CN103471760B - 一种力敏谐振元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力敏谐振元件及该元件的制造方法，力敏谐振元件包括两基部和两谐振梁，谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，凹槽的内壁以及谐振梁的侧壁分别覆盖有电极，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。谐振梁上每面的凹槽至少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为一体的端部浅凹槽构成。本力敏谐振元件电极的作用面距离短，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高，更适于传感器微型化制作。设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁的激振效率更高。

Description

一种力敏谐振元件的制造方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种应用于微型力学传感器上的力敏谐振元件及该力敏谐振元件的制作方法。

背景技术

微型力学传感器作为一种检测力学参数的传感器，在多个领域得到了广泛的应用。依据检测原理的不同，可以将力学传感器分为电容式、压阻式、谐振式等多个种类，其中谐振式的灵敏度较高且为频率输出，可直接连接数字电路进行信号处理而无需模数信号转换，成为目前一个重要的研究方向。力敏谐振元件是谐振式力学传感器的敏感元件，是谐振式力学传感器的核心元件，它的结构及参数将直接影响传感器的整体性能。

《传感器世界》（2007）上的文献《基于石英谐振器的测压传感器设计》，该文献中采用AT切型的石英晶体平凸片作为谐振元件设计了一种高精度的谐振式压力传感器。该种结构的谐振元件采用传统机械工艺进行加工，体积大且一致性差，不适合大批量生产。

中国专利，专利名称《压力传感器元件及压力传感器》，申请号为：201010126148.1。该专利设计了一种采用矩形截面且反向振动的双振梁作为谐振元件的压力传感器，比较适合采用微加工工艺进行低成本批量化制作，但其谐振梁采用矩形截面结构，电极的激励效率低，随着元件尺寸的进一步降低，振梁的激励振动幅值也会下降，稳定性变差。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种适合批量化生产、微型化、激振效率高的力敏谐振元件。

本发明还同时提供上述力敏谐振元件的制作方法，该制作方法简单，制得的元件一致性好，适于大批量生产。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种力敏谐振元件，包括两基部和位于两基部之间且工作于宽度弯曲谐振模态的谐振梁，所述谐振梁为相同结构的两根，谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，所述凹槽的内壁以及谐振梁的侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方向与所述谐振梁的振动方向垂直，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。

进一步地，所述谐振梁上每面的凹槽至少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为一体的端部浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧端部深凹槽和端部浅凹槽。

所述谐振梁正面和背面均设置有所述凹槽且正面和背面对称设置。

在所述谐振梁上位于两端部凹槽中部设有中部凹槽，每个中部凹槽由两侧平行的中部深凹槽和位于两个中部深凹槽之间且与两个中部深凹槽连为一体的中部浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧中部深凹槽和中部浅凹槽。

本发明谐振梁上的凹槽既可以正面和背面均设置，也可以单面设置，谐振梁较薄时单面设置即可，避免刻蚀穿透。如果谐振梁较短，则不设置中部凹槽，只设置两端部凹槽。

本发明同时提及上述力敏谐振元件的制造方法，本方法通过同一基片一次性加工出两基部和两谐振梁，所述基片的材料为压电材料；其制作步骤如下：

S1：在基片表面根据所述力敏谐振元件的结构特点分别制作图形化掩蔽膜层和图形化光刻胶；

S2：在没有掩蔽膜层的部位进行刻蚀作业，将基片中部刻蚀断裂以在左右两侧形成两块相同的谐振梁，两端形成基部，同时在每块谐振梁上深凹槽所在部位初步刻蚀；

S3：分别腐蚀掉两根谐振梁浅凹槽所在表面设置的掩蔽膜层以露出浅凹槽所在表面，对浅凹槽所在表面进行刻蚀以形成需要深度的浅凹槽，同时对S2步初步刻蚀出的深凹槽进一步刻蚀以达到最终需要的深度；

S4：依次去除两根谐振梁其余部位的光刻胶和掩蔽膜层；

S5：在凹槽表面和谐振梁的两侧分别沉积图形化电极。

具体地，所述掩蔽膜层包括两层材料，从下往上依次为下层掩蔽膜和上层掩蔽膜；

步骤S2和S3中的刻蚀为湿法刻蚀或干法刻蚀。

步骤S5中沉积的电极为单层材料或双层材料。

本发明的积极效果是：

在谐振梁的前后两个面中至少一个面上制作凹槽，谐振梁的侧壁和凹槽的内壁分别覆盖电极，在电极上施加电压，使得两根谐振梁内部产生电场方向相反的激励电场，由逆压电效应激励两根谐振梁产生反向弯曲振动。当沿谐振梁长度方向的外部拉伸力或压缩力作用到一对基部上时，基部将该作用力传递到谐振梁上并引起谐振梁产生沿长度方向的应变，进而使得谐振梁的弯曲谐振频率发生变化并输出到外部电路。

与现有矩形截面的谐振梁结构不同，本力敏谐振元件采用表面制作有凹槽的振梁结构，电极的作用面距离短，相对于现有技术，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高，更适于传感器微型化制作。

设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁的激振效率更高。

端部浅凹槽和中部浅凹槽的中轴线重合，谐振梁的谐振稳定性强。

采用光刻和化学溶液腐蚀的制作方法可在一块基片上同时制作多个力敏谐振元件，各力敏谐振元件一致性好，制作工艺简单，成本低，适于大批量生产。

附图说明

图1a是本发明实施例1力敏谐振元件的结构示意图，图1b是其A-A剖视图，图1c是谐振梁内部的电场分布图；

图2a是本发明实施例2力敏谐振元件的结构示意图，图2b是其A-A剖视图；

图3a是本发明实施例3力敏谐振元件的结构示意图，图3b是其A-A剖视图；

图4是本发明制作实施例1所述力敏谐振元件的工艺流程图。

其中：1-力敏谐振元件；2-基部；3-谐振梁；4a-端部深凹槽；4b-端部浅凹槽；5a-中部深凹槽；5b-中部浅凹槽；6a-第一电极；6b-第二电极；10-基片；11-下层掩蔽膜；12-上层掩蔽膜；13-光刻胶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

如图1a和图1b所示，一种力敏谐振元件1，包括上下平行设置的两个基部2，该两个基部2之间平行对称设置有工作于宽度弯曲谐振模态的两根谐振梁3，所述谐振梁3的前后两个面分别设置有三个凹槽-位于两端的端部凹槽和端部凹槽之间的中部凹槽。在凹槽的内壁以及谐振梁的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方向与所述谐振梁的振动方向垂直，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。每个端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽4a和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为一体的端部浅凹槽4b构成，凹槽上的电极覆盖两侧端部深凹槽4a和端部浅凹槽4b。每个中部凹槽由两侧平行的中部深凹槽5a和位于两个中部深凹槽之间且与两个中部深凹槽连为一体的中部浅凹槽5b构成，凹槽上的电极覆盖两侧中部深凹槽5a和中部浅凹槽5b。

图1c是谐振梁内部的电场分布图，从图上可以看出，谐振梁3设置的连接激励源的一对电极：第一电极6a和第二电极6b，该两个电极之间施加一定的电压并在谐振梁3内部产生激励电场，由逆压电效应激励谐振梁3产生宽度弯曲振动。如图1c所示，左、右两侧的谐振梁3的第一电极6a和第二电极6b电动势相反，因此谐振梁内电场方向相反，两根谐振梁3振动方向相反。

当沿谐振梁3长度方向的外部拉伸力或压缩力作用到基部2上时，基部2将该作用力传递到两根谐振梁3上并引起该两根谐振梁3产生沿长度方向的应变，进而使得谐振梁3的弯曲谐振频率发生变化并输出到外部电路，外部电路根据弯曲谐振频率的变化得到作用在基部2上的压力大小。

谐振梁通过设置凹槽使两个电极之间的距离缩短，在一定电压下，谐振梁内的电场强度更大。与现有的矩形截面的谐振梁相比，本力敏谐振元件的谐振梁3内的场强大，电极的激励效率高，即使减小元件的尺寸，谐振梁的激励振幅下降也较小，力敏谐振元件的稳定性较强，更适于传感器的微型化制作。

端部浅凹槽4b和中部浅凹槽5b的两侧沿着该凹槽的侧壁下沉分别形成端部深凹槽4a和中部深凹槽5a，在上述深凹槽内填充有与浅凹槽内壁的电极一体连接的电极，设置深凹槽，增加凹槽侧壁的陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁3的激振效率更高。

与矩形截面的谐振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有深凹槽结构的谐振梁3的有效激励电场强度明显增强，谐振梁3的振荡强度增大，动态阻抗值降低，有利于谐振元件结构的进一步微型化。

上述的端部浅凹槽4b和中部浅凹槽5b的中轴线都重合，谐振梁的谐振稳定性强。

实施例2：

如图2a和图2b所示，该实施例的力敏谐振元件与实施例1的力敏谐振元件结构类似，不同的是谐振梁3只在前后面中一个面设置凹槽。为突出横截面的形状，图2b并没有示出电极。

对于厚度较薄的谐振梁，双面同时制作凹槽时，端部深凹槽4a和中部深凹槽5a处易刻蚀穿，降低了谐振梁3的动态强度，同时谐振梁3谐振时的动态阻抗会增大，降低力敏谐振元件的稳定性。本实施例中的单面制作凹槽的谐振梁3结构，更适合于微型化且基于厚度较薄基片的力敏谐振元件1的制作。

实施例3：

如图3a和图3b所示，该实施例的力敏谐振元件与实施例1的力敏谐振元件结构类似，不同的是两根谐振梁上都没有设置中部凹槽（包括中部浅凹槽5b和中部深凹槽5a）。为突出横截面的形状，图3b并没有示出电极。

在谐振梁3长度进一步缩短时，若谐振梁3正面和背面同时制作中部凹槽则表面的电极图形化难度会增大，第一电极6a和第二电极6b短路的概率会增加，力敏谐振元件制作的成品率和可靠性均会降低。本实施例中的谐振梁3结构，更适合于谐振梁3长度较短的力敏谐振元件的制作。

由此可见在谐振梁3的前后两个面中的至少一个面上制作凹槽，凹槽内壁覆盖有电极，凹槽的两侧再设置深凹槽，谐振梁3的侧壁和凹槽的内壁都覆盖有电极，在电极上施加电压，使得两根谐振梁3内部产生电场方向相反的激励电场，由逆压电效应激励两根谐振梁产生反向弯曲振动。与矩形截面的谐振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有凹槽结构的谐振梁3的有效激励电场强度明显增强，谐振梁3的振荡强度增大，谐振效率高，动态阻抗值降低，性能稳定，有利于谐振元件结构的进一步微型化。

实施例4：

如图4a至图4 e所示，本实施例4是制作实施例1记载的力敏谐振元件的方法，实施例2和3产品的制作方法参见实施例1的产品；

本方法通过同一基片10一次性加工出两基部和两谐振梁，所述基片材料为压电材料；其制作步骤如下：

S1：在基片10表面根据所述力敏谐振元件的结构特点分别制作图形化掩蔽膜层11、12和图形化光刻胶13，见图4a；

S2：在没有掩蔽膜层的部位进行刻蚀作业，将基片10中部刻蚀断裂以在左右两侧形成两块相同的谐振梁3，两端形成基部2，同时在每块谐振梁3上深凹槽所在部位初步刻蚀，见图4b；

S3：分别腐蚀掉两根谐振梁浅凹槽所在表面设置的掩蔽膜层以露出浅凹槽所在表面，对浅凹槽所在表面进行刻蚀以形成需要深度的浅凹槽，同时对S2步初步刻蚀出的深凹槽进一步刻蚀以达到最终需要的深度，见图4c；

S4：依次去除两根谐振梁3其余部位的光刻胶13和掩蔽膜层11、12，见图4d；

S5：在凹槽表面和谐振梁的两侧分别沉积图形化电极，第一电极6a和第二电极6b，见图4e。

具体地，所述掩蔽膜层包括两层材料，从下往上依次为下层掩蔽膜11和上层掩蔽膜12。

步骤S2和S3中的刻蚀为湿法刻蚀或干法刻蚀。

步骤S5中沉积的电极为单层材料或双层材料，这要根据谐振梁的材质确定。

由上述步骤可见，采用光刻和化学溶液腐蚀的方法在同一块基片上同时制作多个力敏谐振元件，一致性良好，制作工艺简单，成本低，适于大批量生产。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种力敏谐振元件的制造方法，该力敏谐振元件包括两基部（2）和位于两基部之间且工作于宽度弯曲谐振模态的谐振梁（3），所述谐振梁（3）为相同结构的两根，谐振梁（3）的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，所述凹槽的内壁以及谐振梁（3）的侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方向与所述谐振梁（3）的振动方向垂直，两根谐振梁（3）通过激励电源方向设置使之振动方向相反；

所述谐振梁（3）上每面的凹槽至少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为一体的端部浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧端部深凹槽和端部浅凹槽；

本方法通过同一基片一次性加工出两基部和两谐振梁（3），所述基片（10）材料为压电材料；其特征在于：其制作步骤如下：

S1：在基片（10）表面根据所述力敏谐振元件的结构特点分别制作图形化掩蔽膜层和图形化光刻胶；

S2：在没有掩蔽膜层的部位进行刻蚀作业，将基片（10）中部刻蚀断裂以在左右两侧形成两块相同的谐振梁（3），两端形成基部，同时在每块谐振梁（3）上深凹槽所在部位初步刻蚀；

S3：分别腐蚀掉两根谐振梁（3）浅凹槽所在表面设置的掩蔽膜层以露出浅凹槽所在表面，对浅凹槽所在表面进行刻蚀以形成需要深度的浅凹槽，同时对S2步初步刻蚀出的深凹槽进一步刻蚀以达到最终需要的深度；

S4：依次去除两根谐振梁（3）其余部位的光刻胶和掩蔽膜层；

S5：在凹槽表面和谐振梁（3）的两侧分别沉积图形化电极。

2.根据权利要求1所述的力敏谐振元件的制造方法，其特征在于：所述掩蔽膜层包括两层材料。

3.根据权利要求1所述的力敏谐振元件的制造方法，其特征在于：步骤S2和S3中的刻蚀为湿法刻蚀或干法刻蚀。

4.根据权利要求1所述的力敏谐振元件的制造方法，其特征在于：步骤S5中沉积的电极为单层材料或双层材料。

5.根据权利要求1所述的力敏谐振元件的制造方法，其特征在于：所述谐振梁（3）正面和背面均设置有所述凹槽且正面和背面对称设置。

6.根据权利要求1所述的力敏谐振元件的制造方法，其特征在于：在所述谐振梁上位于两端部凹槽中部设有中部凹槽，每个中部凹槽由两侧平行的中部深凹槽和位于两个中部深凹槽之间且与两个中部深凹槽连为一体的中部浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧中部深凹槽和中部浅凹槽。