一種梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器及其制作方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)階段，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS微傳感器得到廣泛應(yīng)用并獲得了巨大成功，人們對之期 望越來越高，希望通過微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)人類對各種物理世界所提供的信息進(jìn)行 感知。就壓阻式壓力傳感器來說，其小尺寸、良好的輸入輸出線性關(guān)系、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，已 經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、移動(dòng)電話及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。相比較電容式的復(fù)雜集成電路，壓阻式 壓力傳感器只集成了一個(gè)簡單的惠斯通電橋來獲取信號，并且作為敏感元件的材料硅，其 加工成本要遠(yuǎn)低于諧振式壓力傳感器所采用的昂貴石英，并且它性能的提高也通過壓力傳 感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)而有所突破。從平膜結(jié)構(gòu)到島膜結(jié)構(gòu)再到梁膜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的改進(jìn)都是 以提高傳感器的性能為目的，但是各種結(jié)構(gòu)都有不同程度的優(yōu)缺點(diǎn)。
[0003] 平膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用普遍，但當(dāng)采用平膜結(jié)構(gòu)時(shí)膜片薄，承壓面發(fā)生拉伸變形產(chǎn)生較大 的撓度，從而機(jī)械性能的非線性明顯變大；島膜結(jié)構(gòu)厚度有下限限制，應(yīng)力集中區(qū)由背面島 的位置、硅片厚度與腐蝕深度等因素決定，難以精確的控制，硬心的質(zhì)量容易受加速度信號 的干擾而影響信號輸出。
[0004] 壓阻傳感器受溫度影響較大，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而且信噪比不高。壓阻式傳感器在 制作時(shí)要在半導(dǎo)體材料的基片上進(jìn)行擴(kuò)散電阻，同時(shí)在基片內(nèi)接成電橋形式，工藝較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述技術(shù)現(xiàn)有的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提出一種梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器 及制作方法。使其在具有高靈敏度的同時(shí)，擁有更低的撓度，同時(shí)使其具有寬頻帶、高信噪 比、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器，包括硅質(zhì)基底，硅質(zhì)基底的背面與硼玻璃鍵合，硅質(zhì)基底中 間是由十字梁和敏感應(yīng)力薄膜組成。其特征在于十字梁附于敏感應(yīng)力薄膜上，敏感應(yīng)力薄 膜被均勻分割成四個(gè)部分，硼玻璃與敏感應(yīng)力薄膜下底面預(yù)留有工作間隙。
[0008] 十字梁四邊布置有四個(gè)壓電片，四個(gè)壓電片成對稱布置，且位于十字梁邊緣中心 處，壓電片的下表面是下電極，上表面為上電極，上、下電極與焊盤相連。
[0009] 所述的上、下電極和焊盤采用Ti-Pt多層金屬引線。
[0010] 十字梁的長度、厚度、寬度尺寸均相同。
[0011] 梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器的制造方法，包括如下步驟：
[0012] a)使用氫氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片為η型，[100]晶向；
[0013] b)清洗后脫水烘干，在900-1200°C環(huán)境下對η型硅片進(jìn)行雙面高溫氧化獲得二氧 化硅電絕緣層，同時(shí)也是在表面微加工中用作硅的犧牲層掩膜；
[0014] c)在硅晶圓的底面采用四甲基氫氧化銨溶液濕法各向異性刻蝕，光刻背面形成腐 蝕區(qū)域，刻蝕掉腐蝕區(qū)域的氮化硅和氧化硅，利用濕法刻蝕掉背面，在正面形成薄膜結(jié)構(gòu)；
[0015] d)在正面進(jìn)行光刻，形成刻蝕圖案，通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法在正面刻蝕 掉所需薄膜區(qū)域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四個(gè)敏感應(yīng)力薄膜結(jié)構(gòu)；
[0016] e)在正面凃剝離膠，用下電極光刻板光刻、顯影，形成Ti-Pt下電極圖形，濺射、正 膠剝離，形成Ti-Pt金屬層，作為下電極；
[0017] f)采用改性的溶膠-凝膠法工藝在Ti-Pt下電極上制備PZT-5H薄膜層，采用光刻 板作為掩膜，采用濕法對未結(jié)晶的PZT薄膜層進(jìn)行微圖形化，然后放入熱處理爐中進(jìn)行再 結(jié)晶處理，形成壓電片；
[0018] g)在正面凃剝離膠，用上電極光刻板光刻、顯影，形成上電極圖形，濺射、正膠剝 離，形成Pt金屬層，作為上電極；
[0019] h)最后經(jīng)過劃片將所設(shè)計(jì)的具有梁膜結(jié)構(gòu)微傳感器從硅片上得到梁膜結(jié)構(gòu)壓電 傳感器。
[0020] 本發(fā)明所述的梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器具有更好的靈敏度、更低的撓度，在動(dòng)態(tài)環(huán)境 下頻響響應(yīng)好。同時(shí)擁有頻帶寬、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明傳感器的正面視圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明A-A截面示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明傳感器的工作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)說明。
[0026] 參照附圖所示，一種梁膜結(jié)構(gòu)壓電傳感器，包括硅質(zhì)基底1，硅質(zhì)基底1的背面與 硼玻璃4鍵合，硅質(zhì)基底1中間的十字梁5將敏感應(yīng)力薄膜2均勻分成四份，十字梁5附在 敏感應(yīng)力薄膜2的上表面，硼玻璃4與敏感應(yīng)力薄膜2下底面預(yù)留有工作間隙以保證敏感 應(yīng)力薄膜2在傳感器正常工作時(shí)能夠始終懸空，而在某些過載環(huán)境中其下底面能夠與硼玻 璃4接觸，防止過載破壞傳感器。
[0027] 在十字梁5四周布置壓電片3,以實(shí)現(xiàn)壓電片的串并聯(lián)來增加信號輸出。壓電片3 成對稱布置，且位于十字梁5邊緣中心處，壓電片的下表面是下電極6,上表面為上電極9， 上電極9與焊盤7相連，下電極6與焊盤8相連，焊盤分布在傳感器兩側(cè)，方便進(jìn)行串、并聯(lián) 連接。
[0028] 所述的上電極9、下電極6、焊盤7、焊盤8使用Ti-Pt多層金屬引線。
[0029] 十字梁5長度、寬度、厚度均相同。
[0030] 四個(gè)敏感應(yīng)力薄膜2大小相同。
[0031] 本發(fā)明的工作原理為：
[0032] 本發(fā)明基于壓電效應(yīng)的工作原理，壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到 外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反 的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力 的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。
[0033] 每個(gè)晶體單元中，具有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，氧離子是成對的，構(gòu)成六邊的形 狀，在沒有外力作用時(shí)，電荷相互平衡，外部沒有帶電現(xiàn)象，但在沿一定方向上受到外力的 作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。 當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，分為縱向壓電效應(yīng)、橫向壓電效應(yīng)和切向 壓電效應(yīng)。
[0034] 縱向壓電效應(yīng)：沿X軸施加作用力，電荷出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，其產(chǎn)生的電 荷量為q x= d nXFx，
[0035] qx:電荷量，d11:縱向壓電常數(shù)，F(xiàn)x:作用力橫向壓電效應(yīng)：沿y軸施加作用力，電荷 出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，其產(chǎn)生的電荷量為
[0036] 其中，d12:橫向壓電系數(shù)；Fy:作用力；
[0037] Sx、Sy:分別為與X軸、y軸相垂直面面積；
[0038] a :x軸方向厚度；b :y軸方向厚度；
[0039] 壓電式傳感器主要是運(yùn)用縱向壓電效應(yīng)。
[0040] 當(dāng)