薄膜體聲波諧振器(FBAR,thin-film bulk acousTIc wave resonators)是一種新型的微型電聲諧振器,具有靈敏度高、準數字量輸出、便于集成、工作頻率高等特點。目前,FBAR主要應用于高精度的生物和化學分子檢測,在力學傳感器領域已有將FBAR應用于壓力和加速度傳感器的先例。
2005年,西門子公司Weber報道了一種新型FBAR環境壓力/材料應變傳感器提出了兩種結構。第一種是環境壓力傳感器結構如下圖1所示,這種結構可用于流體壓力的測量。硅制膜片將上下兩個空間分隔開,空間中的流體或氣體的壓力不同導致膜片彎曲,壓電材料正位于硅膜片之上,因此膜片的彎曲應變耦合到壓電材料中并由此引起應力。另外一種是材料應變傳感器結構如下圖2所示,這種傳感器的敏感元件采用的是固態裝配型諧振器(SMR,Solidly Mounted Resonators)。通過一種特殊的粘附材料將諧振器與襯底粘粘在一起,襯底的應變通過粘附層傳遞到諧振器壓電層中,可用于測量襯底的應變。
圖1 環境壓力傳感器結構
圖2 材料應變傳感器結構
2007年,Chiu等報道了一種高性能薄膜體聲波壓力和溫度傳感器,傳感器橫截面示意圖如圖3所示。壓力進氣孔直通壓力檢測元件FBAR,當FBAR上下表面形成壓力差時會發生面外形變并在FBAR薄膜結構中產生面內應力,從而引起FBAR的諧振頻率漂移。
圖3 Chiu的FBAR壓力和溫度傳感器橫截面示意圖
Campanella等在2007年和2009年報道了兩種FBAR微加速度計,根據FBAR與硅微結構的結合方式,分為嵌入式FBAR(embedded-FBAR)和FBAR-梁(FBAR-beam)兩種結構,其中嵌入式FBAR結構微加速度計掃描電子顯微鏡圖和部分結構示意圖如圖4所示。FBAR-梁結構微加速度計與嵌入式FBAR結構微加速度計基本相同,只是將FBAR作為支撐梁。當慣性力作用于微加速度計時,由于質量塊質量較大,慣性力也大,其慣性力通過梁傳遞到FBAR結構上,FBAR受應力作用,由于FBAR的應力負載效應,其諧振頻率發生偏移。
圖4 Campanella的FBAR微加速度計
2015年,FBAR全球領先廠商Avago報道了一種FBAR胎壓傳感器,其結構示意圖如圖5所示,傳感器結構與讀出電路通過半導體鍵合工藝實現單片集成。壓力通過深反應離子刻蝕的通道作用于傳感FBAR,使其發生面外形變并在薄膜中產生面內應力,傳感FBAR與參考FBAR的差分輸出模式可以有效地消除環境干擾。
圖5 Avago的FBAR胎壓傳感器
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