压电式加速度传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种压电式加速度传感器，包括依次设置的支撑层、振膜层及压电薄膜层，所述支撑层具有一窗口，所述窗口暴露出部分所述振膜层，以使部分所述振膜层悬空，在具有加速度信号时，悬空的振膜层产生形变，所述振膜层的形变带动所述压电薄膜层产生形变，所述压电薄膜层背向和朝向所述振膜层的表面分别设置有上电极及下电极，以将所述压电薄膜层形变产生的电信号传递给外部测量装置。本实用新型的优点在于，压电薄膜层为一连续的整体，使得压电薄膜层在全范围内响应振膜层的形变，扩大了压电式加速度传感器的量程；提高压电式加速度传感器的抗高过载性；可大大提高压电式加速度传感器的灵敏度。
【专利说明】压电式加速度传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及加速度传感器领域，尤其涉及一种基于MEMS的压电式加速度传感器。
【背景技术】
[0002]加速度传感器是一种惯性传感器，能够测量物体的加速力。加速力是指物体在加速过程中作用在物体上的力，加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。目前，加速度传感器广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。近三十年的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术与工艺的发展，特别是基于娃芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器(如压力传感器，加速度传感器，陀螺仪等)的微型化和低成本。MEMS加速度传感器就是采用MEMS技术制造的加速度传感器。由于采用了微机电系统技术，一个MEMS加速度传感器只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度传感器具有体积小、重量轻、耗能低等优点。
[0003]MEMS加速度传感器主要分为三种:容感式、热感式以及压电式。
[0004]容感式MEMS加速度传感器内部存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。热感式MEMS加速度传感器内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。
[0005]压电式MEMS加速度传感器运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。
[0006]由于压电式MEMS加速度传感器内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度传感器只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度。目前的压电式MEMS加速度传感器通常只能在低过载的情况下工作。即便少数较高过载的压电式MEMS加速度传感器灵敏度又成为其瓶颈。
实用新型内容
[0007]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种压电式加速度传感器，其能够具有大的量程，高的抗高过载性及良好的灵敏度。
[0008]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种压电式加速度传感器，包括依次设置的支撑层、振膜层及压电薄膜层，所述支撑层具有一窗口，所述窗口暴露出部分所述振膜层，以使部分所述振膜层悬空，在具有加速度信号时，悬空的振膜层产生形变，所述振膜层的形变带动所述压电薄膜层产生形变，所述压电薄膜层背向和朝向所述振膜层的表面分别设置有上电极及下电极，以将所述压电薄膜层形变产生的电信号传递给外部测量装置。
[0009]进一步，还包括一设置在所述窗口内且与所述振膜层连接的质量块，所述质量块将加速度信号传递给所述振膜层，以使所述振膜层产生形变。
[0010]进一步，在所述振膜层朝向所述压电薄膜层的表面设置有绝缘层，所述绝缘层用于所述振膜层与所述下电极或所述压电薄膜层之间的绝缘。
[0011]进一步，所述压电薄膜层朝向所述振膜层的表面全部或部分与所述下电极接触。
[0012]进一步，还包括上电极端子及下电极端子，所述上电极端子与所述上电极连接，用以为所述上电极提供与外部装置的连接点，所述下电极端子与所述下电极连接，用以为所述下电极提供与外部装置的连接点。
[0013]进一步，所述支撑层设置在一外部下壳的表面，一外部上壳与所述振膜层键合，以将所述压电式加速度传感器封装。
[0014]本实用新型的一个优点在于，本实用新型压电式加速度传感器的压电薄膜层为一连续的整体，使得压电薄膜层在全范围内响应振膜层的形变，而不会出现压电薄膜层不能响应振膜层的某一位置的形变的情况，扩大了压电式加速度传感器的量程。
[0015]本实用新型的另一个优点在于，可通过改变振膜层的厚度来改变压电式加速度传感器的过载，提高压电式加速度传感器的抗高过载性。
[0016]本实用新型的另一个优点在于，质量块与所述振膜层连接，提高振膜层的应变变形量，从而可以大大提高压电式加速度传感器的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型压电式加速度传感器的结构示意图；
[0018]图2是图1示意图沿A-A向剖视图；
[0019]图3是本实用新型压电式加速度传感器封装结构示意图；
[0020]图4是本实用新型压电式加速度传感器封装结构爆炸示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本实用新型提供的压电式加速度传感器的【具体实施方式】做详细说明。
[0022]参见图1及图2，本实用新型一种压电式加速度传感器I包括依次设置的支撑层
10、振膜层11及压电薄膜层12。所述支撑层10支撑所述振膜层11。所述支撑层10的材料可以为硅等材料，所述振膜层11的材料可以为硅等材料，所述支撑层10与所述振膜层11可以采用键合的方式连接。所述压电薄膜层12的材质可以为锆钛酸铅(PZT)，其厚度可以为I微米左右。
[0023]所述支撑层10具有一窗口 101，所述窗口 101暴露出部分所述振膜层11，以使部分所述振膜层11悬空。所述窗口 101可采用刻蚀的方式形成。在具有加速度信号时，悬空的振膜层11产生形变，所述振膜层11的形变带动所述压电薄膜层12产生形变。
[0024]所述压电薄膜层12背向和朝向所述振膜层11的表面分别设置有上电极13及下电极14。所述上电极13的材料可以为Au，其厚度可以为0.4微米。所述下电极14的材料可以Pt/Ti，其厚度可以为0.44微米。所述上电极13及下电极14均可采用溅射工艺制作。当所述压电薄膜层12产生形变时，由于压低薄膜层12的材料特性，会产生电信号，所述上电极13及下电极14接收压电薄膜层12产生的电信号，并将所述压电薄膜层12形变产生的电信号传递给外部测量装置(附图中未标示)，例如，放大电路。
[0025]进一步，所述压电薄膜层12朝向所述振膜层11的表面全部或部分与所述下电极14接触。若所述压电薄膜层12朝向所述振膜层11的表面全部与所述下电极14接触，则所述压电薄膜层12不与所述振膜层11之间接触，而是通过所述下电极14与所述振膜层11间接接触，此时，所述下电极14可以充当过渡层，使得压电薄膜层12没有裂缝，图2所示为此种情况。若所述压电薄膜层12朝向所述振膜层11的表面部分与所述下电极14接触，则所述压电薄膜层12没有与下电极14接触的表面与所述振膜层11接触。
[0026]进一步，还包括一设置在所述窗口 101内且与所述振膜层11连接的质量块15，所述质量块15将加速度信号传递给所述振膜层11，以使所述振膜层11产生形变。在没有设置质量块15时，在具有加速度时，所述振膜层11也会产生形变，只是形变量小。设置质量块15后，加速度力作用于质量块15，使得质量块15发生运动，从而带动与所述质量块15连接的振膜层11的形变，提高振膜层11的应变变形量，从而可以大大提高压电式加速度传感器I的灵敏度。
[0027]进一步，在所述振膜层11朝向所述压电薄膜层12的表面设置有绝缘层16，所述绝缘层16用于所述振膜层11与所述下电极14或所述压电薄膜层12之间的绝缘。若所述压电薄膜层12朝向所述振膜层11的表面全部与所述下电极14接触，则所述绝缘层16与所述下电极14的另一表面接触。若所述压电薄膜层12朝向所述振膜层11的表面部分与所述下电极14接触，则所述绝缘层16没有与下电极14接触的表面与所述压电薄膜层12接触。
[0028]进一步，还包括上电极端子17及下电极端子18。所述上电极端子17与所述上电极13连接，用以为所述上电极13与外部装置的连接点。所述下电极端子18与所述下电极14连接，用以为所述下电极14提供与外部装置的连接点。
[0029]参见图3及图4,所述支撑层10设置在一外部下壳2的表面。一外部上壳3与所述振膜层11键合，以将所述压电式加速度传感器I封装。所述外部上壳3暴露出所述上电极端子17及下电极端子18，以便于所述上电极13及下电极14与外部装置连接。在本【具体实施方式】中，所述外部上壳3及外部下壳2可以采用石英制成。
[0030]在外部具有加速度时，即本实用新型压电式加速度传感器工作时，加速度力作用于质量块15，所述质量块15将加速度信号传递给所述振膜层11，引起振膜层11的形变，振膜层11的形变引起压电薄膜层12的应变变形，由于压电薄膜层12的压电效应，压电薄膜层12的表面产生电荷，从而上电极13及下电极14感应到相应的电荷，再通过上电极端子17和下电极端子18将电信号输出到外部装置中，例如，外接放大电路，从而外部装置就可检测到对应的加速度力信号。
[0031]下面列举本实用新型压电式加速度传感器的一种制作方法。
[0032]( I)提供硅基板作为支撑层。
[0033](2)图形化所述支撑层，以形成键合面。
[0034](3)在所述键合面上生成键合层，所述键合层材质为热氧化硅，采用热氧工艺生成。
[0035](4)将振膜层与支撑层键合，工艺采用S1-O键合工艺；然后采用研磨工艺将振膜层减薄至所需厚度。
[0036]( 5 )在振膜层上生成绝缘层，工艺采用热氧工艺。
[0037](6)采用磁控溅射法生成下电极及下电极端子，下电极材料为Pt/Ti ；Ti溅射功率采用200?，溅射所得厚度为40纳米，Pt溅射功率采用200?，溅射所得厚度为400纳米，所得下电极的厚度为0.44微米。
[0038](7)然后采用sol-gel法沉积压电薄膜层。工艺采用wt20%的PZT溶液以2000rpm旋涂35s，后经350°C热解3分钟，然后在650°C退火I分钟；重复以上sol-gel法沉积，最终所得压电薄膜层的厚度为I微米前后。
[0039](8)采用磁控溅射法生成上电极及上电极端子，上电极材料为Au ；Au溅射功率采用200w，溅射所得上电极的厚度为0.4微米。
[0040](9)正面覆胶保护，支撑层背面采用DRIE工艺刻蚀及BOE浸泡方法制作出支撑层的窗口及质量块。
[0041](10)上电极和下电极之间施加电压使压电薄膜层极化，极化电压采用10v/um。
[0042](11)将上部外壳及下部外壳分别键合至振膜层及支撑层，完成压电式加速度传感器的封装。
[0043]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种压电式加速度传感器，其特征在于，包括依次设置的支撑层、振膜层及压电薄膜层，所述支撑层具有一窗口，所述窗口暴露出部分所述振膜层，以使部分所述振膜层悬空，在具有加速度信号时，悬空的振膜层产生形变，所述振膜层的形变带动所述压电薄膜层产生形变，所述压电薄膜层背向和朝向所述振膜层的表面分别设置有上电极及下电极，以将所述压电薄膜层形变产生的电信号传递给外部测量装置。
2.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，还包括一设置在所述窗口内且与所述振膜层连接的质量块，所述质量块将加速度信号传递给所述振膜层，以使所述振膜层产生形变。
3.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，在所述振膜层朝向所述压电薄膜层的表面设置有绝缘层，所述绝缘层用于所述振膜层与所述下电极或所述压电薄膜层之间的绝缘。
4.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述压电薄膜层朝向所述振膜层的表面全部或部分与所述下电极接触。
5.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，还包括上电极端子及下电极端子，所述上电极端子与所述上电极连接，用以为所述上电极提供与外部装置的连接点，所述下电极端子与所述下电极连接，用以为所述下电极提供与外部装置的连接点。
6.根据权利要求1所述的压电式加速度传感器，其特征在于，所述支撑层设置在一外部下壳的表面，一外部上壳与所述振膜层键合，以将所述压电式加速度传感器封装。
【文档编号】G01P15/09GK204129068SQ201420587574
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】李祥明, 李忠平 申请人:上海天英微系统科技有限公司