本申請涉及微機電，具體涉及一種壓電mems懸臂梁式傳感器。

背景技術：

1、由于微機電系統(tǒng)(mems)技術具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產等特點，已經逐漸成為高性能傳感器的主流制造技術。根據不同類型傳感器的工作原理和應用需求，通過mems加工工藝，可以制備出不同形狀和結構的mems器件。其中，懸臂梁結構被廣泛應用于各種mems傳感器。通常mems懸臂梁由不同種類的薄膜材料堆疊構成，包括電極層、功能層、結構層等。壓電mems懸臂梁是指薄膜疊層中包含一層或者多層壓電薄膜功能層的mems懸臂梁。壓電mems懸臂梁式傳感器則是利用懸臂梁振動或者彎曲時，壓電薄膜的壓電效應來實現機-電能量轉換的傳感器。例如壓電mems懸臂梁式加速度傳感器、壓電mems懸臂梁式麥克風、壓電mems懸臂梁式壓力傳感器等。

2、通常壓電mems懸臂梁式傳感器的主要性能指標包括輸出靈敏度、工作頻率范圍等。然而，壓電mems懸臂梁式傳感器的輸出靈敏度和工作頻率范圍通常是相互制約的，同時提升兩個性能參數具有挑戰(zhàn)。目前的技術在同時提升這兩個性能參數上都具有一些弊端。

技術實現思路

1、本申請實施例的目的在于提供一種壓電mems懸臂梁式傳感器，能夠同時提高輸出靈敏度和工作頻率范圍。

2、本申請實施例的一方面，提供了一種壓電mems懸臂梁式傳感器，包括固定端和連接于所述固定端的懸臂梁,所述懸臂梁和所述固定端之間設置連接層，所述懸臂梁包括層疊的結構層、至少兩層電極層，相鄰所述電極層之間設置壓電層,所述結構層內形成中性面,所述中性面不受拉應力也不受壓應力，靠近所述中性面的所述電極層的剛度大于遠離所述中性面的所述電極層的剛度，和/或，靠近所述中性面的所述電極層的厚度大于遠離所述中性面的所述電極層的厚度。

3、可選地，沿層疊方向上，所述結構層和所述連接層之間還對稱層疊有至少兩層下層電極層，相鄰所述下層電極層之間設置下層壓電層。

4、可選地，距離所述中性面距離最遠的頂層所述電極層全覆蓋或部分覆蓋相鄰所述壓電層。

5、可選地，還包括膜材料層，所述膜材料層設置于層疊方向的最頂層上和/或最底層下；所述膜材料層至少包括薄膜、厚膜、塊體或多層堆疊結構中的一種。

6、可選地，所述結構層至少包括任意薄膜材料,所述任意薄膜材料至少包括硅、金屬薄膜材料、氧化物薄膜材料或壓電薄膜材料中的任意一種；

7、所述電極層、所述下層電極層的材料至少包括金屬薄膜、半導體薄膜、化合物和氧化物、導電復合薄膜中的任意一種；

8、所述壓電層、所述下層壓電層的材料至少包括氮化鋁、摻鈧氮化鋁、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰、鈮酸鉀鈉、偏聚氟乙烯中的任意一種；

9、所述連接層的材料包括絕緣薄膜材料,所述絕緣薄膜材料至少包括氧化物薄膜和氮化物薄膜。

10、本申請實施例的一方面，提供了一種壓電mems懸臂梁式傳感器，包括固定端和連接于所述固定端的懸臂梁,所述懸臂梁和所述固定端之間設置連接層，所述懸臂梁包括中間電極層，以及至少兩層對稱設置于所述中間電極層兩側的電極層，所述中間電極層和相鄰所述電極層之間、相鄰所述電極層之間分別設置壓電層,所述中間電極層內形成中性面,所述中性面不受拉應力也不受壓應力，靠近所述中性面的所述電極層的剛度大于遠離所述中性面的所述電極層的剛度，和/或，靠近所述中性面的所述電極層的厚度大于遠離所述中性面的所述電極層的厚度。

11、可選地，所述中間電極層的剛度大于任一所述電極層的剛度，和/或，所述中間電極層的厚度大于任一所述電極層的厚度。

12、可選地，距離所述中性面距離最遠的頂層所述電極層全覆蓋或部分覆蓋相鄰所述壓電層。

13、可選地，還包括膜材料層，所述膜材料層設置于層疊方向的最頂層上和/或最底層下；所述膜材料層至少包括薄膜、厚膜、塊體或多層堆疊結構中的一種。

14、可選地，所述中間電極層、所述電極層的材料至少包括金屬薄膜、半導體薄膜、化合物和氧化物、導電復合薄膜中的任意一種；

15、所述壓電層的材料至少包括氮化鋁、摻鈧氮化鋁、鋯鈦酸鉛、鈮酸鋰、鈮酸鉀鈉、偏聚氟乙烯中的任意一種；

16、所述連接層的材料包括絕緣薄膜材料,所述絕緣薄膜材料至少包括氧化物薄膜和氮化物薄膜。

17、本申請實施例提供的壓電mems懸臂梁式傳感器，離中性面越近的電極層選擇剛度大、厚度更厚的薄膜材料，離中性面越遠的電極層選擇剛度小、更薄的薄膜材料，來實現δ2-δ1的最大化，同時確保工作頻率范圍不減小。離中性面越近的電極層選擇剛度大、厚度更厚的薄膜材料有助于增加懸臂梁的剛度，提高懸臂梁的工作頻率范圍；而離中性面越遠的電極層選擇剛度小、更薄的薄膜材料則能增大對應電極層表面的應力，從而增大δ2-δ1，增大輸出靈敏度。以中性面為參照，調節(jié)懸臂梁中離中性面不同距離的電極層的剛性和/或厚度，同時提高壓電mems懸臂梁式傳感器的輸出靈敏度、工作頻率范圍。

技術特征：

1.一種壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，包括：固定端和連接于所述固定端的懸臂梁,所述懸臂梁和所述固定端之間設置連接層，所述懸臂梁包括層疊的結構層、至少兩層電極層，相鄰所述電極層之間設置壓電層,所述結構層內形成中性面,所述中性面不受拉應力也不受壓應力，靠近所述中性面的所述電極層的剛度大于遠離所述中性面的所述電極層的剛度，和/或，靠近所述中性面的所述電極層的厚度大于遠離所述中性面的所述電極層的厚度。

2.根據權利要求1所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，沿層疊方向上，所述結構層和所述連接層之間還對稱層疊有至少兩層下層電極層，相鄰所述下層電極層之間設置下層壓電層。

3.根據權利要求1所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，距離所述中性面距離最遠的頂層所述電極層全覆蓋或部分覆蓋相鄰所述壓電層。

4.根據權利要求1至3任一項所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，還包括膜材料層，所述膜材料層設置于層疊方向的最頂層上和/或最底層下；所述膜材料層至少包括薄膜、厚膜、塊體或多層堆疊結構中的一種。

5.根據權利要求2所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，所述結構層至少包括任意薄膜材料,所述任意薄膜材料至少包括硅、金屬薄膜材料、氧化物薄膜材料或壓電薄膜材料中的任意一種；

6.一種壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，包括：固定端和連接于所述固定端的懸臂梁,所述懸臂梁和所述固定端之間設置連接層，所述懸臂梁包括中間電極層，以及至少兩層對稱設置于所述中間電極層兩側的電極層，所述中間電極層和相鄰所述電極層之間、相鄰所述電極層之間分別設置壓電層,所述中間電極層內形成中性面,所述中性面不受拉應力也不受壓應力，靠近所述中性面的所述電極層的剛度大于遠離所述中性面的所述電極層的剛度，和/或，靠近所述中性面的所述電極層的厚度大于遠離所述中性面的所述電極層的厚度。

7.根據權利要求6所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，所述中間電極層的剛度大于任一所述電極層的剛度，和/或，所述中間電極層的厚度大于任一所述電極層的厚度。

8.根據權利要求6所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，距離所述中性面距離最遠的頂層所述電極層全覆蓋或部分覆蓋相鄰所述壓電層。

9.根據權利要求6至8任一項所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，還包括膜材料層，所述膜材料層設置于層疊方向的最頂層上和/或最底層下；所述膜材料層至少包括薄膜、厚膜、塊體或多層堆疊結構中的一種。

10.根據權利要求6至8任一項所述的壓電mems懸臂梁式傳感器，其特征在于，所述中間電極層、所述電極層的材料至少包括金屬薄膜、半導體薄膜、化合物和氧化物、導電復合薄膜中的任意一種；

技術總結
本申請?zhí)峁┮环N壓電MEMS懸臂梁式傳感器，涉及微機電技術領域，包括固定端和連接于固定端的懸臂梁,懸臂梁和固定端之間設置連接層，懸臂梁包括層疊的結構層、至少兩層電極層，相鄰電極層之間設置壓電層,結構層內形成中性面,中性面不受拉應力也不受壓應力，靠近中性面的電極層的剛度大于遠離中性面的電極層的剛度，和/或，靠近中性面的電極層的厚度大于遠離中性面的電極層的厚度。離中性面近的電極層選擇剛度大、厚度厚的薄膜材料可增加懸臂梁的剛度，提高懸臂梁的工作頻率范圍；離中性面遠的電極層選擇剛度小、更薄的薄膜材料能增大對應電極層表面的應力，增大δ<subgt;2</subgt;?δ<subgt;1</subgt;，增大輸出靈敏度；同時提高傳感器的輸出靈敏度、工作頻率范圍。

技術研發(fā)人員：王杰軍,古元冬,張嵩松
受保護的技術使用者：上海勱瓏科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/11/28