CN105353166A - 低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法，芯片由一对敏感梁与一对补充梁共同支撑悬空质量块并使其悬空，敏感梁上布置了压电薄膜，压电薄膜的上下表面都布置有上下电极，其中芯片的制作方法是通过干法刻蚀以及ICP等离子体刻蚀得到硅基底中的由悬空质量块、敏感梁和补充梁组成的可动结构，正面光刻并溅射形成芯片的上下电极，在硅质基底的背面粘结硼玻璃，硼玻璃与悬空质量块预留有一工作间隙，最后得到芯片，该芯片能够满足高灵敏度，低侧向效应的同时，具有较低谐振频率。
Description
技术领域
本发明涉及微振动测试技术领域，特别涉及低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法。
背景技术
压电加速度传感器是一种测量振动加速度的传感器，相对于其他类型的加速度传感器，由于其所采用的压电元件具有高弹性模量，并且能自主产生宽动态范围的电信号输出，因此具有灵敏度高、信噪比高、体积小、重量轻、安装方便、结构简单、工作可靠、适用于各种恶劣环境等优点，在水利、建筑、采矿、地震、航空等领域得到广泛的应用，并作为首选的振动测量传感器。其结构主要有单质量块-单悬臂梁、单质量块-双悬臂梁、单质量块-四悬臂梁形式，在这几种结构中，单质量块-单悬臂梁结构的输出电压最大，灵敏度最高，但是量程小，固有频率低，在载荷冲击下容易发生共振，从而造成结构的破坏，使传感器失效；而单质量块-四悬臂梁结构的量程大，固有频率高，能抵抗较大频率的冲击载荷，但是其灵敏度低。也有人提出双质量块-单悬臂梁、双质量块-双悬臂梁、双质量块-四悬臂梁结构，在这些结构中，双质量块-单悬臂梁的灵敏度最高，但是其量程小，在使用过程中容易受到其他方向的加速度影响，使传感器悬臂梁产生扭转，则其测量结果不准确。
在制备技术上，与压阻及电容式微加速度传感器不同，压电微加速度传感器中的功能薄膜不是标准半导体所涉及的材料，其制备依赖于压电薄膜的制备、压电性能测试以及其他微加工等方面内容，制作工艺相对复杂。
发明内容
为了克服上述各种结构以及技术的缺点，本发明采用了一种具有高灵敏度低侧向效应的加速度传感器芯片，并结合压电薄膜的制作方法，提供了低侧向效应微压电加速度传感器芯片及其制作方法，该芯片在满足了高灵敏度的同时，还兼具了低谐振频率和低测向效应的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底，两个相同的压电薄膜，与硅质基底背面键合的硼玻璃，硅质基底的中心空腔内有一悬空的质量块，质量块由两根相同的敏感梁和两根相同的补充梁支撑，两根相同的敏感梁分别置于质量块的相对边上，两根相同的补充梁也分别置于质量块的相对边上，硅质基底底面和硼玻璃预留有一工作空隙，以使质量块有足够可振动的空间。
两个相同的压电薄膜置于两个相同敏感梁的末端，在两根相同压电薄膜的下表面与敏感梁上表面结合处布置一Pt金属层作为下电极，在下电极与敏感梁之间布置一Ti金属层以提高下电极与敏感梁的结合力，在两个相同压电薄膜的上表面布置Pt金属层作为上电极，两个压电薄膜产生的电荷通过上电极和下电极在焊盘上输出。
所述的补充梁的长度比敏感梁的长度大100～600μm。
所述的质量块、两根相同敏感梁以及两根相同补充梁与硅质基底的上表面处于同一水平高度。
所述的质量块的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁和补充梁的厚度相同。
所述的敏感梁的宽度比补充梁的宽度大10～110μm。
所述的硅质基底底面和硼玻璃预留有15～50μm的工作空隙
低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块；
d)单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁和补充梁结构；
e)在正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极；
h)在硼玻璃的正面刻蚀出深度为15～50μm的微小空间，保证悬空质量块有足够的振动空间；
i)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底的背面粘结硼玻璃；
j)单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1；由于属醇烷氧化物的粘度较大，需极性溶液以增加反应的均匀性，所以采用强极性的乙二醇甲醚(高蒸汽压、较低的表面张力、易于挥发、干燥)作为溶剂；而不同醇盐的水解和聚合速度不同，就会形成不均匀的凝胶，必须用具有鳌合作用的有机基团控制醇盐的水解速度，采用乙酰丙酮作为螯合剂，可稳定锆和钛的金属离子；
b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000～4000r/min，匀胶30～40s；
c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200～250℃下烘烤5～6min，以去除有机成分；如果溶剂未去除干净，则在高温下会剧烈燃烧，使薄膜作废甚至危及实验设备的安全；如果有机物未排除干净，则燃烧后会在薄膜中留下孔洞，影响薄膜性能。
d)在600～650℃下退火30～60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直至达到所需求的压电薄膜厚度。
本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，在满足了高灵敏度的同时，还兼具了低谐振频率、低侧向效应的特点。
附图说明
图1为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片结构示意图。
图2位本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的正面视图。
图3为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的下电极图形示意图。
图4为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的上电极图形示意图。
图5为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的A-A剖面示意图。
图6为本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
参照附图1，低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底1，两个相同的压电薄膜2，与硅质基底1背面键合的硼玻璃3，硅质基底1的中心空腔内有一悬空的质量块4，质量块4由两根相同的敏感梁5和两根相同的补充梁6支撑，两根相同的敏感梁5分别置于质量块4的相对边上，两根相同的补充梁6也分别置于质量块4的相对边上，质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面处于同一水平高度，质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相同，补充梁6的长度大于敏感梁5，而敏感梁5的宽度大于补充梁6，硅质基底1底面和硼玻璃3预留有一工作空隙，以使质量块4有足够可振动的空间，当传感器在正常工作时，质量块4能够始终保持悬空状态，而在某些过载环境下其下底面能够与硼玻璃3接触，以防止过载破坏传感器芯片。
参照附图2、图3、图4及图5，低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其结构包括硅质基底1，两个相同的压电薄膜2，与硅质基底1背面键合的硼玻璃3，硅质基底1的中心空腔内有一悬空的质量块4，质量块4由两根相同的敏感梁5和两根相同的补充梁6支撑，两根相同的敏感梁5分别置于质量块4的相对边上，两根相同的补充梁6也分别置于质量块4的相对边上，质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面处于同一水平高度，质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相同，补充梁6的长度大于敏感梁5，而敏感梁5的宽度大于补充梁6，硅质基底1底面和硼玻璃3预留有一工作空隙，以使质量块4有足够可振动的空间。
两个相同的压电薄膜2置于两个相同敏感梁5的末端，在两根相同压电薄膜2的下表面与敏感梁上表面结合处布置一Pt金属层作为下电极7，在下电极7与敏感梁之间布置一Ti金属层8以提高下电极7与敏感梁的结合力，在两个相同压电薄膜2的上表面布置Pt金属层作为上电极9，两个压电薄膜2产生的电荷通过上电极9和下电极7在焊盘10上输出。
所述的补充梁6的长度比敏感梁5的长度大100～600μm。
所述的质量块4、两根相同敏感梁5以及两根相同补充梁6与硅质基底的上表面处于同一水平高度。
所述的质量块4的厚度与硅质基底的厚度相同，敏感梁5和补充梁6的厚度相同。
所述的敏感梁5的宽度比补充梁6的宽度大10～110μm。
所述的硅质基底1底面和硼玻璃3预留有15～50μm的工作空隙
本发明的低侧向效应微压电式加速度传感器芯片的工作原理为：
利用压电敏感元件的正压电效应，当加速度传感器被固定在被测振动物体上时，压电元件受到传感器质量块的惯性力作用，产生与所受力成正比的电荷，该电荷与质量块的加速度成正比，当被测物体的振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器敏感元件产生的正电荷量同传感器绝对加速度成正比。
参照附图6，当传感器芯片受到某一加速度作用时，根据牛顿第二定律：F＝ma，会产生一个与所施加加速度成正比的惯性力作用于悬空质量块4上，致使其产生一定位移，敏感梁5和补充梁6均与悬空质量块4相连，两组梁将在悬空质量块4的带动下发生弯曲变形，进而在其结构内部产生相应的应变。压电薄膜2置于敏感梁5上表面，当受到敏感梁5上的应变作用时，压电薄膜2-1和2-2也发生形变，根据压电元件的压电效应可知，压电薄膜2-1和2-2上发生形变，使压电元件内的介电体内正负电荷中心相对位移而极化，在压电薄膜2-1和2-2的上下表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷，并通过上电极9和下电极7将压电薄膜表面电荷引出，实现了将物理量的加速度转换为便于采集与测量的电压信号。
低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块4；
d)在单晶硅片的正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁5和补充梁6结构；
e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极7图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极7，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜2，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜2进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极9图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极9；
h)在硼玻璃5的正面刻蚀出15～50μm的微小空间，保证悬空质量块4有足够的振动空间；
i)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底1的背面粘结硼玻璃5；
j)在单晶硅片的正面光刻，去除芯片中焊盘10上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1；由于属醇烷氧化物的粘度较大，需极性溶液以增加反应的均匀性，所以采用强极性的乙二醇甲醚(高蒸汽压、较低的表面张力、易于挥发、干燥)作为溶剂；而不同醇盐的水解和聚合速度不同，就会形成不均匀的凝胶，必须用具有鳌合作用的有机基团控制醇盐的水解速度，采用乙酰丙酮作为螯合剂，可稳定锆和钛的金属离子；
b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000～4000r/min，匀胶30～40s；
c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200～250℃下烘烤5～6min，以去除有机成分；如果溶剂未去除干净，则在高温下会剧烈燃烧，使薄膜作废甚至危及实验设备的安全；如果有机物未排除干净，则燃烧后会在薄膜中留下孔洞，影响薄膜性能。
d)在600～650℃下退火30～60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直至达到所需求的压电薄膜厚度。
对传统的单质量块-四敏感梁结构和本发明的双敏感梁-双补充梁结构进行灵敏度、最大应变量以及谐振频率分析(加载加速度800m/s2)，得到的结果表1所示：
表1：传统的四敏感梁结构压电加速度传感器芯片和本发明的低侧向效应微压电加速度传感器芯片对比结果：
大多数的传感器由于设计和制作问题，很难将质量块制作在支撑梁的中心面上，总会产生较高的横向灵敏度，对传感器的性能产生影响，因此降低横向灵敏度，减小横向干扰对传感器性能及其应用具有重要意义，可通过横向效应系数来评定传感器抵抗横向效应的能力，横向效应系数等于横向的应变量与纵向应变量之比，其值越小越好。
通过结果可以看出，四敏感梁结构的压电加速度传感器的谐振频率高，横向效应系数小，但灵敏度低；而本发明的双敏感梁-双补充梁结构的压电加速度传感器灵敏度较高，横向效应系数小，且谐振频率较小，能满足高灵敏度低侧向效应的要求。经数据比较可得出结论：本发明的压电式加速度传感器能满足高灵敏度低侧向效应的要求，且具有较低的谐振频率。
Claims (8)
1.低侧向效应微压电加速度传感器芯片，包括硅质基底(1)，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(3)键合，硅质基底(1)的中心空腔内配置有悬空质量块(4)，其特征在于：两根相同敏感梁(5)分别与悬空质量块(4)的一组对边相连，两根相同补充梁(6)则分别与悬空质量块(4)的另一组对边相连，敏感梁(5)和补充梁(6)共同支撑悬空质量块(4)，使其保持悬空状态，两根敏感梁(5)末端布置了两个压电薄膜(2)，通过压电薄膜(2)下表面的下电极(7)及压电薄膜(2)上表面的上电极(9)将产生电压输出。
2.根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的补充梁(6)长度比敏感梁(5)的长度长100～600μm。
3.根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的敏感梁(5)的宽度比补充梁(6)的宽度宽10～110μm。
4.根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的补充梁(6)和敏感梁(5)的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的质量块(4)、两根相同敏感梁(5)以及两根相同补充梁(6)与硅质基底的上表面处于同一水平高度。
6.根据权利要求1所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的硅质基底(1)底面和硼玻璃(3)预留有15～50μm的工作空隙。
7.一种低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为n型，(100)晶面；
b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化SiO2层；
c)在单晶硅片的双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块(4)；
d)在单晶硅片的正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁(5)和补充梁(6)结构；
e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极(7)图形；溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极(7)，溅射过程中没有衬底加热；
f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜(2)，并用光刻板作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜(2)进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理；
g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极(9)图形；溅射、正胶剥离，形成Pt金属层作为上电极(9)；
h)在硼玻璃(5)的正面刻蚀出15～50μm的微小空间，保证悬空质量块(4)有足够的振动空间；
i)在单晶硅片的背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层；通过阳极键合技术在硅质基底(1)的背面粘结硼玻璃(5)；
j)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘(10)上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
8.根据权利要求7所述的低侧向效应微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1；
b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000～4000r/min，匀胶30～40s；
c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200～250℃下烘烤5～6min，以去除有机成分；
在600～650℃下退火30～60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直至达到所需求的压电薄膜厚度。
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