0046] 利用压电敏感元件的正压电效应，当加速度传感器被固定在被测振动物体上时， 压电元件受到传感器质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电荷，该电荷与质量块 的加速度成正比，当被测物体的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器敏感元件产 生的正电荷量同传感器绝对加速度成正比。
[0047] 参照附图6,当传感器芯片受到某一加速度作用时，根据牛顿第二定律：F = ma，会 产生一个与所施加加速度成正比的惯性力作用于悬空质量块4上，致使其产生一定位移， 敏感梁5和补充梁6均与悬空质量块4相连，两组梁将在悬空质量块4的带动下发生弯曲 变形，进而在其结构内部产生相应的应变。压电薄膜2置于敏感梁5上表面，当受到敏感梁 5上的应变作用时，压电薄膜2-1和2-2也发生形变，根据压电元件的压电效应可知，压电薄 膜2-1和2-2上发生形变，使压电元件内的介电体内正负电荷中心相对位移而极化，在压电 薄膜2-1和2-2的上下表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷，并通过上电极9和下电极 7将压电薄膜表面电荷引出，实现了将物理量的加速度转换为便于采集与测量的电压信号。
[0048] 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：
[0049] 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；
[0050] 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 ;
[0051] 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 背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块4 ;
[0052] d)在单晶硅片的正面光刻，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5和补充梁6结构；
[0053] e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极7图形；溅射、正胶 剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极7,溅射过程中没有衬底加热；
[0054] 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2,并用光 刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜2进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再 结晶处理；
[0055] 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9图形；溅射、正胶 剥离，形成Pt金属层作为上电极9 ;
[0056] h)在硼玻璃5的正面刻蚀出15~50 μ m的微小空间，保证悬空质量块4有足够的 振动空间；
[0057] 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1的背面粘结硼玻璃5 ;
[0058] j)在单晶娃片的正面光刻，去除芯片中焊盘10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。
[0059] 其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
[0060] 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；
[0061] 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 ;
[0062] 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。
[0063] 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。
[0064] 对传统的单质量块-四敏感梁结构和本发明的双敏感梁-双补充梁结构进行灵敏 度、最大应变量以及谐振频率分析（加载加速度800m/s2)，得到的结果表1所示：
[0065] 表1 :传统的四敏感梁结构压电加速度传感器芯片和本发明的低侧向效应微压电 加速度传感器芯片对比结果：
[0067] 大多数的传感器由于设计和制作问题，很难将质量块制作在支撑梁的中心面上， 总会产生较高的横向灵敏度，对传感器的性能产生影响，因此降低横向灵敏度，减小横向干 扰对传感器性能及其应用具有重要意义，可通过横向效应系数来评定传感器抵抗横向效应 的能力，横向效应系数等于横向的应变量与纵向应变量之比，其值越小越好。
[0068] 通过结果可以看出，四敏感梁结构的压电加速度传感器的谐振频率高，横向效应 系数小，但灵敏度低；而本发明的双敏感梁-双补充梁结构的压电加速度传感器灵敏度较 高，横向效应系数小，且谐振频率较小，能满足高灵敏度低侧向效应的要求。经数据比较可 得出结论：本发明的压电式加速度传感器能满足高灵敏度低侧向效应的要求，且具有较低 的谐振频率。
【主权项】
1. 低侧向效应微压电加速度传感器芯片，包括硅质基底（1)，硅质基底（1)的背面与硼 玻璃（3)键合，硅质基底（1)的中心空腔内配置有悬空质量块（4)，其特征在于：两根相同 敏感梁（5)分别与悬空质量块（4)的一组对边相连，两根相同补充梁（6)则分别与悬空质 量块（4)的另一组对边相连，敏感梁（5)和补充梁（6)共同支撑悬空质量块（4)，使其保持 悬空状态，两根敏感梁（5)末端布置了两个压电薄膜（2)，通过压电薄膜（2)下表面的下电 极（7)及压电薄膜（2)上表面的上电极（9)将产生电压输出。2. 根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的 补充梁（6)长度比敏感梁（5)的长度长100~600μm。3. 根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的 敏感梁（5)的宽度比补充梁（6)的宽度宽10~110μm。4. 根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的 补充梁（6)和敏感梁（5)的厚度相同。5. 根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：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。6. 根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的 硅质基底（1)底面和硼玻璃（3)预留有15~50μm的工作空隙。7. -种低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步 骤： 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，（100)晶面； 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; c) 在单晶硅片的双面涂覆光刻胶，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（4); d) 在单晶硅片的正面光刻，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（5)和补充梁（6)结构； e) 在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极（7)图形；溅射、正胶剥 离，形成Ti-Pt金属层作为下电极（7)，溅射过程中没有衬底加热； 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（2)，并用光刻 板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜（2)进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再 结晶处理； 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（9)图形；溅射、正胶剥 离，形成Pt金属层作为上电极（9); h) 在硼玻璃（5)的正面刻蚀出15~50μm的微小空间，保证悬空质量块（4)有足够的 振动空间； i) 在单晶硅片的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（1)的背面粘结硼玻璃（5); j) 在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘（10)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。8. 根据权利要求7所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在 于，包括以下步骤： 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 ; 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; 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； 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。
【专利摘要】本发明公开了一种低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法，芯片由一对敏感梁与一对补充梁共同支撑悬空质量块并使其悬空，敏感梁上布置了压电薄膜，压电薄膜的上下表面都布置有上下电极，其中芯片的制作方法是通过干法刻蚀以及ICP等离子体刻蚀得到硅基底中的由悬空质量块、敏感梁和补充梁组成的可动结构，正面光刻并溅射形成芯片的上下电极，在硅质基底的背面粘结硼玻璃，硼玻璃与悬空质量块预留有一工作间隙，最后得到芯片，该芯片能够满足高灵敏度，低侧向效应的同时，具有较低谐振频率。
【IPC分类】G01P15/09
【公开号】CN105353166
【申请号】CN201510825263
【发明人】田边, 刘汉月, 杨宁
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年11月24日