一种梁膜结构压电传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种梁膜结构压电传感器及其制作方 法。
【背景技术】
[0002] 现阶段，微机电系统MEMS微传感器得到广泛应用并获得了巨大成功，人们对之期 望越来越高，希望通过微机电系统MEMS技术实现人类对各种物理世界所提供的信息进行 感知。就压阻式压力传感器来说，其小尺寸、良好的输入输出线性关系、工艺成熟等优点，已 经被广泛应用于汽车、移动电话及医疗器械等领域。相比较电容式的复杂集成电路，压阻式 压力传感器只集成了一个简单的惠斯通电桥来获取信号，并且作为敏感元件的材料硅，其 加工成本要远低于谐振式压力传感器所采用的昂贵石英，并且它性能的提高也通过压力传 感器结构的改进而有所突破。从平膜结构到岛膜结构再到梁膜结构，这些结构的改进都是 以提高传感器的性能为目的，但是各种结构都有不同程度的优缺点。
[0003] 平膜结构应用普遍，但当采用平膜结构时膜片薄，承压面发生拉伸变形产生较大 的挠度，从而机械性能的非线性明显变大；岛膜结构厚度有下限限制，应力集中区由背面岛 的位置、硅片厚度与腐蚀深度等因素决定，难以精确的控制，硬心的质量容易受加速度信号 的干扰而影响信号输出。
[0004] 压阻传感器受温度影响较大，应进行温度补偿，而且信噪比不高。压阻式传感器在 制作时要在半导体材料的基片上进行扩散电阻，同时在基片内接成电桥形式，工艺较复杂。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述技术现有的缺点，本发明的目的在于提出一种梁膜结构压电传感器 及制作方法。使其在具有高灵敏度的同时，拥有更低的挠度，同时使其具有宽频带、高信噪 比、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 梁膜结构压电传感器，包括硅质基底，硅质基底的背面与硼玻璃键合，硅质基底中 间是由十字梁和敏感应力薄膜组成。其特征在于十字梁附于敏感应力薄膜上，敏感应力薄 膜被均匀分割成四个部分，硼玻璃与敏感应力薄膜下底面预留有工作间隙。
[0008] 十字梁四边布置有四个压电片，四个压电片成对称布置，且位于十字梁边缘中心 处，压电片的下表面是下电极，上表面为上电极，上、下电极与焊盘相连。
[0009] 所述的上、下电极和焊盘采用Ti-Pt多层金属引线。
[0010] 十字梁的长度、厚度、宽度尺寸均相同。
[0011] 梁膜结构压电传感器的制造方法，包括如下步骤：
[0012] a)使用氢氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片为η型，[100]晶向；
[0013] b)清洗后脱水烘干，在900-1200°C环境下对η型硅片进行双面高温氧化获得二氧 化硅电绝缘层，同时也是在表面微加工中用作硅的牺牲层掩膜；
[0014] c)在硅晶圆的底面采用四甲基氢氧化铵溶液湿法各向异性刻蚀，光刻背面形成腐 蚀区域，刻蚀掉腐蚀区域的氮化硅和氧化硅，利用湿法刻蚀掉背面，在正面形成薄膜结构；
[0015] d)在正面进行光刻，形成刻蚀图案，通过感应耦合等离子体刻蚀方法在正面刻蚀 掉所需薄膜区域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四个敏感应力薄膜结构；
[0016] e)在正面凃剥离胶，用下电极光刻板光刻、显影，形成Ti-Pt下电极图形，溅射、正 胶剥离，形成Ti-Pt金属层，作为下电极；
[0017] f)采用改性的溶胶-凝胶法工艺在Ti-Pt下电极上制备PZT-5H薄膜层，采用光刻 板作为掩膜，采用湿法对未结晶的PZT薄膜层进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再 结晶处理，形成压电片；
[0018] g)在正面凃剥离胶，用上电极光刻板光刻、显影，形成上电极图形，溅射、正胶剥 离，形成Pt金属层，作为上电极；
[0019] h)最后经过划片将所设计的具有梁膜结构微传感器从硅片上得到梁膜结构压电 传感器。
[0020] 本发明所述的梁膜结构压电传感器具有更好的灵敏度、更低的挠度，在动态环境 下频响响应好。同时拥有频带宽、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明传感器的结构示意图。
[0022] 图2为本发明传感器的正面视图。
[0023] 图3为本发明A-A截面示意图。
[0024] 图4为本发明传感器的工作示意图。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图对本发明进行更为详细说明。
[0026] 参照附图所示，一种梁膜结构压电传感器，包括硅质基底1，硅质基底1的背面与 硼玻璃4键合，硅质基底1中间的十字梁5将敏感应力薄膜2均匀分成四份，十字梁5附在 敏感应力薄膜2的上表面，硼玻璃4与敏感应力薄膜2下底面预留有工作间隙以保证敏感 应力薄膜2在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻 璃4接触，防止过载破坏传感器。
[0027] 在十字梁5四周布置压电片3,以实现压电片的串并联来增加信号输出。压电片3 成对称布置，且位于十字梁5边缘中心处，压电片的下表面是下电极6,上表面为上电极9， 上电极9与焊盘7相连，下电极6与焊盘8相连，焊盘分布在传感器两侧，方便进行串、并联 连接。
[0028] 所述的上电极9、下电极6、焊盘7、焊盘8使用Ti-Pt多层金属引线。
[0029] 十字梁5长度、宽度、厚度均相同。
[0030] 四个敏感应力薄膜2大小相同。
[0031] 本发明的工作原理为：
[0032] 本发明基于压电效应的工作原理，压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到 外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反 的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力 的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
[0033] 每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，构成六边的形 状，在没有外力作用时，电荷相互平衡，外部没有带电现象，但在沿一定方向上受到外力的 作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，分为纵向压电效应、横向压电效应和切向 压电效应。
[0034] 纵向压电效应：沿X轴施加作用力，电荷出现在与X轴垂直的表面上，其产生的电 荷量为q x= d nXFx，
[0035] qx:电荷量，d11:纵向压电常数，Fx:作用力横向压电效应：沿y轴施加作用力，电荷 出现在与X轴垂直的表面上，其产生的电荷量为
[0036] 其中，d12:横向压电系数；Fy:作用力；
[0037] Sx、Sy:分别为与X轴、y轴相垂直面面积；
[0038] a :x轴方向厚度；b :y轴方向厚度；
[0039] 压电式传感器主要是运用纵向压电效应。
[0040] 当