBAR支撑层同时作为微加速度计

的悬臂梁，这种FBAR微加速度计的表头结构可以称为“梁上FBAR（FBAR-on-beam）结构”。

该结构主要由两部分组成，第一部分是作为惯性力敏结构的检测质量-悬臂梁，检

测质量将惯性加速度信号转换为梁上的应力，再通过梁与FBAR的机械耦合，转

换为作用于FBAR叠层结构中压电层的应力。第二部分是作为检测元件的FBAR，其谐振频率将随压电层的应力作用而发生偏移。

图1(a)中的FBAR-梁结构，采用Si DRIE（Deep Reactive Ion Etching，深反应

离子刻蚀）制备背腔。DRIE刻蚀后背腔后残留的Si材料对FBAR的谐振特性有很大的影响，当Si的厚度大于1 μm时，FBAR会寄生多个谐振模式[3]。采用射频

仿真软件ADS分析，得到残留Si厚度为10 μm时FBAR的阻抗特性曲线，如图

2(a)所示，存在多个寄生的谐振模式。故DRIE制备背腔时，必须完全去除FBAR

背腔的Si。如果在梁上FBAR结构的微加速度计表头中采用Si作为悬臂梁，则需

要对Si梁背面、FBAR谐振区下方的Si进行二次套刻，以确保FBAR的背腔没有

残留的Si，这会显著增加器件的微加工工艺难度。

Si3N4具有高致密性、高介电常数、高绝缘强度等优良的物理性能及抗疲劳强度高、抗折断能力强等优良的机械性能，且较薄的Si3N4不会对FBAR谐振频率产

生影响[3]。因此，采用Si3N4制作梁上FBAR结构的微加速度计的悬臂梁是可行的。但是，由于工艺条件的限制，硅片上生长的低应力Si3N4薄膜不可能太厚，

如厚度只能达到500 nm，在背面Si DRIE时极易被过刻蚀损伤。因此，Si3N4单层支撑结构在工艺上是难以实现的。

由于SiO2在Si DRIE工艺中具有自停止性，且对FBAR有温度补偿提高温度稳定性的作用[4]，因此采用SiO2/Si3N4双层复合膜作为FBAR支撑层。在梁上FBAR结构的微加速度计表头中，该SiO2/Si3N4复合层也是悬臂梁的结构层，如图1(b)所示。同时，较薄的SiO2/Si3N4复合层不会影响FBAR的阻抗特性。采

用ADS仿真分析500 nm厚Si3N4与500 nm厚SiO2双层复合膜支撑的FBAR，得到其阻抗特性曲线，如图2(b)所示，与图2(a)对比可知没有出现寄生的谐振模式。然而，由于工艺条件的限制，硅片上生长的低应力SiO2薄膜同样不可能太厚，如厚度只能达到500 nm，难以提高加速度计的量程。此外，制备这种梁上FBAR 结构时，悬臂梁及梁上FBAR的加工同样需要精确对准，器件的可制造性并非得

到根本改善。

最终的解决方法是用弹性膜片替代悬臂梁，弹性膜片的材料为SiO2/Si3N4双层

复合薄膜，由此提出了“膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)型微加速度计”的

新方案。由于SiO2/Si3N4双层复合薄膜的圆膜片可以直接制作在硅片上，且与

圆柱体检测质量是同心的轴对称结构，与梁上FBAR结构的微加速度计相比，不