低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微振动测试技术领域，特别涉及低侧向效应微压电加速度传感器芯片 及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 压电加速度传感器是一种测量振动加速度的传感器，相对于其他类型的加速度 传感器，由于其所采用的压电元件具有高弹性模量，并且能自主产生宽动态范围的电信号 输出，因此具有灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装方便、结构简单、工作可靠、适用 于各种恶劣环境等优点，在水利、建筑、采矿、地震、航空等领域得到广泛的应用，并作为首 选的振动测量传感器。其结构主要有单质量块-单悬臂梁、单质量块-双悬臂梁、单质量 块-四悬臂梁形式，在这几种结构中，单质量块-单悬臂梁结构的输出电压最大，灵敏度最 高，但是量程小，固有频率低，在载荷冲击下容易发生共振，从而造成结构的破坏，使传感器 失效；而单质量块-四悬臂梁结构的量程大，固有频率高，能抵抗较大频率的冲击载荷，但 是其灵敏度低。也有人提出双质量块-单悬臂梁、双质量块-双悬臂梁、双质量块-四悬臂 梁结构，在这些结构中，双质量块-单悬臂梁的灵敏度最高，但是其量程小，在使用过程中 容易受到其他方向的加速度影响，使传感器悬臂梁产生扭转，则其测量结果不准确。
[0003] 在制备技术上，与压阻及电容式微加速度传感器不同，压电微加速度传感器中的 功能薄膜不是标准半导体所涉及的材料，其制备依赖于压电薄膜的制备、压电性能测试以 及其他微加工等方面内容，制作工艺相对复杂。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述各种结构以及技术的缺点，本发明采用了一种具有高灵敏度低侧向 效应的加速度传感器芯片，并结合压电薄膜的制作方法，提供了低侧向效应微压电加速度 传感器芯片及其制作方法，该芯片在满足了高灵敏度的同时，还兼具了低谐振频率和低测 向效应的特点。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底，两个相同的压电薄 膜，与硅质基底背面键合的硼玻璃，硅质基底的中心空腔内有一悬空的质量块，质量块由 两根相同的敏感梁和两根相同的补充梁支撑，两根相同的敏感梁分别置于质量块的相对边 上，两根相同的补充梁也分别置于质量块的相对边上，硅质基底底面和硼玻璃预留有一工 作空隙，以使质量块有足够可振动的空间。
[0007] 两个相同的压电薄膜置于两个相同敏感梁的末端，在两根相同压电薄膜的下表面 与敏感梁上表面结合处布置一 Pt金属层作为下电极，在下电极与敏感梁之间布置一 Ti金 属层以提高下电极与敏感梁的结合力，在两个相同压电薄膜的上表面布置Pt金属层作为 上电极，两个压电薄膜产生的电荷通过上电极和下电极在焊盘上输出。
[0008] 所述的补充梁的长度比敏感梁的长度大100~600 μm。
[0009] 所述的质量块、两根相同敏感梁以及两根相同补充梁与硅质基底的上表面处于同 一水平高度。
[0010] 所述的质量块的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁和补充梁的厚度相同。
[0011] 所述的敏感梁的宽度比补充梁的宽度大1〇~110 μm。
[0012] 所述的硅质基底底面和硼玻璃预留有15~50 μ m的工作空隙
[0013] 低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
[0014] a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为η型；
[0015] b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiOjl ;
[0016] c)在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅 片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块；
[0017] d)单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感 梁和补充梁结构；
[0018] e)在正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极图形；溅射、正胶剥离，形成 Ti-Pt金属层作为下电极，溅射过程中没有衬底加热；
[0019] f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜，并用光刻 板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶 处理；
[0020] g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、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；
[0021] h)在硼玻璃的正面刻蚀出深度为15~50 μ m的微小空间，保证悬空质量块有足够 的振动空间；
[0022] i)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合 技术在硅质基底的背面粘结硼玻璃；
[0023] j)单晶娃片正面光刻，去除芯片中焊盘上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后 经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
[0024] 其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
[0025] a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚 和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1 ;由于属醇烷氧化物 的粘度较大，需极性溶液以增加反应的均匀性，所以采用强极性的乙二醇甲醚（高蒸汽压、 较低的表面张力、易于挥发、干燥）作为溶剂；而不同醇盐的水解和聚合速度不同，就会形 成不均匀的凝胶，必须用具有鳌合作用的有机基团控制醇盐的水解速度，采用乙酰丙酮作 为螯合剂，可稳定锆和钛的金属离子；
[0026] b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使 胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000~4000r/min，匀胶30~40s ;
[0027] c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200~250°C下烘烤5~6min，以去 除有机成分；如果溶剂未去除干净，则在高温下会剧烈燃烧，使薄膜作废甚至危及实验设备 的安全；如果有机物未排除干净，则燃烧后会在薄膜中留下孔洞，影响薄膜性能。
[0028] d)在600~650°C下退火30~60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直 至达到所需求的压电薄膜厚度。
[0029] 本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，在满足了高灵敏度的同时，还兼 具了低谐振频率、低侧向效应的特点。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片结构示意图。
[0031] 图2位本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的正面视图。
[0032] 图3为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的下电极图形示意图。
[0033] 图4为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的上电极图形示意图。
[0034] 图5为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的A-A剖面示意图。
[0035] 图6为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的工作示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
[0037] 参照附图1，低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底1，两个 相同的压电薄膜2,与硅质基底1背面键合的硼玻璃3,硅质基底1的中心空腔内有一悬空 的质量块4,质量块4由两根相同的敏感梁5和两根相同的补充梁6支撑，两根相同的敏感 梁5分别置于质量块4的相对边上，两根相同的补充梁6也分别置于质量块4的相对边上， 质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面处于同一水平高 度，质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相同，补充梁6的 长度大于敏感梁5,而敏感梁5的宽度大于补充梁6,硅质基底1底面和硼玻璃3预留有一 工作空隙，以使质量块4有足够可振动的空间，当传感器在正常工作时，质量块4能够始终 保持悬空状态，而在某些过载环境下其下底面能够与硼玻璃3接触，以防止过载破坏传感 器芯片。
[0038] 参照附图2、图3、图4及图5,低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括 硅质基底1，两个相同的压电薄膜2,与硅质基底1背面键合的硼玻璃3,硅质基底1的中心 空腔内有一悬空的质量块4,质量块4由两根相同的敏感梁5和两根相同的补充梁6支撑， 两根相同的敏感梁5分别置于质量块4的相对边上，两根相同的补充梁6也分别置于质量 块4的相对边上，质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面 处于同一水平高度，质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相 同，补充梁6的长度大于敏感梁5,而敏感梁5的宽度大于补充梁6,硅质基底1底面和硼玻 璃3预留有一工作空隙，以使质量块4有足够可振动的空间。
[0039] 两个相同的压电薄膜2置于两个相同敏感梁5的末端，在两根相同压电薄膜2的 下表面与敏感梁上表面结合处布置一 Pt金属层作为下电极7,在下电极7与敏感梁之间布 置一 Ti金属层8以提高下电极7与敏感梁的结合力，在两个相同压电薄膜2的上表面布置 Pt金属层作为上电极9,两个压电薄膜2产生的电荷通过上电极9和下电极7在焊盘10上 输出。
[0040] 所述的补充梁6的长度比敏感梁5的长度大100~600 μ m。
[0041] 所述的质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面处 于同一水平高度。
[0042] 所述的质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相同。
[0043] 所述的敏感梁5的宽度比补充梁6的宽度大10~110 μm。
[0044] 所述的硅质基底1底面和硼玻璃3预留有15~50 μ m的工作空隙
[0045] 本发明的低侧向效应微压电式加速度传感器芯片的工作原理为：
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