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(zhǔn)數(shù)字量輸出、便于集成、工作頻率高等特點(diǎn)。目前，F(xiàn)BAR主要應(yīng)用于高精度的生物和化學(xué)分子檢測(cè)，在力學(xué)傳感器領(lǐng)域已有將FBAR應(yīng)用于壓力和加速度傳感器的先例。
2005年，西門(mén)子公司W(wǎng)eber報(bào)道了一種新型FBAR環(huán)境壓力/材料應(yīng)變傳感器提出了兩種結(jié)構(gòu)。第一種是環(huán)境壓力傳感器結(jié)構(gòu)如下圖1所示，這種結(jié)構(gòu)可用于流體壓力的測(cè)量。硅制膜片將上下兩個(gè)空間分隔開(kāi)，空間中的流體或氣體的壓力不同導(dǎo)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(yīng)變耦合到壓電材料中并由此引起應(yīng)力。另外一種是材料應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)如下圖2所示，這種傳感器的敏感元件采用的是固態(tài)裝配型諧振器（SMR，Solidly Mounted Resonators）。通過(guò)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(yīng)變通過(guò)粘附層傳遞到諧振器壓電層中，可用于測(cè)量襯底的應(yīng)變。
圖1 環(huán)境壓力傳感器結(jié)構(gòu)
圖2 材料應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)
2007年，Chiu等報(bào)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(jìn)氣孔直通壓力檢測(cè)元件FBAR，當(dāng)FBAR上下表面形成壓力差時(shí)會(huì)發(fā)生面外形變并在FBAR薄膜結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生面內(nèi)應(yīng)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(bào)道了兩種FBAR微加速度計(jì)，根據(jù)FBAR與硅微結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式，分為嵌入式FBAR（embedded-FBAR）和FBAR-梁（FBAR-beam）兩種結(jié)構(gòu)，其中嵌入式FBAR結(jié)構(gòu)微加速度計(jì)掃描電子顯微鏡圖和部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。FBAR-梁結(jié)構(gòu)微加速度計(jì)與嵌入式FBAR結(jié)構(gòu)微加速度計(jì)基本相同，只是將FBAR作為支撐梁。當(dāng)慣性力作用于微加速度計(jì)時(shí)，由于質(zhì)量塊質(zhì)量較大，慣性力也大，其慣性力通過(guò)梁傳遞到FBAR結(jié)構(gòu)上，F(xiàn)BAR受應(yīng)力作用，由于FBAR的應(yīng)力負(fù)載效應(yīng)，其諧振頻率發(fā)生偏移。
圖4 Campanella的FBAR微加速度計(jì)
2015年，F(xiàn)BAR全球領(lǐng)先廠商Avago報(bào)道了一種FBAR胎壓傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，傳感器結(jié)構(gòu)與讀出電路通過(guò)半導(dǎo)體鍵合工藝實(shí)現(xiàn)單片集成。壓力通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕的通道作用于傳感FBAR，使其發(fā)生面外形變并在薄膜中產(chǎn)生面內(nèi)應(yīng)力，傳感FBAR與參考FBAR的差分輸出模式可以有效地消除環(huán)境干擾。
圖5 Avago的FBAR胎壓傳感器
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