一种单轴压电加速度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压电加速度计，尤其是涉及可检测不同方向加速度的一种单轴压电加速度计。
【背景技术】
[0002]MEMS微机械加速度计具有体积小、重量轻、功耗小、测量精度高、稳定性好、易批量生产等特点，已成为微传感器的一个重要发展方向。常见的加速度计多为单轴加速度计，而微惯性系统及其他一些应用场合往往需要双轴或三个单轴加速度计组合，因此会产生测量精度低、体积大等缺点。
[0003]采用压电材料制作的微加速度计在低能耗、简单的检测电路、高灵敏度以及固有温度稳定性方面有很大的优势。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供可提高加速度计灵敏度，增加其频率带宽的一种单轴压电加速度计。
[0005]本发明设有质量块，质量块呈长方体，在质量块的顶部两侧分别沿设左梁和右梁，左梁、右梁与质量块成一体，在左梁上表面设有左梁左压电片和左梁右压电片，在右梁上表面设有右梁左压电片和右梁右压电片；在各压电片的上表面均设有一层Al电极，在各压电片的下表面均设有一层Pt/Ti电极。
[0006]所述质量块采用娃材料，在娃材料上、下表面沉积氮化娃薄膜，质量块的厚度可为300?700 μm,氮化娃薄膜的厚度可为0.5?3 μπι，氮化娃薄膜的边长可为8000?12000 μπι ；
[0007]左梁的厚度可为20?50 μ m，左梁的长度可为1500?2500 μ m，左梁的宽度可为8000?12000 μ m。右梁的厚度可为20?50 μ m，右梁的长度可为1500?2500 μ m，右梁的宽度可为8000?12000 μ m。所述左梁和右梁最好对称分布。
[0008]左梁左压电片可设前左梁左压电片和后左梁左压电片，左梁右压电片可设前左梁右压电片和后左梁右压电片，右梁左压电片可设前右梁左压电片和后右梁左压电片，右梁右压电片可设前右梁右压电片和后右梁右压电片。
[0009]各压电片的材料可采用PZT材料，具体成分为PbZra52Tia48O3，各压电片的厚度可为3?ΙΟμπ?。左梁左压电片与左梁右压电片的距离可为100 μπι，右梁左压电片与右梁右压电片的距离可为100 μ m。
[0010]制备时，首先采用低气压化学气相沉积(LPCVD)方法，在硅片表现沉积一层氮化硅薄膜，经过曝光、溅射、剥离、腐蚀等方法依次制作底部电极、压电片、顶部电极这三个结构，再用反应离子刻蚀法除去被曝光部分的氮化硅薄膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀去除相应的硅体，得到质量块和梁。
[0011]本发明的技术方案是基于压电效应的原理。
[0012]本发明的工作原理:当质量块受到一个惯性力时，质量块产生一个微小的位移，这个位移使得梁发生线性形变，带动梁上压电片形变，由于压电效应的作用，在压电片的上下电极将产生电荷，通过检测电荷可以计算得到惯性力的大小，进而计算获得加速度的大小。
[0013]用于检测沿z轴方向加速度的加速度计，其质量块两侧各一个梁。每个梁上有两个压电片，此时不同压电片之间的电极采用反对称的连接方式。当沿z轴方向有加速度时，左右两个梁的变形对称，由于电荷累加，有输出信号；当沿X轴方向有加速度时，梁的变形为反对称变形，此时连接方式使得不同性的电荷相互中和，没有输出信号；当沿y轴有加速度时，梁的变形非常小，并且产生的不同性电荷由于连接方式相互中和，没有输出信号。
[0014]本发明的有益效果如下:其一是将三个方向加速度的检测分配到每一个器件上；其二是获得了较高的电荷灵敏度，传统的加速度计的电荷灵敏度大约为几皮库仑，而本发明的微加速度计的z轴电荷灵敏度约为30pC/g，x、y轴电荷灵敏度约为8pC/g ;其三是三个方向上的检测之间不会存在串扰，通过采用对称连接和反对称连接，有效避免了各个方向检测之间的串扰；其四是提高了加速度计的动态频宽，本发明的压电式微加速度计动态频宽在X轴和I轴上可达3000Hz，而z轴的动态频宽可达5600Hz，远高于目前的电容式微加速度计的通常400Hz左右的工作频宽。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例1的结构示意图。
[0016]图2为本发明实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
[0018]如图1所示，本实施例设有质量块1，质量块I呈长方体，在质量块I的顶部两侧分别沿设左梁21和右梁22，左梁21、右梁22与质量块I成一体，在左梁21上表面设有左梁左压电片31和左梁右压电片32，在右梁22上表面设有右梁左压电片33和右梁右压电片34 ;在各压电片的上表面均设有一层Al电极，在各压电片的下表面均设有一层Pt/Ti电极。
[0019]所述质量块I采用娃材料，在娃材料上、下表面沉积氮化娃薄膜，质量块I的厚度可为300?700 μm,氮化娃薄膜的厚度可为0.5?3 μπι，氮化娃薄膜的边长可为8000?12000 μπι ；
[0020]左梁的厚度可为20?50 μ m，左梁的长度可为1500?2500 μ m，左梁的宽度可为8000?12000 μ m。右梁的厚度可为20?50 μ m，右梁的长度可为1500?2500 μ m，右梁的宽度可为8000?12000 μ m。所述左梁和右梁最好对称分布。
[0021]各压电片的材料可采用PZT材料，具体成分为PbZra52Tia48O3，各压电片的厚度可为3?ΙΟμπ?。左梁左压电片31与左梁右压电片32的距离可为100 μπι，右梁左压电片33与右梁右压电片34的距离可为100 μ m。
[0022]整个器件上共4片压电片，压电片位于梁上，压电片的上下方均有金属电极，当检测沿z轴方向加速度时，z轴检测的灵敏度为50.7128pC/g，带宽为4000Hz ;当检测沿x轴方向加速度时，X轴检测的灵敏度为8.1781pC/g，带宽为2900Hz。
[0023]由于采用反对称连接方式，4片压电片两两分别位于两个相对的梁上，当z轴方向有加速度时，梁为对称变形，左梁左压电片31与右梁左压电片33的顶部电极产生相同电性的电荷，左梁右压电片32与右梁右压电片34压电片的顶部电极产生相同电性的电荷并且与左梁左压电片31与右梁左压电片33的顶部电极相反；当X或y轴有加速度时，左梁左压电片31和右梁右压电片34产生相同电性的电荷，左梁右压电片32和右梁左压电片33产生相同电性的电荷，并且与左梁左压电片31、右梁右压电片34电性相反，梁左压电片31、左梁右压电片32、右梁左压电片33、右梁右压电片34电极上产生的电荷量相同，由于连接方式，使得左梁左压电片31和右梁左压电片33上产生的电荷中和抵消，左梁右压电片32与右梁右压电片34上产生的电荷中和抵消，因此两组电极间无电荷。
[0024]当x、y轴方向加速度检测时，采用反对称连接方式，4片压电片两两分别位于两个相对的梁上，当z轴方向有加速度时，梁为对称变形，左梁左压电片31和右梁左压电片33压电片的顶部电极产生相同电性的电荷，左梁右压电片32与右梁右压电片34压电片的顶部电极产生相同电性的电荷并且与左梁左压电片31和右梁左压电片33相反，梁左压电片31、左梁右压电片32、右梁左压电片33、右梁右压电片34上产生的电荷量相同，左梁左压电片31、右梁右压电片34之间的电荷中和抵消，左梁右压电片32、右梁左压电片33上的电荷中和抵消，因此z轴有加速度时两组电极之间无电荷差；当X或y轴有加速度时，左梁左压电片31、右梁右压电片34产生相同电性的电荷，左梁右压电片32、右梁左压电片33产生相同电性的电荷，并且与左梁左压电片31、右梁右压电片34电性相反，梁左压电片31、左梁右压电片32、右梁左压电片33、右梁右压电片34电极上产生的电荷量相同，由于连接方式，使得电荷量累加，因此两组电极间有电荷，由此检测X轴或者y轴的电荷量。
[0025]实施例2
[0026]参见图2，与实施例1类似，其区别在于左梁左压电片31设前左梁左压电片311和后左梁左压电片312，左梁右压电片32设前左梁右压电片321和后左梁右压电片322，右梁左压电片33设前右梁左压电片331和后右梁左压电片332，右梁右压电片34设前右梁右压电片341和后右梁右压电片342。
[0027]整个器件上共8片压电片，压电片的上下方均有金属电极，y轴检测的电荷灵敏度为 8.1512pC/g，带宽为 2896.3Hz。
【主权项】
1.一种单轴压电加速度计，其特征在于设有质量块，质量块呈长方体，在质量块的顶部两侧分别沿设左梁和右梁，左梁、右梁与质量块成一体，在左梁上表面设有左梁左压电片和左梁右压电片，在右梁上表面设有右梁左压电片和右梁右压电片；在各压电片的上表面均设有一层Al电极，在各压电片的下表面均设有一层Pt/Ti电极。
2.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述质量块采用硅材料，在硅材料上、下表面沉积氮化硅薄膜。
3.如权利要求2所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述氮化硅薄膜的厚度为0.5?3 μ m，氮化硅薄膜的边长为8000?12000 μ m。
4.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述质量块的厚度为300?700 μ m0
5.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述左梁的厚度为20?50 μ m，左梁的长度为1500?2500 μ m，左梁的宽度为8000?12000 μ m ;右梁的厚度为20?50 μ m，右梁的长度为1500?2500 μ m，右梁的宽度为8000?12000 μ m。
6.如权利要求1或5所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述左梁和右梁对称分布。
7.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于左梁左压电片设前左梁左压电片和后左梁左压电片，左梁右压电片设前左梁右压电片和后左梁右压电片，右梁左压电片设前右梁左压电片和后右梁左压电片，右梁右压电片设前右梁右压电片和后右梁右压电片。
8.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于各压电片的材料采用PZT材料，具体成分为PbZra52Tia48O30
9.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于各压电片的厚度为3?10 μ m0
10.如权利要求1所述一种单轴压电加速度计，其特征在于所述左梁左压电片与左梁右压电片的距离为100 μ m，右梁左压电片与右梁右压电片的距离为100 μ m。
【专利摘要】一种单轴压电加速度计，涉及压电加速度计。提供可提高加速度计灵敏度，增加其频率带宽的一种单轴压电加速度计。设有质量块，质量块呈长方体，在质量块的顶部两侧分别沿设左梁和右梁，左梁、右梁与质量块成一体，在左梁上表面设有左梁左压电片和左梁右压电片，在右梁上表面设有右梁左压电片和右梁右压电片；在各压电片的上表面均设有一层Al电极，在各压电片的下表面均设有一层Pt/Ti电极。将三个方向加速度的检测分配到每一个器件上；获得了较高的电荷灵敏度，三个方向上的检测之间不会存在串扰，通过采用对称连接和反对称连接，有效避免了各个方向检测之间的串扰；提高了加速度计的动态频宽。
【IPC分类】G01P15-09
【公开号】CN104730288
【申请号】CN201510134504
【发明人】郭航, 王建艳
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月26日