基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器的制造方法

文档序号:9863014阅读:502来源:国知局
基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种可实现压电、压阻、电容叠加的同步共振悬臂梁力敏传感器。
【背景技术】
[0002] 近年来,力敏传感器作为检测物质质量、力的大小的主要手段,广泛的应用于环境 检测,工业生产,食品安全等多个方面。谐振式传感器件体积小,谐振频率高,因而具有较高 的灵敏度,如谐振式气体传感器等。悬臂梁作为微系统中最经典,简洁的结构,对质量变化 敏感,且易于微小制造。谐振式悬臂梁型力敏传感器利用质量敏感薄膜特异性的吸附物质 分子,将梁的质量变化转变为谐振频率的偏移,获取偏移量并通过电信号输出,即可获得所 测物质的质量。在此过程中,设计高灵敏度的力敏传感器是国内外科学工作者所关屯、的重 点问题。
[0003] 目前已有相关研究机构为获得高灵敏度的力敏传感器,对传感器的结构进行了探 索和设计。美国橡树岭国家实验室于1994年首先论证了微悬臂梁谐振式传感器可用于气体 检测且可W获得较高的灵敏度;英国剑桥大学通过驱动悬臂梁使其处于强非线性振动(第5 谐振模态),从而增大物质吸附、解吸时频率偏移量,提高传感器的灵敏度;法国波尔多大学 利用丝网印刷技术设计了自激励、自读出的甲苯气体传感器,通过纵向谐振模式获得了高 谐振频率,具有更高的灵敏度。韩国仁荷大学研究了相同表面积的矩形、Ξ角形、阶梯型梁 在相同表面应力的作用下晓度、谐振频率的大小比较。相比于矩形结构,悬臂梁的Ξ角形、 阶梯型结构的晓度分别提高了 257 %、79 %,频率分别提高了 31 %、19 % ;台湾清华大学研究 了不同纵横比的Ξ角形,半圆形,矩形及内切图形谐振频率的比较,发现高纵横比的内切图 形,低纵横比的悬臂梁两者结合可W使悬臂梁具有更高的灵敏度;大连理工大学提出通过 改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型)来进一步提升传感器灵敏度的新方法,相 对于矩形截面梁传感器,灵敏度提高了287.8% ;德国半导体技术研究所通过对梁的结构进 行优化,并在金属计拾振器中设计溫补结构,提高了传感器的灵敏度;大连理工大学设计了 双层和双片压电PZT薄膜微悬臂梁结构,双层串联接法压电PZT薄膜悬臂梁式微力传感器, 获得了较高的灵敏度。上述研究结果均在一定成度上提高了传感器的灵敏度。然而,并未有 研究机构能够利用多种机制叠加设计同时大幅提高传感器的灵敏度。

【发明内容】

[0004] 本发明提供一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器,实现多 种机制叠加设计,进而大幅提高传感器的灵敏度。
[0005] 本发明采取的技术方案是:C型支撑结构下部与压电激振结构固定连接,该C型支 撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步禪合梁相连,T型梁的两侧与同步禪合梁相连,U型梁的 内侧亦与同步禪合梁相连,T型梁上表面沉积多片压电拾振结构,固定端表面设置有压阻拾 振结构,T型梁自由端上表面沉积电极,与上支撑部分表面电极共同组成上电容拾振结构,T 型梁自由端下表面沉积电极,与下支撑部分表面电极共同组成下电容拾振结构,两电容拾 振结构组成差动式电容拾振结构。
[0006] 本发明所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁和C型支撑结构均由同一基底加工而成。
[0007] 本发明所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁共同组成同步共振结构,根据同步共振物 理原理,若低频梁固有频率为ω 1,高频梁固有频率为ω 2,其固有频率满足如下公式:
[000引 πιωι = ηω2
[0009] 其中,m、n均为整数,m/n即为频率的放大倍数,其中低频梁为U型梁,高频梁为Τ型 梁。
[0010] 本发明所述的U型梁自由端处表面涂覆质量敏感薄膜用于选择性吸附物质分子。
[0011] 进一步,所述的U型梁相比于单根矩形梁,结构更紧凑,封装后体积更小,但除U型 外亦可使用其他可实现同步共振的梁结构。
[0012] 本发明所述的T型梁上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层,下表面通过氧 化或其他工艺设计有下绝缘层;
[0013] 本发明所述的压电拾振结构为上电极、压电层、下电极的Ξ明治结构。
[0014] 本发明所述的多片压电结构可按振动模态、应用领域的不同使用纵向、横向等不 同的排布方法。各片上下电极依次串联,形成压电拾振结构。
[0015] 本发明将所述的压电、压阻、电容叠加,Ξ种拾振结构均可W将谐振振幅及频率W 电压信号输出,通过控制压电材料的极化方向等,可使Ξ种拾振结构的叠加输出电压最大 化。
[0016] 本发明的优点是结构新颖,其有益效果体现在:
[0017] (1)将同步共振物理原理应用于谐振式悬臂梁传感结构,可实现频率倍增,提高传 感器的灵敏度。
[0018] (2)U型梁端部面积较大,吸附分子量更多,频率变化较大,可提高传感器灵敏度。
[0019] (3)Τ型梁自由端宽于梁的其他部分,可使电容拾振结构输出电容增大。电容拾振 结构的差动式设计也可提高电容的变化,增大输出电压,提高检测分辨率,而且在一定程度 上可W消除环境影响带来的误差。
[0020] (4)压电拾振结构进行多片串联设计,放大了输出电压,提高传感器的检测灵敏 度。
[0021] (5)通过较简单的结构设计,将压电、压阻、电容拾振结构集成于同一结构中,Ξ者 输出信号叠加,可进一步放大了输出电压,提高传感器的检测灵敏度。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的结构示意图;
[0023] 其中:U型梁1,质量敏感薄膜101,Τ型梁2,同步禪合梁3,C型支撑结构4,压电拾振 结构5,压阻拾振结构6,上电容拾振结构7,Τ型梁自由端上电极701,上支撑部分电极702,下 电容拾振结构8,Τ型梁自由端下电极801,下支撑部分电极802,压电激振结构9;
[0024] 图2是本发明C型支撑结构侧视图;
[0025] 其中:上支撑结构绝缘层401,下支撑结构绝缘层402,上支撑部分电极702,下支撑 部分电极802;
[0026] 图3是本发明同步共振结构俯视图;
[0027]图4是本发明Τ型梁侧视图;
[002引其中:基底梁201,上绝缘层202,下绝缘层203,压电层501,压电层上电极502,压电 层下电极503,Τ型梁自由端上电极701,Τ型梁自由端下电极801;
[0029] 图5是本发明输出总电压随压电片数的变化曲线;
[0030] 图6为Τ型梁应力分布图;
[0031 ]图7Α是实现多种物质检测的横向阵列结构示意图;
[0032] 图7Β是实现多种物质检测的圆形阵列结构示意图,其中固定结构位于中屯、,虚线 框中为单个传感结构;
[0033] 图7C是实现多种物质检测的圆形阵列结构示意图,其中固定结构位于外侧,虚线 框中为单个传感结构。
【具体实施方式】
[0034] W下将结合附图,对本发明进行详细的描述;应当理解,优选实施例仅为了说明本 发明,而不是为了限制本发明的保护范围。
[0035] 如图1所示,包括U型梁1,质量敏感薄膜101,Τ型梁2,同步禪合梁3,C型支撑结构4, 压电拾振结构5,压阻拾振结构6,上电容拾振结构7,Τ型梁自由端上电极701,上支撑部分电 极702,下电容拾振结构8,Τ型梁自由端下电极801,下支撑部分电极802,压电激振结构9;
[0036] C型支撑结构4下部与压电激振结构9固定连接,该C型支撑结构4的中部与U型梁1、 Τ型梁2、同步禪合梁3相连,Τ型梁2的两侧与同步禪合梁3相连,U型梁1的内侧亦与同步禪合 梁3相连,Τ型梁2上表面沉积多片压电拾振结构5,固定端表面设置有压阻拾振结构6,Τ型梁 2自由端上表面沉积电极701,与上支撑部分表面电极702共同组成上电容拾振结构7,Τ型梁 2自由端下表面沉积电极801,与下支撑部分表面电极802共同组成下电容拾振结构8,两电 容拾振结构组成差动式电容拾振结构。
[0037] U型梁1、Τ型梁2、同步禪合梁3和C型支撑结构4均由同一基底加工而成。
[0038] U型梁1、Τ型梁2、同步禪合梁3共同组成同步共振结构,根据同步共振物理原理,若 低频梁固有频率为ω 1,高频梁固有频率为ω 2,其固有频率满足如下公式:
[0039] m ω i = n ω 2
[0040] 其中,m、n均为整数,m/n即为频率的放大倍数,其中低频梁为υ型梁1,高频梁为τ型 梁2。
[0041] 在进行质量或力检测前,梁结构存在一定的固有频率,可通过实验或计算来确定。 在实施例中,假设U型梁1的一阶固有频率为fi,T型梁2的一阶固有频率为f2,U型梁1固有
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