压力和加速度传感器的FBAR应用

2022-10-07

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　　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，具有灵敏度高、准数字量输出、便于集成、工作频率高等特点。目前，FBAR主要应用于高精度的生物和化学分子检测，在力学传感器领域已有将FBAR应用于压力和加速度传感器的先例。

　　2005年，西门子公司Weber报道了一种新型FBAR环境压力/材料应变传感器提出了两种结构。第一种是环境压力传感器结构如下图1所示，这种结构可用于流体压力的测量。硅制膜片将上下两个空间分隔开，空间中的流体或气体的压力不同导致膜片弯曲，压电材料正位于硅膜片之上，因此膜片的弯曲应变耦合到压电材料中并由此引起应力。另外一种是材料应变传感器结构如下图2所示，这种传感器的敏感元件采用的是固态装配型谐振器（SMR，Solidly Mounted Resonators）。通过一种特殊的粘附材料将谐振器与衬底粘粘在一起，衬底的应变通过粘附层传递到谐振器压电层中，可用于测量衬底的应变。

　　图1 环境压力传感器结构

　　图2 材料应变传感器结构

　　2007年，Chiu等报道了一种高性能薄膜体声波压力和温度传感器，传感器横截面示意图如图3所示。压力进气孔直通压力检测元件FBAR，当FBAR上下表面形成压力差时会发生面外形变并在FBAR薄膜结构中产生面内应力，从而引起FBAR的谐振频率漂移。

　　图3 Chiu的FBAR压力和温度传感器横截面示意图

　　Campanella等在2007年和2009年报道了两种FBAR微加速度计，根据FBAR与硅微结构的结合方式，分为嵌入式FBAR（embedded-FBAR）和FBAR-梁（FBAR-beam）两种结构，其中嵌入式FBAR结构微加速度计扫描电子显微镜图和部分结构示意图如图4所示。FBAR-梁结构微加速度计与嵌入式FBAR结构微加速度计基本相同，只是将FBAR作为支撑梁。当惯性力作用于微加速度计时，由于质量块质量较大，惯性力也大，其惯性力通过梁传递到FBAR结构上，FBAR受应力作用，由于FBAR的应力负载效应，其谐振频率发生偏移。

　　图4 Campanella的FBAR微加速度计

　　2015年，FBAR全球领先厂商Avago报道了一种FBAR胎压传感器，其结构示意图如图5所示，传感器结构与读出电路通过半导体键合工艺实现单片集成。压力通过深反应离子刻蚀的通道作用于传感FBAR，使其发生面外形变并在薄膜中产生面内应力，传感FBAR与参考FBAR的差分输出模式可以有效地消除环境干扰。