双端固支压电梁式微型电场传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用MEMS工艺制备的双端固支压电梁式微型电场传感器。所述双端固支压电梁式微型电场传感器包括：基底；以及传感器敏感结构，形成在所述基底上，具有呈栅状结构的多个双端固支梁。根据本发明的传感器具有结构简单、体积小的优点。
【专利说明】双端固支压电梁式微型电场传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电(MEMS)电场传感器领域，尤其涉及一种双端固支压电梁式微型电场传感器。
【背景技术】
[0002]电场测量在气象研究、航空航天、电力系统等领域有着广泛的应用。利用电场传感器对电场进行测量，得到有效信息，保障火箭、卫星等飞行器的升空安全等，也可以避免在气象、航空航天、电网、工业生产等领域造成人身伤害和财产损失。
[0003]基于微加工技术的微型电场传感器具有明显的优势:质量小，更有利于对高空或外太空进行测量；体积微小，能用于测量电场分布的细节；另外将微型电场传感器与其他传感器如温度传感器、压力传感器、湿度传感器等集成在一起也相对容易。因此基于微加工技术的微型电场传感器有着广阔的应用前景。
[0004]目前微型MEMS电场传感器驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动以及热驱动等。静电驱动的微型电场传感器，所加驱动电压较高，使得功耗和温漂较大。热驱动微型静电场传感器，传感器所加驱动电压高，如果长时间工作，驱动结构材料温度特性发生变化，导致驱动位移不稳定。电磁驱动方式会带来强电磁干扰，影响感应结构测量电场，并增大检测电路噪声。
[0005]陶虎等人提供了采用压电陶瓷条作为驱动结构的MEMS电场传感器(“一种基于微加工技术的微型电场传感器的设计与制造”，639-642，2006，29 (3)，电子器件)。该MEMS电场传感器结构中相对的两组梳齿电极采用胶粘剂与压电陶瓷条连接，当在两组压电陶瓷上施加一对幅值相同、极性相反的同频驱动电压时，两组电极在压电陶瓷的驱动下振动，一组电极向上运动时，则另一组电极则向下运动，运动到上方的梳齿电极感应电荷较多，运动到下方的梳齿电极感应电荷较少。因此当两组梳齿电极交错振动时，其表面电荷数会发生周期性改变，从而形成与施加到感应电极的电场强度成正比的交变差分电流信号。
[0006]然而，上述该MEMS电场传感器中，压电陶瓷条体积较大，使得传感器体积大、功耗高。此外，压电陶瓷条采用胶粘剂连接结构，制造精度差，导致输出信号弱且不稳定，也不适合批量制造。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双端固支压电梁式微型电场传感器。
[0009]( 二 )技术方案
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种双端固支压电梁式微型电场传感器。该双端固支压电梁式微型电场传感器包括:基底；以及传感器敏感结构，形成在所述基底上，具有呈栅状结构的多个双端固支梁。
[0011](三)有益效果[0012]从上述技术方案可以看出，根据本发明的双端固支压电梁式微型电场传感器具有以下有益效果:
[0013](1)由于传感器的压电驱动层与其他结构层连接采用MEMS工艺，没有使用胶粘剂连接，因此传感器结构简单，体积小；
[0014](2)由于传感器采用压电材料驱动，因此可获得较大的位移输出、响应快，具有线性好、控制方便、频率响应好、无噪声、无电磁干扰、功耗小的优点，易于批量制造；
[0015](3)传感器采用双端固支梁，可以制作较长的梁，因此压电固支梁中部位置的振幅较大，传感器会有较大的信号输出。此外，当由于外界条件改变而影响传感器的振动状态时，本发明传感器的信号输出几乎不受影响，所以传感器的输出信号稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1示出了本发明实施例的双端固支压电梁式微型电场传感器的立体图；
[0017]图2示出了图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器结构层次的示意图。
[0018]图3a是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿A-A'方向的剖视图；
[0019]图3b是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿B-B'方向的剖视图；
[0020]图3c是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿C-C'方向的剖视图。
[0021]【本发明主要元件 符号说明】
[0022]1-第一上驱动电极焊盘； 2-第一感应电极焊盘；
[0023]3-第一下驱动电极焊盘；4-固支梁；
[0024]5-第二上驱动电极焊盘6-第二感应电极焊盘；
[0025]7-第二下驱动电极焊盘；8-基底；
[0026]9-第一绝缘层；10-感应电极层；
[0027]11-第二绝缘层；12-上驱动电极层；
[0028]13-压电材料层；14-下驱动电极层；
[0029]15-第三绝缘层。16-感应电极焊盘孔
[0030]17-上驱动电极焊盘孔18-下驱动电极焊盘孔
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0032]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0033]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种采用MEMS工艺的双端固支压电梁式微型电场传感器。该双端固支压电梁式微型电场传感器通过压电层驱动，固支梁的中部相对于两端垂直振动，导致感应电极层产生变化的感应电荷，通过检测感应电荷变化形成的感应电流，来实现对外界电场的检测。
[0034]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双端固支压电梁式微型电场传感器。图1示出了本发明实施例双端固支压电梁式微型电场传感器的立体图。图2示出了图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器结构层次的示意图。图3a是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿A-A'方向的剖视图。图3b是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿B-B'方向的剖视图。图3c是图1所示双端固支压电梁式微型电场传感器沿C-C/方向的剖视图。
[0035]参照图1，本实施例的双端固支压电梁式微型电场传感器主要结构包括:第一上驱动电极焊盘1、第一感应电极焊盘2、第一下驱动电极焊盘3、双端固支压电梁4、第二上驱动电极焊盘5、第二感应电极焊盘6、第二下驱动电极焊盘7和基底8。
[0036]如图1所示，在基底8上形成根据本发明实施例的双端固支压电梁式微型电场传感器的结构和结构层。在双端固支压电梁式微型电场传感器中间部位是多个固支梁4，多个固支梁4组成栅状结构，固支梁4的下方悬空，因此其固支梁4的中部可以在压电材料层的驱动下相对于两端上下振动。
[0037]如图1和图3a_3c所示，在双端固支压电梁式微型电场传感器的无固支梁区域设置有对称排列在固支梁4两侧的焊盘和焊盘孔，依次可以是上驱动电极焊盘孔17、感应电极焊盘孔16和下驱动电极焊盘孔18。其中，第一上驱动电极焊盘1和第二上驱动电极焊盘5分别位于固支梁两端的上驱动电极焊盘孔17内；第一感应电极焊盘2和第二感应电极焊盘6分别位于固支梁两端的感应电极焊盘孔16内；第一下驱动电极焊盘3和第二下驱动电极焊盘7分别位于固支梁两端的下驱动电极焊盘孔18内。
[0038]参照图2，本实施例压电固支梁式微型电场传感器可以是多层复合结构，例如，从上至下的结构层可以为:第一绝缘层9、感应电极层10、第二绝缘层11、上驱动电极层12、压电材料层13、下驱动电极层14、基底8和第三绝缘层15。
[0039]参照图3a、图3b和图3c，本发明实施例的固支梁式微型电场传感器的绝缘层的面积均大于上下相邻的电极层，以保证在制作电极层时，上下电极不会出现短路现象。具体地，第一绝缘层9的面积大于下覆的感应电极层10 ;第二绝缘层11的面积大于上覆的感应电极层和下覆的上驱动电极层12。压电材料是优良的绝缘材料，因此压电材料层也可以当做绝缘材料层使用，压电材料层13的面积大于上覆的上驱动电极层12和下覆的下驱动电极层14。
[0040]结合图1、图2、图3a、图3b和图3c，本发明实施例的压电固支梁式微型电场传感器上，上驱动电极焊盘孔17由第一绝缘层9向下刻蚀形成，其深度穿过第一绝缘层9、感应电极层10和第二绝缘层11，而终止于上驱动电极层12。第一上驱动电极焊盘1和第二上驱动电极焊盘5位于该上驱动电极焊盘孔17内，以便分别将上驱动电极层通过导线与驱动电路(未示出)的第一端相连接。
[0041]下驱动电极焊盘孔18是由第一绝缘层9向下刻蚀形成，其深度穿过第一绝缘层9、感应电极10层、第二绝缘层11、上驱动电极层12和压电材料层13，而终止于下驱动电极层14。第一下驱动电极焊盘3和第二下驱动电极焊盘7位于该下驱动电极焊盘孔18内，以便通过分别通过导线将下驱动电极层14与驱动电路的另一端相连接。
[0042]感应电极焊盘孔16由第一绝缘层9向下刻蚀形成，其深度穿过所述第一绝缘层9，而终止于感应电极层10。第一感应电极焊盘2位于该感应电极焊盘孔16内，以便通过导线将感应电极层与测量电路(未示出)的第一端相连接。第二感应电极焊盘6位于该感应电极焊盘孔16内，以便通过导线将感应电极层10与测量电路的另一端相连接。
[0043]本实施例双端固支压电梁式微型电场传感器可以由MEMS工艺制备而成。该制备过程和方法可以包括:首先在基底上依次制作第三绝缘层15、下驱动电极层14、压电材料层13、上驱动电极层12、第二绝缘层11、感应电极层10和第一绝缘层9，而后通过深刻蚀和干法释放的方法，形成双端固支压电梁式微型电场传感器。其中，由溅射、PLVCD、PEVCD或氧化的方法形成第一绝缘层9、第二绝缘层11和第三绝缘层15，第一绝缘层9、第二绝缘层11和第三绝缘层15的材料可以是二氧化硅、氮化硅或由二氧化硅和氮化硅两种材料组成的复合绝缘层。绝缘层的厚度应当保证位于其上下的两层材料之间绝缘，通常介于1纳米至1厘米之间。
[0044]可以通过键合、蒸发、溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机物气相沉积、低压气相沉积、溶胶-凝胶、金属有机物热分解和水热合成法中的至少一个形成压电材料层
13。压电材料层13的材料可以是以下材料中的至少一个:锆钛酸铅、改性钛酸铅、镧钛酸铅、锆钛酸铅镧、氧化锌和氮化铝。压电材料层13的厚度可以介于10纳米至5厘米之间。
[0045]可以采用溅射或蒸镀的方法来形成上驱动电极层12、下驱动电极层14和感应电极层10。上驱动电极层12、下驱动电极层14和感应电极层10的材料可以是Ir、Pt、Al、Cu和Au中的至少一个，其厚度介于1纳米至5毫米之间之间。
[0046]基底8可以由硅片或SOI片制作。如图3a_3c所示，可以将基底8分为包括两端基底部分和中间基底部分，中间基底部分之上包括呈栅状结构的多个双端固支梁4。由于固支梁4下覆的中间基底部分悬空，其该固支梁4的中部部分可以在压电材料层13的驱动下上下振动。在本实施例中，中间基底部分的下侧至两端基底部分的下侧的垂直距离是1微米至10厘米。固支梁4的长度是1微米至20厘米，宽度是1微米至10厘米，厚度是1微米至10厘米。相邻两个固支梁4之间的距离是1微米至5毫米。
[0047]以下来说明根据本发明实施例的双端固支压电梁式微型电场传感器的工作过程。在没有施加驱动电压的初始状态中，所有双端固支压电梁处于同一水平面。当根据本发明实施例的双端固支压电梁式微型电场传感器处于工作状态时，由驱动电路(未示出)分别通过第一上驱动电极焊盘1和第一下驱动电极焊盘3以及第二上驱动电极焊盘5和第二下驱动电极焊盘7，分别向第一上电极层和第一下电极层以及第二上电极层和第二下电极层施加两组一定频率且幅度周期性变化的驱动电压，且两组电压的相位差为180度。在该驱动电压的驱动下，压电材料层带动所处位置的固支梁中部部分(由第三绝缘层15、下驱动电极层14、压电材料层13、上驱动电极层12、第二绝缘层11、感应电极层10和第一绝缘层9的一部分构成)沿垂直方向上下振动。该振动可以是谐振振动或受迫振动。
[0048]相邻的两个固支梁的中部部分的振动方向彼此相反。因此，当一个固支梁的中部向上翘起时，相邻的两个固支梁的中部向下弯曲。翘起的固支梁的中部高于初始状态水平面，并暴露于待测电场中。此时向上翘起的固支梁的感应电极层表面的感应电荷增加，同时起到屏蔽电场的作用，而相邻的固支梁向下弯曲并低于初始水平面，被起到屏蔽作用的梁屏蔽，使其感应电极表面的感应电荷减少。由于驱动电压的幅度周期变化，上述梁的翘起和下弯两种状态交替出现，感应电极层表面的感应电荷量发生周期性变化，从而形成交变电流。通过第一感应电极焊盘2和第二感应电极焊盘6以差分形式的输出该感应电流，其中所输出电流的幅度正比于待测电场强度的大小。
[0049]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双端固支压电梁式微型电场传感器，包括:基底；以及传感器敏感结构，形成在所述基底上，具有呈栅状结构的多个双端固支Μο
2.根据权利要求1所述的微型电场传感器，其特征在于，所述传感器敏感结构包括在所述基底上依次形成的绝缘层、下驱动电极层、压电材料层、上驱动电极层和感应电极层，以形成所述多个双端固支梁；其中，当向所述下驱动电极层和所述上驱动电极层之间施加驱动电压时，所述压电材料层使相邻两个固支梁的中间部分的振动方向彼此相反，以产生与要检测的电场相对应的电流，并由感应电极层输出该电流。
3.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述传感器敏感结构还包括形成于所述感应电极层之上的第一绝缘层，形成于所述感应电极层之下的第二绝缘层以及形成于下驱动电极层之下的第三绝缘层。
4.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述传感器敏感结构还包括:上驱动电极焊盘孔，从第一绝缘层向下刻蚀形成，其深度穿过第一绝缘层、感应电极层和第二绝缘层，而终止于上驱动电极层，用于容纳上驱动电极焊盘，以便通过所述上驱动电极焊盘将驱动电压施加到所述上驱动电极层；下驱动电极焊盘孔，从第一绝缘层向下刻蚀形成，其深度穿过第一绝缘层、感应电极层、第二绝缘层、上驱动电`极层和压电材料层，而终止于下驱动电极层，用于容纳下驱动电极焊盘，以便通过所述下驱动电极焊盘将驱动电压施加到所述下驱动电极层。
5.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述压电材料层由以下材料中的至少一种制成:锆钛酸铅、改性钛酸铅、镧钛酸铅、锆钛酸铅镧、氧化锌和氮化铝；且所述压电材料层的厚度介于10纳米至5厘米之间。
6.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述上驱动电极层和下驱动电极层分别由以下材料中的至少一种制成:Ir、Pt、Al、Cu和Au ;或由其他金属材料制成；且所述上驱动电极层和下驱动电极层的厚度分别介于1纳米至5毫米之间。
7.根据权利要求4所述的微型电场传感器，其特征在于，所述传感器敏感结构还包括:感应电极焊盘孔，从第一绝缘层向下刻蚀形成，其深度穿过所述第一绝缘层，而终止于感应电极层，用于容纳感应电极焊盘以便通过所述感应电极焊盘从感应电极层输出与要检测的电场相对应的电流。
8.根据权利要求7所述的微型电场传感器，其特征在于，所述感应电极层由以下材料中的至少一种制成:Ir、Pt、Al、Cu和Au ;或由其他金属材料制成；且所述感应电极层的厚度介于1纳米至5毫米之间。
9.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层是二氧化硅层或氮化硅层、或由二氧化硅和氮化硅组成的复合绝缘层；或由其他具有绝缘性材料制作；且所述第一绝缘层、第二绝缘层和第三绝缘层的厚度分别介于1纳米至1厘米之间。
10.根据权利要求2所述的微型电场传感器，其特征在于，所述固支梁的下侧至基底下侧的距离是1微米至10厘米；相邻两个固支梁之间的距离是1微米至5毫米；所述固支梁的长度为1微米至10厘米，宽度为1微米至10厘米，厚度为1微米至10厘米。
【文档编号】B81B3/00GK103675480SQ201310491406
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】夏善红, 冯可, 佟建华, 方东明 申请人:中国科学院电子学研究所