基于同步共振的高靈敏度壓電壓阻電容疊加力敏傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種可實現壓電、壓阻、電容疊加的同步共振懸臂梁力敏傳感器。
【背景技術】
[0002] 近年來，力敏傳感器作為檢測物質質量、力的大小的主要手段，廣泛的應用于環境 檢測，工業生產，食品安全等多個方面。諧振式傳感器件體積小，諧振頻率高，因而具有較高 的靈敏度，如諧振式氣體傳感器等。懸臂梁作為微系統中最經典，簡潔的結構，對質量變化 敏感，且易于微小制造。諧振式懸臂梁型力敏傳感器利用質量敏感薄膜特異性的吸附物質 分子，將梁的質量變化轉變為諧振頻率的偏移，獲取偏移量并通過電信號輸出，即可獲得所 測物質的質量。在此過程中，設計高靈敏度的力敏傳感器是國內外科學工作者所關屯、的重 點問題。
[0003] 目前已有相關研究機構為獲得高靈敏度的力敏傳感器，對傳感器的結構進行了探 索和設計。美國橡樹嶺國家實驗室于1994年首先論證了微懸臂梁諧振式傳感器可用于氣體 檢測且可W獲得較高的靈敏度;英國劍橋大學通過驅動懸臂梁使其處于強非線性振動(第5 諧振模態），從而增大物質吸附、解吸時頻率偏移量，提高傳感器的靈敏度;法國波爾多大學 利用絲網印刷技術設計了自激勵、自讀出的甲苯氣體傳感器，通過縱向諧振模式獲得了高 諧振頻率，具有更高的靈敏度。韓國仁荷大學研究了相同表面積的矩形、Ξ角形、階梯型梁 在相同表面應力的作用下曉度、諧振頻率的大小比較。相比于矩形結構，懸臂梁的Ξ角形、 階梯型結構的曉度分別提高了 257 %、79 %，頻率分別提高了 31 %、19 % ;臺灣清華大學研究 了不同縱橫比的Ξ角形，半圓形，矩形及內切圖形諧振頻率的比較，發現高縱橫比的內切圖 形，低縱橫比的懸臂梁兩者結合可W使懸臂梁具有更高的靈敏度;大連理工大學提出通過 改變彈性梁的表面形狀(梯形)和截面構型(槽型)來進一步提升傳感器靈敏度的新方法，相 對于矩形截面梁傳感器，靈敏度提高了287.8% ;德國半導體技術研究所通過對梁的結構進 行優化，并在金屬計拾振器中設計溫補結構，提高了傳感器的靈敏度;大連理工大學設計了 雙層和雙片壓電PZT薄膜微懸臂梁結構，雙層串聯接法壓電PZT薄膜懸臂梁式微力傳感器， 獲得了較高的靈敏度。上述研究結果均在一定成度上提高了傳感器的靈敏度。然而，并未有 研究機構能夠利用多種機制疊加設計同時大幅提高傳感器的靈敏度。
【發明內容】
[0004] 本發明提供一種基于同步共振的高靈敏度壓電壓阻電容疊加力敏傳感器，實現多 種機制疊加設計，進而大幅提高傳感器的靈敏度。
[0005] 本發明采取的技術方案是:C型支撐結構下部與壓電激振結構固定連接，該C型支 撐結構的中部與U型梁、T型梁、同步禪合梁相連，T型梁的兩側與同步禪合梁相連，U型梁的 內側亦與同步禪合梁相連，T型梁上表面沉積多片壓電拾振結構，固定端表面設置有壓阻拾 振結構，T型梁自由端上表面沉積電極，與上支撐部分表面電極共同組成上電容拾振結構，T 型梁自由端下表面沉積電極，與下支撐部分表面電極共同組成下電容拾振結構，兩電容拾 振結構組成差動式電容拾振結構。
[0006] 本發明所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁和C型支撐結構均由同一基底加工而成。
[0007] 本發明所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁共同組成同步共振結構，根據同步共振物 理原理，若低頻梁固有頻率為ω 1，高頻梁固有頻率為ω 2，其固有頻率滿足如下公式：
[000引 πιωι = ηω2
[0009] 其中，m、n均為整數，m/n即為頻率的放大倍數，其中低頻梁為U型梁，高頻梁為Τ型 梁。
[0010] 本發明所述的U型梁自由端處表面涂覆質量敏感薄膜用于選擇性吸附物質分子。
[0011] 進一步，所述的U型梁相比于單根矩形梁，結構更緊湊，封裝后體積更小，但除U型 外亦可使用其他可實現同步共振的梁結構。
[0012] 本發明所述的T型梁上表面通過氧化或其他工藝設計有上絕緣層，下表面通過氧 化或其他工藝設計有下絕緣層；
[0013] 本發明所述的壓電拾振結構為上電極、壓電層、下電極的Ξ明治結構。
[0014] 本發明所述的多片壓電結構可按振動模態、應用領域的不同使用縱向、橫向等不 同的排布方法。各片上下電極依次串聯，形成壓電拾振結構。
[0015] 本發明將所述的壓電、壓阻、電容疊加，Ξ種拾振結構均可W將諧振振幅及頻率W 電壓信號輸出，通過控制壓電材料的極化方向等，可使Ξ種拾振結構的疊加輸出電壓最大 化。
[0016] 本發明的優點是結構新穎，其有益效果體現在：
[0017] (1)將同步共振物理原理應用于諧振式懸臂梁傳感結構，可實現頻率倍增，提高傳 感器的靈敏度。
[0018] (2)U型梁端部面積較大，吸附分子量更多，頻率變化較大，可提高傳感器靈敏度。
[0019] (3)Τ型梁自由端寬于梁的其他部分，可使電容拾振結構輸出電容增大。電容拾振 結構的差動式設計也可提高電容的變化，增大輸出電壓，提高檢測分辨率，而且在一定程度 上可W消除環境影響帶來的誤差。
[0020] (4)壓電拾振結構進行多片串聯設計，放大了輸出電壓，提高傳感器的檢測靈敏 度。
[0021] (5)通過較簡單的結構設計，將壓電、壓阻、電容拾振結構集成于同一結構中，Ξ者 輸出信號疊加，可進一步放大了輸出電壓，提高傳感器的檢測靈敏度。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明的結構示意圖；
[0023] 其中：U型梁1，質量敏感薄膜101，Τ型梁2,同步禪合梁3，C型支撐結構4,壓電拾振 結構5,壓阻拾振結構6,上電容拾振結構7，Τ型梁自由端上電極701，上支撐部分電極702,下 電容拾振結構8，Τ型梁自由端下電極801，下支撐部分電極802,壓電激振結構9;
[0024] 圖2是本發明C型支撐結構側視圖；
[0025] 其中：上支撐結構絕緣層401，下支撐結構絕緣層402，上支撐部分電極702，下支撐 部分電極802;
[0026] 圖3是本發明同步共振結構俯視圖；
[0027]圖4是本發明Τ型梁側視圖；
[002引其中：基底梁201，上絕緣層202,下絕緣層203,壓電層501，壓電層上電極502,壓電 層下電極503，Τ型梁自由端上電極701，Τ型梁自由端下電極801;
[0029] 圖5是本發明輸出總電壓隨壓電片數的變化曲線；
[0030] 圖6為Τ型梁應力分布圖；
[0031 ]圖7Α是實現多種物質檢測的橫向陣列結構示意圖；
[0032] 圖7Β是實現多種物質檢測的圓形陣列結構示意圖，其中固定結構位于中屯、，虛線 框中為單個傳感結構；
[0033] 圖7C是實現多種物質檢測的圓形陣列結構示意圖，其中固定結構位于外側，虛線 框中為單個傳感結構。
【具體實施方式】
[0034] W下將結合附圖，對本發明進行詳細的描述;應當理解，優選實施例僅為了說明本 發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
[0035] 如圖1所示，包括U型梁1，質量敏感薄膜101，Τ型梁2,同步禪合梁3，C型支撐結構4， 壓電拾振結構5,壓阻拾振結構6,上電容拾振結構7，Τ型梁自由端上電極701，上支撐部分電 極702,下電容拾振結構8，Τ型梁自由端下電極801，下支撐部分電極802,壓電激振結構9;
[0036] C型支撐結構4下部與壓電激振結構9固定連接，該C型支撐結構4的中部與U型梁1、 Τ型梁2、同步禪合梁3相連，Τ型梁2的兩側與同步禪合梁3相連，U型梁1的內側亦與同步禪合 梁3相連，Τ型梁2上表面沉積多片壓電拾振結構5,固定端表面設置有壓阻拾振結構6，Τ型梁 2自由端上表面沉積電極701，與上支撐部分表面電極702共同組成上電容拾振結構7，Τ型梁 2自由端下表面沉積電極801，與下支撐部分表面電極802共同組成下電容拾振結構8,兩電 容拾振結構組成差動式電容拾振結構。
[0037] U型梁1、Τ型梁2、同步禪合梁3和C型支撐結構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共同組成同步共振結構，根據同步共振物理原理，若 低頻梁固有頻率為ω 1，高頻梁固有頻率為ω 2，其固有頻率滿足如下公式：
[0039] m ω i = n ω 2
[0040] 其中，m、n均為整數，m/n即為頻率的放大倍數，其中低頻梁為υ型梁1，高頻梁為τ型 梁2。
[0041] 在進行質量或力檢測前，梁結構存在一定的固有頻率，可通過實驗或計算來確定。 在實施例中，假設U型梁1的一階固有頻率為fi，T型梁2的一階固有頻率為f2，U型梁1固有