CN101294844A - 弯曲压电式氧化锌纳米棒微电机(mems)振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明是将氧化锌纳米棒与微电机(MEMS)结构相结合，利用氧化锌纳米棒受力弯曲变形所产生压电效应和微电机中某部分能与另外部分产生相对运动，将振动机械能转换成电信号，达到振动传感的目的。与传统的振动传感器相比，其特点是体积小(在微米量级)，重量轻，不耗电或少耗电，灵敏度高。再加上氧化锌纳米棒的物理和化学稳定性好，所以该传感器可应用于广泛领域。
Description
技术领域
本发明是将氧化锌纳米棒阵列与微电机结构相结合，利用氧化锌纳米棒受力弯曲变形所产生压电效应，将振动机械能转换成电信号，达到振动传感的目的。
背景技术
振动传感器被广泛地用于工业，国防，和日常生活中。它的基本工作原理是：在外力作用下，一个装置中的机械结构中的某一部份和其他部份产生相对惯性运动，瞬态改变该部份机械结构的相对位置，再利用电磁场或压电材料特性将机械位移转换成电信号，从而获得振动信息。目前实用的振动传感器大致为三种：电磁式、压电式和电容式。它们可以用一般的机械结构，也可以用微电机结构(MEMS)来实现。随着技术的发展，现在的传感器已经越来越不能满足需要。这是因为现在的振动传感器存在许多缺点：
·体积大电磁式有磁体、线圈、支撑结构，很难作得很小。
·压电陶瓷的“学习”特性，其工作寿命短。压电晶体虽然很稳定，但是它的敏感度比压电陶瓷要低得多。
·压电陶瓷的内阻很高，一般在GΩ以上。电流很小，必须用电荷放大器和限幅放大器。因此电路复杂，价格高；
·传统振动传感器一般需要较大的偏置电流，耗电大。
·由于热电效应，即使有良好的隔热封装，压电陶瓷的热稳定性仍然不理想。
·电磁式振动传感器的电磁抗干扰力差；
一般来说，压电陶瓷振动传感器要比电磁式振动传感器好。因此现代应用大多倾向为压电式。理论上，压电晶体的稳定性比压电陶瓷好得多，但压电晶体的敏感度要比压电陶瓷低得多，并且噪声也要高。最近几年出现的氧化锌纳米棒具有非常突出的压电特性。科学研究发现，在一根直径只有几十纳米，长度为几微米的氧化锌纳米棒的压电电压输出可在5至50毫伏之间，而它的内阻却只有几十到几百kΩ，比压电陶瓷要低上千倍到万倍。这是因为无论是用真空气象法或是液象法所生成的纳米材料具有非常均匀整齐对称的晶格排列。无论是机械稳定性，化学稳定性还是电稳定性纳米材料都比陶瓷材料要好得多。电磁式、压电式和纳米传感器的优缺点列于表1中。
表1电磁振动传感器，压电振动传感器和纳米振动传感器比较
| 性能参数 | 电磁式 | 压电式 | 纳米压电式 |
| 频率平滑20～1500Hz | 是 | 是 | - |
| 频率平滑2～5000Hz | 不 | 是 | - |
| 相位一致性2～5000Hz | 不好 | 优 | 优 |
| 低离轴敏感度 | 不好 | 好 | 优 |
| 高频噪声 | 低 | 局 | 极低 |
| 线性度 | 好 | 好 | 优 |
| 任意指向安装 | 不 | 是 | 是 |
| 工作到120℃ | 是 | 是 | 是 |
| 机械寿命 | 一般 | 优 | 优 |
| 附加电路 | 一般 | 复杂 | 简单 |
| 体积 | 大 | 一般 | 极小 |
| 耗电 | 大 | 中 | 无或极小 |
| 抗电磁干扰 | 低 | 优 | 优 |
纳米材料传感器有着和压电式传感器几乎一样的优点，再加上极小的体积，极高的敏感性和稳定性，几乎不耗电，使得用纳米材料作成的传感器比普通压电式有更广泛的应用领域。
研究发现，垂直生长的氧化锌纳米棒在受到侧向外力作用而弯曲时具有压电特性。在图1所示的结构中，氧化锌纳米棒的横截面为正六边形。由于受到弯曲，纳米棒的向外部份受到拉伸，向内部份受到挤压。由压电原理知道，拉伸和挤压将产生方向相反的电场。也就是沿轴向方向在中分面两侧将产生方向相反的两个电场。所以无论向何方向弯曲，横截面上部始终为正电位，下部为负电位，中分面与生长衬底相连接为零电位。截面上部的正电位大小与纳米棒弯曲的程度成正比例，弯曲越大，电位越高。根据研究，长度在1微米左右，直径在40至80纳米的氧化锌纳米棒的电压输出在5至50微伏之间。
要使纳米棒受侧向力产生弯曲，并将压电信号取出，必须采用微电机结构。通常微电机结构用硅片或其他材料制作。现在的工艺已能在硅片上用干法或湿法刻蚀出非常复杂的图形。包括刻蚀出能感知外界振动的形状，如平面弹簧，如图2所示。该平面弹簧具有多个自谐振频率。选择不同的材料，材料厚度，结构尺寸可获得从几十赫兹到几千、上万赫兹的自谐振频率。其振动规律(模式)包括左右、上下、前后等等。将平面弹簧压在氧化锌纳米棒上，迫使纳米棒弯曲，如图3所示。在外界的振动作用下，弹簧会随之共振。其中上下振动模式可以改变纳米棒的弯曲程度，左右和前后振动可以迫使那些原来没有被压住的纳米棒受压弯曲。于是在电极间可产生与振动相关的电压输出。由于平面弹簧的尺寸比纳米棒尺寸大得多，在其面积复盖下将有很多纳米棒，形成并联结构。其优点是提高输出功率和降低内阻抗，使得信噪比提高，下游电路简化。
发明内容
本发明的氧化锌纳米棒振动传感器结构如图3所示。它由两部份构成：在坚硬衬底上基本整齐一致地垂直生长的氧化锌纳米棒和微电机(MEMS)结构。衬底的硬度必须大于氧化锌纳米棒，并且导电，例如P型或N型硅晶片。微电机结构是采用平面工艺制作的多层结构。在坚硬的衬底表面用真空气相法或液相法或其他方法在预定的区域内生长出垂直的氧化锌纳米棒阵列，其单根长度可在几百纳米到十几微米，直径在几十纳米至1微米左右。除个别外，其他大多数纳米棒长度应基本一致。在另一同样坚硬的衬底上刻蚀出微电机结构，如平面弹簧(图2)，重叠于有纳米棒的衬底之上，将其下压使纳米棒压弯至一定的曲度。下压程度由两衬底之间的绝缘层厚度确定。该绝缘层同时又是连接层，它将两衬底粘接在一起，形成一个整体。由于两衬底是导电的，它们同时又是传感器的两电极。压弯的纳米棒沿中轴线分为电压的正、负区。中轴线是零电压，并与生长衬底同电位。弯曲部份与另一衬底相接触的部份是正电位，与它相对在中轴线另一侧的部份是负电位。于是在两衬底之间将建立起一个电位差。该电位差与纳米棒压弯的程度有关，压得越弯电位差越大。为防止过载，在生长纳米棒的衬底上还应有过载保护垫，见图3。用导线将两衬底连接，将该电压引出，根据电压变化强度就可知道氧化锌纳米棒的弯曲程度，进而就知道平面弹簧的运动幅度和外界振动强度。如果采用一定的滤波算法，消除平面弹簧的固有频率，从电压波形就可知道振动的频率。两衬底的大小为几个平方微米至几个平方毫米，其中生长纳米棒的衬底厚度为几百微米，另一衬底厚度根据需要传感的振动性质一般为几到十几微米。中间的绝缘层厚度一般为1至几微米。其材料为即可绝缘又可粘接两衬底的材料，但温度系数与衬底材料必须基本一致，以保持传感器的温度稳定性。
附图说明
图1氧化锌纳米棒弯曲后产生的电位差
图2衬底上的平面弹簧
图3纳米振动传感器横截面示意图
图4在硅基片上生长氧化锌纳米棒步骤
图5具有平面弹簧图形的SOI硅片。
图6组装过程。
图中：101-基材；102-未被压弯的氧化锌纳米棒；103-在侧向外力作用下弯曲的纳米棒；F-侧向外力；+V-正电压；-V-负电压；0V-零电压；201-平面弹簧；301-生长氧化锌纳米棒的基材；302-绝缘层；303-带有平面弹簧的上层基材；304-受压弯曲的纳米棒；305-防过载垫；V-输出电压；401-氧化硅层；402-硅基材；403-蚀刻出图形，曝露出硅衬底；404-在曝露出的区域生长氧化锌纳米棒；405-氧化锌纳米棒；501-SOI基材；502-在较薄层上刻蚀出平面弹簧；503-在刻蚀出的区间临时填充可去除的胶；504-可去除胶；601-带有平面弹簧的SOI；602-生长有氧化锌纳米棒的衬底；603-将带有平面弹簧的基材和生长纳米棒的基材压合；604-减薄除去上层硅；605-腐蚀除去SiO2层；606-除去临时胶，得到氧化锌纳米振动传感器芯片。
具体实施方式
氧化锌纳米传感器可用多种基材制作。这里以硅基材为例说明该氧化锌纳米振动传感器的制作步骤：
1.在衬底基材上生长氧化锌纳米棒阵列
选取一N型硅晶片，基材厚度一般在五百微米左右。在某一单面上有一层厚度为1.2至5微米的SiO2。清洗干净后用光刻的方法在预定的地方先刻蚀出防过载垫。具体作法是先作一次浅刻蚀，作出防过载垫，再作深刻蚀曝露出硅基材层。再用溅射的方法在硅层上生成一层厚度为几十至几百纳米的生长种子层，其材料为氧化锌。根据传感频率其面积大小可为1平方微米至几平方毫米。一般面积小的为高频传感，面积大的为低频传感。用气相法或液相法在基材种子层上生长出长度超过SiO2厚度0.2至1微米的氧化锌纳米棒，如图4所示。
2.平面弹簧的设计与制作
设计选取另一N型SOI硅片，其中SiO2的厚度为1至2微米。根据该基材的杨氏模量，伯松比，材料密度和需要传感的频率范围，确定平面弹簧的形状和尺寸。一个典型的例子，如果需要传感的频率点如下表，选用曲折形平面弹簧，如图2所示。其材料参数是：杨氏模量为0.17N/um2(170GPa)，伯松比为0.2，密度为2.3310-15kg/um3(2330kg/m3)。用ANSYS算得平面弹簧圈数为5，宽度为5微米，长50微米，圈-圈间隔5微米，平面弹簧厚度为5微米，弹簧总长度是100微米。该平面弹簧一端固定在框的一个边缘上，另一端悬空。边框的尺寸是100×120微米。
| 振动模式 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 振动频率(Hz) | 109.74 | 122.8 | 369.15 | 389.95 | 560.07 |
制作在较薄硅片上根据设计的结构和尺寸要求，用干法或湿法在除平面弹簧以外的区域刻蚀至SiO2层。再在其中临时填充光刻胶，以防止以后加工中污染氧化锌纳米棒。去除多余的胶部份，抛光打平整个表面，如图5所示。
3.微电机结构组装
a.将刻有平面弹簧的SOI反扣，与长有氧锌纳米棒的衬底对准，用胶或热压法或其他方法将两者压接在一起。
b.将SOI用减薄机减至SiO2层。
c.将SiO2层用HF腐蚀掉。
d.用丙酮将临时光刻胶去除。
以上过程见图6。将整片硅片切片成单独的传感器裸芯片，再封装后就成传感器器件。
Claims (10)
1.一种振动传感器，其特征是：均匀垂直生长的氧化锌纳米棒阵列与微电机结构的结合；
2.根据权利要求1所记述的，其特征是：该纳米棒阵列处于传感器上、下两电极之间，部份或全部受到两电极的压迫而弯曲。
3.根据权利要求1、2所记述的，其特征是：受压弯曲的氧化锌纳米棒会产生压电效应，在两电极之间会产生电压输出。
4.根据权利要求1、2所记述的，其特征是：所有氧化锌纳米棒的一端是生长在两电极中的一个之上，其中一部份纳米棒的另一端与另一电极相接触，是欧姆接触。其余部份的另一端悬空。
5.根据权利要求1、2、3所记述的，其特征是：两电极材料的硬度要比氧化锌纳米棒硬度大，或者材料硬度不大但材料表面硬度大的导电层，并且能与氧化锌纳米棒形成欧姆接触。
6.根据权利要求1、2、3所记述的，其特征是：两电极之间有一绝缘层，用于两电极的连接与隔离，并控制纳米棒的初始压迫程度。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所记述的，其特征是：为防止过载，两电极之间有防过载垫。
8.根据权利要求1、2、4、5所记述的，其特征是：在没有生长氧化锌纳米棒的电极上刻有图形，它能随外界振动而产生共振。
9.根据权利要求1、2、4、5、8所记述的，其特征是：该图形结构压弯氧化锌纳米棒，如果图形结构为上下共振时，纳米棒的压迫程度将随之改变，于是在两电极间有变化电压输出。如果该图形的共振模式是左右或前后时，原来与图形不接触的纳米棒将受到图形结构的挤压而变形，产生压电效应，电极也有电压输出。
10.根据权利要求9，10所记述的，其特征是：能与外界共振的图形具有多个离散的频率共振点，形成该传感器对特定频率或频率范围传感。
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