一種梁膜結構壓電傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及壓力傳感器技術領域，特別涉及一種梁膜結構壓電傳感器及其制作方 法。
【背景技術】
[0002] 現階段，微機電系統MEMS微傳感器得到廣泛應用并獲得了巨大成功，人們對之期 望越來越高，希望通過微機電系統MEMS技術實現人類對各種物理世界所提供的信息進行 感知。就壓阻式壓力傳感器來說，其小尺寸、良好的輸入輸出線性關系、工藝成熟等優點，已 經被廣泛應用于汽車、移動電話及醫療器械等領域。相比較電容式的復雜集成電路，壓阻式 壓力傳感器只集成了一個簡單的惠斯通電橋來獲取信號，并且作為敏感元件的材料硅，其 加工成本要遠低于諧振式壓力傳感器所采用的昂貴石英，并且它性能的提高也通過壓力傳 感器結構的改進而有所突破。從平膜結構到島膜結構再到梁膜結構，這些結構的改進都是 以提高傳感器的性能為目的，但是各種結構都有不同程度的優缺點。
[0003] 平膜結構應用普遍，但當采用平膜結構時膜片薄，承壓面發生拉伸變形產生較大 的撓度，從而機械性能的非線性明顯變大；島膜結構厚度有下限限制，應力集中區由背面島 的位置、硅片厚度與腐蝕深度等因素決定，難以精確的控制，硬心的質量容易受加速度信號 的干擾而影響信號輸出。
[0004] 壓阻傳感器受溫度影響較大，應進行溫度補償，而且信噪比不高。壓阻式傳感器在 制作時要在半導體材料的基片上進行擴散電阻，同時在基片內接成電橋形式，工藝較復雜。
【發明內容】
[0005] 為了克服上述技術現有的缺點，本發明的目的在于提出一種梁膜結構壓電傳感器 及制作方法。使其在具有高靈敏度的同時，擁有更低的撓度，同時使其具有寬頻帶、高信噪 比、結構簡單、工作可靠和重量輕等優點。
[0006] 本發明的技術方案是這樣實現的：
[0007] 梁膜結構壓電傳感器，包括硅質基底，硅質基底的背面與硼玻璃鍵合，硅質基底中 間是由十字梁和敏感應力薄膜組成。其特征在于十字梁附于敏感應力薄膜上，敏感應力薄 膜被均勻分割成四個部分，硼玻璃與敏感應力薄膜下底面預留有工作間隙。
[0008] 十字梁四邊布置有四個壓電片，四個壓電片成對稱布置，且位于十字梁邊緣中心 處，壓電片的下表面是下電極，上表面為上電極，上、下電極與焊盤相連。
[0009] 所述的上、下電極和焊盤采用Ti-Pt多層金屬引線。
[0010] 十字梁的長度、厚度、寬度尺寸均相同。
[0011] 梁膜結構壓電傳感器的制造方法，包括如下步驟：
[0012] a)使用氫氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片為η型，[100]晶向；
[0013] b)清洗后脫水烘干，在900-1200°C環境下對η型硅片進行雙面高溫氧化獲得二氧 化硅電絕緣層，同時也是在表面微加工中用作硅的犧牲層掩膜；
[0014] c)在硅晶圓的底面采用四甲基氫氧化銨溶液濕法各向異性刻蝕，光刻背面形成腐 蝕區域，刻蝕掉腐蝕區域的氮化硅和氧化硅，利用濕法刻蝕掉背面，在正面形成薄膜結構；
[0015] d)在正面進行光刻，形成刻蝕圖案，通過感應耦合等離子體刻蝕方法在正面刻蝕 掉所需薄膜區域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四個敏感應力薄膜結構；
[0016] e)在正面凃剝離膠，用下電極光刻板光刻、顯影，形成Ti-Pt下電極圖形，濺射、正 膠剝離，形成Ti-Pt金屬層，作為下電極；
[0017] f)采用改性的溶膠-凝膠法工藝在Ti-Pt下電極上制備PZT-5H薄膜層，采用光刻 板作為掩膜，采用濕法對未結晶的PZT薄膜層進行微圖形化，然后放入熱處理爐中進行再 結晶處理，形成壓電片；
[0018] g)在正面凃剝離膠，用上電極光刻板光刻、顯影，形成上電極圖形，濺射、正膠剝 離，形成Pt金屬層，作為上電極；
[0019] h)最后經過劃片將所設計的具有梁膜結構微傳感器從硅片上得到梁膜結構壓電 傳感器。
[0020] 本發明所述的梁膜結構壓電傳感器具有更好的靈敏度、更低的撓度，在動態環境 下頻響響應好。同時擁有頻帶寬、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等優點。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明傳感器的結構示意圖。
[0022] 圖2為本發明傳感器的正面視圖。
[0023] 圖3為本發明A-A截面示意圖。
[0024] 圖4為本發明傳感器的工作示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 以下結合附圖對本發明進行更為詳細說明。
[0026] 參照附圖所示，一種梁膜結構壓電傳感器，包括硅質基底1，硅質基底1的背面與 硼玻璃4鍵合，硅質基底1中間的十字梁5將敏感應力薄膜2均勻分成四份，十字梁5附在 敏感應力薄膜2的上表面，硼玻璃4與敏感應力薄膜2下底面預留有工作間隙以保證敏感 應力薄膜2在傳感器正常工作時能夠始終懸空，而在某些過載環境中其下底面能夠與硼玻 璃4接觸，防止過載破壞傳感器。
[0027] 在十字梁5四周布置壓電片3,以實現壓電片的串并聯來增加信號輸出。壓電片3 成對稱布置，且位于十字梁5邊緣中心處，壓電片的下表面是下電極6,上表面為上電極9， 上電極9與焊盤7相連，下電極6與焊盤8相連，焊盤分布在傳感器兩側，方便進行串、并聯 連接。
[0028] 所述的上電極9、下電極6、焊盤7、焊盤8使用Ti-Pt多層金屬引線。
[0029] 十字梁5長度、寬度、厚度均相同。
[0030] 四個敏感應力薄膜2大小相同。
[0031] 本發明的工作原理為：
[0032] 本發明基于壓電效應的工作原理，壓電效應是指某些電介質在沿一定方向上受到 外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反 的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力 的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。
[0033] 每個晶體單元中，具有3個硅離子和6個氧離子，氧離子是成對的，構成六邊的形 狀，在沒有外力作用時，電荷相互平衡，外部沒有帶電現象，但在沿一定方向上受到外力的 作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。 當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變，分為縱向壓電效應、橫向壓電效應和切向 壓電效應。
[0034] 縱向壓電效應：沿X軸施加作用力，電荷出現在與X軸垂直的表面上，其產生的電 荷量為q x= d nXFx，
[0035] qx:電荷量，d11:縱向壓電常數，Fx:作用力橫向壓電效應：沿y軸施加作用力，電荷 出現在與X軸垂直的表面上，其產生的電荷量為
[0036] 其中，d12:橫向壓電系數；Fy:作用力；
[0037] Sx、Sy:分別為與X軸、y軸相垂直面面積；
[0038] a :x軸方向厚度；b :y軸方向厚度；
[0039] 壓電式傳感器主要是運用縱向壓電效應。
[0040] 當