(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210749619.7 (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 电子科技大 学 地址 611731 四川省成 都市高新区 （西区） 西源大道 2006号 申请人 北京新风航天装备有限公司 (72)发明人 涂程　乔琳倩　武颖杰　吕秀梅　 张自强　张晓升　 (74)专利代理 机构 电子科技大 学专利中心 51203 专利代理师 甘茂 (51)Int.Cl. G01D 5/12(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于功能 电极层的温湿度传感器及其 制备方法 (57)摘要 本发明属于射频微机电系统技术领域， 提供 一种基于功能电极层的温湿度传感器及其制备 方法， 用以解决现有器件存在的体积大、 良品率 低、 检测信号弱等问题。 本发明温湿度传感器包 括： 衬底与通过支撑梁悬空设置于衬底上的谐振 体； 采用开有刻蚀窗口的圆盘型谐振体， 在压电 薄膜层3的上、 下表面分别设置功能电极层4、 检 测电极层2， 功能电极接地， 通过检测电极对谐振 信号进行检测， 分别通过频率信息与幅度信息实 现温度与湿度传感； 功能电极层与低声波损耗层 的使用、 检测电极层与功能电极层分隔设计以及 刻蚀窗口都有效提升了器件的稳定性； 并且， 该 温湿度传感器的制备方法具有工艺简单、 可靠的 优点， 有利于实现高良品率的工业 化生产。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115127594 A 2022.09.30 CN 115127594 A 1.一种基于功能电极层的温湿度传感器， 包括： 衬底与通过支撑梁悬空设置于衬底上 的谐振体； 其特征在于， 所述谐振体为圆盘型， 由低声波损耗层(1)、 设置于低声波损耗层上 方的检测电极层(2)、 设置于检测电极层上方的压电薄膜层(3)、 以及设置于压电薄膜层上 的功能电极层(4)构成； 所述检测电极层由对称设置的劣弓形输入电极与劣弓形输出电极 构成； 所述谐振体中开设有若干个刻蚀窗口(5)， 所述刻蚀窗口呈圆环阵列分布或方形阵列 分布、 且阵列中心均位于谐振体中心处， 所述刻蚀窗口于功能电极层下 方贯穿至空气腔。 2.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述刻蚀窗口的形 状为长方 形、 梯形、 椭圆形、 圆形或两端为圆弧形倒角的长条 形。 3.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述功能电极层采 用石墨烯、 硅烯或二硫化钼， 其厚度为10 0纳米～3 00纳米。 4.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述衬底采用单晶 硅、 碳化硅或金刚石， 其厚度为3 00微米～5 00微米。 5.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述低声波损耗层 采用单晶硅或金刚石， 其厚度为5微米～10微米。 6.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述检测电极层采 用金属钼(Mo)、 金(Au)或铂金(Pt)， 其厚度为10 0纳米～3 00纳米。 7.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述压电薄膜层采 用铌酸锂(LN)、 钽酸锂(LT)、 氮化铝(AlN)、 氧化锌(ZnO)或锆钛酸铅(PZT)， 其厚度为400纳 米～600纳米。 8.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器， 其特征在于， 所述支撑梁为两对 T型支撑梁， 两对T型支撑梁分别位于谐振体的两条相互垂直的中线上。 9.按权利要求1所述基于功能电极层的温湿度传感器的制备方法， 其特征在于， 包括以 下步骤： S1： 清洁衬底； S2： 通过光刻工艺和反应离 子刻蚀(RIE)工艺在衬底中刻蚀形成空气腔； S3： 通过薄膜淀积工艺在空气腔中填充牺牲层， 并通过化学机械抛光(CMP)工艺整平衬 底上表面； S4： 通过键合方法制备低声 波损耗层覆盖器件上表面； S5： 通过剥离(Lift ‑off)工艺和金属薄膜溅射工艺在低声波损耗层 上表面制备图形化 的检测电极层、 金属焊 盘与金属连接线， 检测电极层位于 牺牲层的正上 方； S6： 通过薄膜淀积工艺制备压电薄膜层覆盖检测电极层； S7： 通过光刻工艺和反应离子刻蚀(RIE)工艺在低声波损耗层、 检测电极层与压电薄膜 层的预设位置开设刻蚀窗口； S8： 通过刻蚀窗口注入刻蚀剂， 去除空气腔中的牺牲层； S9： 通过化学气相沉积(CVD)法制备石墨烯薄膜、 硅烯薄膜或二硫化钼薄膜于金属基底 上， 并使用干 法转移将金属基底上的薄膜转移至压电薄膜层上表面， 作为功能电极层， 即制 备得本实施例中基于功能电极的温湿度传感器。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115127594 A 2一种基于功能电极层的温湿 度传感器及其制备方 法 技术领域 [0001]本发明属于射频微机电系统技术领域， 涉及温湿度传感器， 具体提供一种基于功 能电极层的温湿度传感器及其制备 方法。 背景技术 [0002]温度和湿度是生活中随处可体会到的两个重要物理量， 大自然的正常运转和人类 的生存发展均与温度、 湿度密切相关。 在日常生活中， 很多常见健康问题都与温度、 湿度有 着紧密的联系， 人体所处环境气温的高低是直接影响人体健康的关键因素， 人体所处的环 境湿度也与许多皮肤、 呼吸道疾病相关， 对温湿度精准检测并保证适当的环境湿度能够避 免部分疾病的产生。 此外， 在例如电路印制、 纺织业、 食品加工业等工业生产方面， 以及农 学、 畜牧业方面， 精准有效地对环境温湿度进行监测和控制也具有有重大意义。 因此， 基于 各个领域中对温湿度测试的需求以及物联网技术的发展， 研发拥有优良传感性能的温湿度 传感器始终是广泛关注的重点。 [0003]基于压电效应的微型谐振传感器已被广泛研究并应用， 主要包括薄膜体声波谐振 器(Thin ‑Film Bulk Acoustic  Wave Resonator,FBAR)和兰姆波谐振器(Lamb  Wave  Resonator,LWR)； 其中， FBAR和LWR多采用矩形形状的压电谐振器， 其在超高频段(>30MHz) 性能优异， 但在HF频段(3 ‑30MHz)时存在尺 寸较大， 寄生参数对系统影响大和压电材料换能 效率低等问题。 在相同性能水平的前提下， 圆盘型谐振器的尺寸要远小于矩形谐振器的尺 寸， 这一特点使得圆盘型谐振器更适合用作微型传感器； 另外， 现有温湿度传感器大都在谐 振体表面涂覆功能材料作为功能层， 不仅使得传感器的设计及加工变得十分复杂， 而且可 能会由于功能材 料的涂覆导 致器件顶层电极的破坏。 发明内容 [0004]本发明的目的在于针对现有温湿度传感器存在的体积大、 良品率低、 检测信号弱 等问题， 提供一种基于功 能电极层的温湿度传感器及其制备方法， 实现 同一传感器下 的温 度检测与湿度检测， 并且器件与CMOS(ComplementaryMetal ‑Oxide‑Semiconductor)兼容， 实现了传感器的可集成化。 [0005]为了实现上述目的， 本发明采用的技 术方案为： [0006]一种基于功能电极层的温湿度传感器， 包括： 衬底与通过支撑梁悬空设置于衬底 上的谐振体； 其特征在于， 所述谐振体为圆盘型， 由低声波损耗层1、 设置于低声波损耗层上 方的检测电极层2、 设置于检测电极层上方的压电薄膜层3、 以及设置于压电薄膜层上 的功 能电极层4构成； 所述检测电极层由对称设置的劣 弓形输入电极与劣 弓形输出电极构成； 所 述谐振体中开设有若干个刻蚀窗口5， 所述刻蚀窗口呈圆环阵列分布或方形阵列分布、 且阵 列中心均位于谐振体中心处， 所述刻蚀窗口于功能电极层下 方贯穿至空气腔。 [0007]进一步的， 所述刻蚀窗口的形状为长方形、 梯形、 椭圆形、 圆形或两端为圆弧形倒 角的长条 形。说　明　书 1/4 页 3 CN 115127594 A 3