一種壓電懸臂梁傳感器結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及壓電薄膜微傳感器技術領域，更具體地，涉及一種具有柔性支撐的壓電懸臂梁傳感器結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]壓電原理是實現微傳感器的一種新途徑。通過壓電效應，力、加速度等待感知量可以直接在壓電薄膜上輸出電壓，而逆壓電效應使微傳感器可以通過施加外電壓驅動微結構產生位移，從而同時具備執行器功能。資料表明，利用壓電薄膜材料制成的微傳感器/執行器與現有的硅基材料微傳感器/執行器相比具有無可比擬的優勢，是微傳感器研究發展的新領域。
[0003]基于壓電效應的傳感器，是一種自發電式和機電轉換式傳感器，它的敏感兀件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產生電荷，此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后，就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。
[0004]目前，國際上多個研究機構都已經開展了對壓電薄膜微傳感器技術的研究，在壓電薄膜微器件的原理、結構、性能等的理論分析方面已經取得了一定的成果。但是，真正可以在實際中應用的壓電微器件卻很少，其關鍵問題在于:一是壓電薄膜的微細加工技術和壓電薄膜與硅集成電路工藝的兼容性問題尚未得到很好的解決;二是大部分的壓電傳感器采用體硅工藝，微結構的釋放采用硅襯底背面腐蝕工藝，工藝復雜、難控制，與目前普遍采用的集成電路工藝不兼容，而且易發生微結構與襯底粘連的問題，導致成品率降低;三是已應用的壓電微器件大多采用多晶硅、壓電陶瓷等剛性支撐結構，對小信號激勵的響應不敏感，靈敏度低；同時，帶剛性支撐結構的微器件無法在任意尺寸、任意形狀表面的物體上應用。這些問題也是發展鐵電不揮發存儲器、室溫型熱釋電紅外探測器等新型器件亟待解決的關鍵技術。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種具有柔性支撐的壓電懸臂梁傳感器結構及其制造方法。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0007]—種壓電懸臂梁傳感器結構，自下而上依次包括:硅片襯底、柔性支撐層、下電極、壓電薄膜、上電極，所述襯底具有面向柔性支撐層的溝槽，所述柔性支撐層一端搭設于溝槽外的襯底表面，其余部分懸設于溝槽上方，與其上方下電極、壓電薄膜、上電極一起構成懸臂。
[0008]優選地，所述襯底材料為N型或P型雙面拋光硅片。
[0009]優選地，所述柔性支撐層材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二脂;所述上、下電極材料為Pt/Ti薄膜;所述壓電薄膜材料為PZT壓電薄膜。
[0010]一種壓電懸臂梁傳感器結構的制造方法，包括以下步驟:
[0011 ]步驟SOl:提供一硅片襯底，在襯底中形成溝槽，并填充犧牲層材料；
[0012]步驟S02:在襯底上制備柔性支撐層；
[0013]步驟S03:在柔性支撐層上依次制備圖形化的下電極、壓電薄膜、上電極；
[0014]步驟S04:進行柔性支撐層的圖形化，使其一端位于溝槽區域外、另一端位于溝槽區域內，并使溝槽中的犧牲層材料露出；
[0015]步驟S05:通過釋放工藝去除犧牲層材料，在溝槽上方形成由柔性支撐層與下電極、壓電薄膜、上電極一起構成的懸臂梁結構。
[0016]優選地，所述襯底材料為N型或P型硅片，并進行雙面拋光。
[0017]優選地，步驟SOI中，先采用SACVD方法在襯底上淀積BPSG、BSG、PSG或SOG作為犧牲層材料，并進行平坦化回流;然后，采用干法刻蝕工藝對犧牲層材料進行回刻，去除襯底表面的犧牲層材料，使犧牲層材料與襯底表面平齊。
[0018]優選地，步驟S02中，采用旋涂法或淀積法制備聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二脂材料柔性支撐層;步驟S04中，采用各向異性的干法刻蝕工藝刻蝕柔性支撐層，形成懸臂梁的支撐結構。
[0019]優選地，步驟S03中，先采用光刻膠直接剝離工藝，經曝光、顯影形成所需的電極圖形，并去除電極圖形區域的光刻膠;然后，采用PVD方法淀積Pt/Ti薄膜電極材料;最后，使用丙酮溶液剝離電極圖形以外區域的光刻膠，形成Pt/Ti電極。
[0020]優選地，步驟S03中，先采用溶膠-凝膠方法制備PZT壓電薄膜;然后，對PZT壓電薄膜進行涂膠、曝光、顯影，并采用干法刻蝕工藝進行圖形化。
[0021]優選地，步驟S04中，通過在襯底上全面覆蓋一層SiN，作為釋放時的阻擋層，并刻蝕犧牲層材料上的SiN，使溝槽中的犧牲層材料露出形成釋放窗口；S05中，采用各向同性的濕法刻蝕工藝去除溝槽中的犧牲層材料，釋放懸臂梁結構。
[0022]本發明具有以下優點:
[0023]1、通過采用表面犧牲層工藝和各向同性濕法刻蝕工藝，從正面釋放壓電微懸臂梁結構，可充分利用普遍采用的CMOS工藝完成，工藝簡單可控，提高了壓電懸臂梁傳感器制造工藝與硅集成電路工藝的兼容性，避免了體硅襯底用濕法刻蝕從背面釋放懸臂梁工藝中的污染問題。
[0024]2、采用柔性材料作為懸臂梁支撐結構，與傳統剛性支撐結構相比，大幅提高了傳感器的靈敏度或執行器的變形幅度，提高了懸臂梁對外部激勵的響應和信號輸出。
[0025]3、采用柔性材料支撐結構，簡化了傳感器結構和加工工藝，使得采用本發明結構的壓電微傳感器可以應用在任意尺寸、任意形狀表面的物體上，從而擴展了微傳感器的應用范圍。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明一較佳實施例中的一種壓電懸臂梁傳感器結構示意圖；
[0027]圖2是本發明的一種壓電懸臂梁傳感器結構的制造方法流程圖；
[0028]圖3-19是本發明一較佳實施例中根據圖2的方法制造壓電懸臂梁傳感器結構的工藝步驟示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0030]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發明的實施方式時，為了清楚地表示本發明的結構以便于說明，特對附圖中的結構不依照一般比例繪圖，并進行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應避免以此作為對本發明的限定來加以理解。
[0031]在以下本發明的【具體實施方式】中，請參閱圖1，圖1是本發明一較佳實施例中的一種壓電懸臂梁傳感器結構示意圖。如圖1所示，本發明的一種壓電懸臂梁傳感器結構，建立在硅片襯底之上，其自下而上依次包括:硅片襯底11、柔性支撐層13、下電極14、壓電薄膜15、上電極16。在柔性支撐層13下方的襯底11中設有一個溝槽12，所述溝槽12面向柔性支撐層13的方向為開口。所述柔性支撐層13的一端搭設于溝槽12外的襯底11表面，并與襯底11相連，包括另一端在內的其余部分懸設于溝槽12上方。柔性支撐層13與其上方的下電極14、壓電薄膜15、上電極16—起在襯底的溝槽12上方構成懸臂，從而形成本發明的壓電懸臂梁傳感器結構。
[0032]與傳統剛性支撐結構相比，本發明通過采用柔性材料作為懸臂梁支撐結構，可大幅提高傳感器的靈敏度或執行器的變形幅度，并可提高懸臂梁對外部激勵的響應和信號輸出。采用此結構的壓電微傳感器可以應用在任意尺寸、任意形狀表面的物體上，從而擴展了微傳感器的應用范圍。
[0033]作為一可選的實施方式，所述襯底材料可采用N型或P型硅片，該硅片可經過雙面拋光處理。
[0034]作為一優選的實施方式，所述柔性支撐層材料可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)或聚對苯二甲酸乙二脂(PET);柔性支撐層的厚度可約為5-20微米，其較佳的厚度為10微米。所述上、下電極材料可采用Pt/Ti薄膜;其中，Pt薄膜的厚度可約為0.05微米，Ti薄膜的厚度可約為0.01-0.02微米。所述壓電薄膜材料可采用PZT壓電薄膜;PZT壓電薄膜的厚度可約為2-10微米，其較佳的厚度為5微米。
[0035]下面通過具體的實施方式，對本發明的一種壓電懸臂梁傳感器結構的制造方法進行詳細的說明。
[0036]請參閱圖2，圖2是本發明的一種壓電懸臂梁傳感器結構的制造方法流程圖；同時，請參閱圖3-19，圖3-19是本發明一較佳實施例中根據圖2的方法制造壓電懸臂梁傳感器結構的工藝步驟示意圖，圖3-19中顯示的分步器件結構，可分別與圖2中的工藝步驟相對應。如圖2所示，本發明的一種壓電懸臂梁傳感器結構的制造方法，包括以下步驟:
[0037]如框01所示，步驟SOl:提供一硅片襯底，在襯底中形成溝槽，并填充犧牲層材料。
[0038]請參閱圖3。首先，可采用一N型或P型硅片I，并進行雙面拋光，作為襯底材料。在此硅片襯底I中可事先制備好傳感器所需的對應電路結構。