CN108344496A - 压电式mems矢量振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS传感器领域中的矢量振动传感器，具体是一种压电式矢量振动传感器。解决了现有振动传感器灵敏度低、动态范围窄、抗噪声能力差，体积大的问题，包括由长方体支撑基座、长方体薄梁，长方体基座与长方体薄梁相互垂直且固连，长方体薄梁上通过溶胶‑‑凝胶法制备有PZT压电薄膜层。基于压电效应的MEMS矢量振动传感器是无源器件，将仿生原理、压电效应和MEMS技术相结合，具有灵敏度高、矢量性、动态测试范围广、响应速度快、抗噪声能力强、体积小、易于加工和批量生产，可用于航空航天、地震、机械、水声等多种领域振动信号检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS矢量振动传感器，具体是一种压电式矢量振动传感器。可用于航空航天、地震、机械、水声等多种领域振动信号检测。
背景技术
现代振动传感器是以 MEMS（微机电系统）工艺制成的测量环境振动加速度的元件，是惯性器件中的一种。它在现代军事与日常生活中都有广泛的应用，应用范围涵盖卫星导航、导弹发射、精密光学平台、地震监测、大型桥梁、风力发电、新型飞机和汽车NVH测试等多个领域。电容式振动传感器技术由于其温度系数低、敏感度高而且容易实现单片集成，因而得到了最广的应用，然而电容式MEMS传感器对寄生电容特别敏感，容易在系统中引入直流失调和额外的噪声。压阻式MEMS振动传感器采用电桥法作为敏感单元，能测到零频，常用于测试低频，但压阻式MEMS振动传感器属于有源器件，工作时需要外接电压源，灵敏度较低，抗流噪声性能差，工程应用不方便。
基于压电效应的 MEMS 矢量振动传感器是无源器件，可进一步缩小传感器体积，还具有动态测试范围广、噪声低、灵敏度高等优点。传统的压电式MEMS振动传感器大都采用内部质量块结构，灵敏度和动态测试范围受到了很大限制，有的采用内球式结构，制作工艺复杂，不利于安装。
综上，现有MEMS振动传感器要实现其进一步工程应用范围，还需进一步提高灵敏度，拓宽测试范围，降低安装难度。
发明内容
本发明为了克服现有振动传感器的不足之处，提供了一种压电式MEMS仿生矢量振动传感器。是无源器件，具有灵敏度高、矢量性、动态测试范围广、响应速度快、噪声低、体积小、易于加工和批量生产的优势，可用于航空航天、地震、机械、水声等多种领域振动信号检测。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：包括长方体支撑基座、长方体薄梁，长方体支撑基座与长方体薄梁相互垂直连接，长方体薄梁上依次设有Ti层和Pt层，Ti层和Pt层构成下电极，下电极上设有PZT压电薄膜，PZT压电薄膜上设有Au/Ti层构成上电极，且该上电极位于长方体薄梁（2）根部。将上下电极引出接入后续电路，根据电路输出即可检测相关振动信号。
长方体支撑基座为硅基长方体支撑基座。长方体薄梁是由硅基MEMS加工工艺加工得到的长方体硅基薄梁。长方体薄梁尺寸为20 μm×200 μm×3500μm（梁厚X梁宽X梁长）。PZT压电薄膜（3）厚度20μm。上电极（4）布置在距离长方体薄梁（2）根部150μm的中心位置处，宽为180μm。 Ti层为20nm、Pt层为150nm。
本发明提出的压电式MEMS仿生矢量振动传感器是通过模仿昆虫微振动信号感知的纤毛结构，长方体薄梁（2）模仿昆虫纤毛，PZT压电功能薄膜材料为敏感单元模仿昆虫纤毛周围的感觉细胞，是一种新型无源器件。当有振动信号作用于微结构时，长方体薄梁（2）就会产生变形，进而在长方体薄梁（2）上的PZT 晶体薄膜材料产生应变，产生电能，其输出电压值就反映振动信号的大小，其极性反映振动信号方向。对本发明所述的压电式MEMS矢量振动传感器进行了工艺设计，所述硅基MEMS加工工艺、溶胶-凝胶工艺是现有公知技术。
为了同时获得较高的灵敏度和较宽的频带范围，在综合考虑微结构的性能指标，确定结构尺寸为：长方体硅基薄梁尺寸为20 μm×200 μm×3500μm（梁厚X梁宽X梁长），PZT压电薄膜厚度20μm。
对本发明所述矢量振动传感器敏感体进行有限元仿真分析，确定PZT压电敏感区以获得最大灵敏度。
根据确定尺寸在ANSYS中建立模型，沿Z轴方向给长方体薄梁施加压力，可以得到该模型的等效应力云图。通过提取路径分析薄梁上的应力分布曲线可以发现，薄梁的根部为应力最大区域，应力分布基本是线性的，不过在梁的根部有跳动，即应力集中。为了在给定尺寸下获得最大的输出灵敏度，上电极Au/Ti层布置在距离长方体硅基薄梁根部150μm的中心位置处，宽为180μm。
与现有技术相比，本发明提出的压电式MEMS矢量振动传感器模拟蟋蟀微振动感知纤毛结构，在矢量探测上有绝对的优势；本发明结构简单，但极具新颖性，以当前的MEMS加工工艺可以一体化加工制造，加工成本低，适合批量生产；长方体支撑基座和长方体薄梁之间一体化加工，刚性连接，在矢量探测和高灵敏上发挥最佳优势；长方体硅基薄梁上加工的PZT压电薄膜基于压电效应，属于无源器件，具有噪声低、功耗小、动态探测范围广、灵敏度高、响应快等优势；利用振动台对本发明微结构进行了指向性和频率响应测试，具有很好的“8”字型指向性（如图6所示），验证了本发明微结构的振动传感器极具可行性。以其加工的振动传感器可广泛应用于航空、航海、宇宙探索、资源探测、海洋开发、公害检测、工业监控、农业工程、医学工程、生物工程等领域。
附图说明
图1为本发明振动传感器的结构示意图；
图2为本发明振动传感器上微结构PZT压电薄膜和两电极分布连接示意图；
图3为长方体薄梁上的应力分布曲线；
图4 为本发明的简要工艺流程示意图；
图5为本发明振动传感器振动台测试频响曲线；
图6为本发明振动传感器振动台指向性测试结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
如图1-2所示，一种压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：包括长方体支撑基座（1）、长方体薄梁（2），长方体支撑基座（1）与长方体薄梁（2）相互垂直连接，长方体薄梁（2）上依次设有Ti层和Pt层，Ti层和Pt层构成下电极（5），下电极（5）上设有PZT压电薄膜（3），PZT压电薄膜（3）上设有Au/Ti层构成上电极（4），且该上电极（4）位于长方体薄梁（2）根部。
长方体支撑基座（1）为硅基长方体支撑基座。长方体薄梁（2）是由硅基MEMS加工工艺加工得到的长方体硅基薄梁。长方体硅基薄梁尺寸为20 μm×200 μm×3500μm（梁厚X梁宽X梁长）。PZT压电薄膜（3）厚度20μm。上电极（4）布置在距离长方体薄梁（2）根部150μm的中心位置处，宽为180μm。 Ti层为20nm、Pt层为150nm。
具体是，长方体硅基薄梁上依次通过溅射工艺加工Ti层和Pt层，得到钛铂衬底构成下电极（5），通过溶胶-凝胶法制备一层PZT压电薄膜，通过磁控溅射，剥离等工艺形成Au/Ti层构成上电极，且该上电极位于长方体硅基薄梁根部。当有振动信号作用于微结构时，长方体薄梁就会产生变形，进而在长方体薄梁上的PZT晶体薄膜材料产生应变，产生电能，其输出电压值就反映振动信号的大小，其极性反映振动信号方向。
具体实施时，本发明振动传感器结构尺寸为：长方体硅基薄膜尺寸为20μm×200μm×3500μm（梁厚×梁宽×梁长），PZT压电薄膜厚度20μm。为了在给定尺寸下获得最大的输出灵敏度，本发明微结构中上电极Au/Ti层布置在距离长方体硅基薄梁根部150μm的中心位置处，宽为180μm。
如图4所示，工艺流程如下，在SiO2/Si/SiO2基底上磁控溅射Pt/Ti层为下电极，以Pt/Ti/SiO2/Si晶片为长方体薄梁微结构的衬底，采用Sol-gel（溶胶凝胶）法完成Pb(Zr1- xTix)O3膜与衬底的异质集成，再进行光刻、化学/物理刻蚀（湿法腐蚀/干法刻蚀），磁控溅射等工艺完成基础芯片的制造。该芯片的主要加工工艺流程设计如下：
（a）备片：N型4英寸的双面抛光硅<100>片，厚度为400µm；
（b）硅片氧化：在Si片上表面热氧化生长300nm的SiO2层；
（c）下电极：依次溅射Ti层(20nm)和Pt层(150nm)，得到钛铂衬底；
（d）压电功能薄膜层的制备和图形化：在钛铂衬底表面异质集成2μm PZT膜，通过湿法腐蚀得到需要PZT图形；
（e）上电极：通过磁控溅射，剥离等工艺形成300nm Au/Ti层作为上电极；
（f）背面刻蚀：通过ICP背面刻蚀硅，得到20μm的悬臂梁。
具体实施时，本发明选择用Sol-Gel法将锆钛比为53:47，50ml，0.4mol/L的Pb(Zr0.53Ti0.47)O3压电功能薄膜沉积在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上。制备工艺如下：
（1）按配比依次加入制备Pb(Zr0.53Ti0.47)O3所需的前驱体溶质正丙醇锆以及异丙醇钛，同时加入一定量的去离子水，使溶液发生水解。搅拌30min后得到无色透明的溶胶。
（2）加入相同铅摩尔量的乳酸以提高胶体稳定性，搅拌20min。
（3）为防止加热时薄膜开裂，加入等铅摩尔量的乙二醇，搅拌20min。
（4）用等体积乙酸和乙二醇乙醚稀释胶体至0.4mol/L。
（5）过滤到滴瓶中，静置24h即为所需胶体。
（6）将KW-4A型可调甩胶机参数设置为3kr/min，保持20s。
（7）管式炉参数设置为300℃，将胶体膜热处理10min后冷却至室温。重复（6）（7）至一定厚度。
（8）管式炉参数设置为700℃，对胶体膜进行晶化处理30min，缓慢降至室温。
通过上述步骤，得到致密性和均匀度良好的PZT薄膜。
本发明属于无源器件，结构简单，灵敏度高、矢量性、动态测试范围广、响应速度快、噪声低、体积小、易于加工和批量生产，以其加工的振动传感器可广泛应用于航空、航海、宇宙探索、资源探测、海洋开发、公害检测、工业监控、农业工程、医学工程、生物工程等领域。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：包括长方体支撑基座（1）、长方体薄梁（2），长方体支撑基座（1）与长方体薄梁（2）相互垂直连接，长方体薄梁（2）上依次设有Ti层和Pt层，Ti层和Pt层构成下电极（5），下电极（5）上设有PZT压电薄膜（3），PZT压电薄膜（3）上设有Au/Ti层构成上电极（4），且该上电极（4）位于长方体薄梁（2）根部。
2.根据权利要求1所述的压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：长方体支撑基座（1）为硅基长方体支撑基座。
3.根据权利要求3所述的压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：长方体薄梁（2）尺寸为20 μm×200 μm×3500μm（梁厚X梁宽X梁长）。
4.根据权利要求1所述的压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：PZT压电薄膜（3）厚度20μm。
5.根据权利要求1所述的压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：上电极（4）布置在距离长方体薄梁（2）根部150μm的中心位置处，宽为180μm。
6.根据权利要求1所述的压电式MEMS矢量振动传感器，其特征在于：Ti层为20nm、Pt层为150nm。
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