CN108614129A - 一种mems压电式加速度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS压电式加速度传感器以及MEMS压电式加速度传感器的制备方法。其中，MEMS压电式加速度传感器，包括依次连接并相互配合的基底、传感器本体和顶盖，基底呈方形，其上设有限位柱；传感器本体置于基底与顶盖之间，传感器本体包括矩形边框，边框的中心位置设有一形质量块，质量块通过4个悬臂梁与边框固定连接；质量块设有限位孔，限位孔用于套设于限位柱外；质量块的下表面设有第二限位凸台；悬臂梁上表面的两端设有第一压电薄膜，边框的四角的上表面分别设有第二压电薄膜；顶盖呈方形，其四角分别设有一引线孔，顶盖下表面设有若干第一限位凸台。本发明提供的传感器不仅技术指标更优越，其体积和重量小，极大地提高监控效率及准确率。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种MEMS压电式加速度传感器及其制备方法。
背景技术
目前，我国装备制造业依然停留在产业链的低端，智能制造装备基础薄弱，在新型传感器等关键智能装置方面仍依赖于国外进口，这其中加速度传感器是装备状态监测和故障诊断的重要感知部件，其性能直接影响智能装备工艺决策与执行加工的效率。而传统测振加速度传感器往往由于自身具有低频响应差、灵敏度低、抗冲击能力差、可靠性低、难以集成化等问题，使得基于传统测振传感器的振动监控系统已经远远无法满足振动监控性能需求。采用微型化与大规模生产潜力的微机电系统(MEMS)技术引入加速度传感器，制造高性能MEMS加速度传感器代替传统测振传感器，不仅仅是技术指标更加优越，其体积和重量也不到原来的1/10，且完全可以应用在多数传统测振传感器无法应用的场合中，极大地提高对工业装备工作工况的振动监控效率及准确率。
发明内容
为了解决目前传统测振加速度低频响应差、灵敏度低、抗冲击能力差、可靠性低、难以集成化等问题，本发明提供一种MEMS压电式加速度传感器及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种MEMS压电式加速度传感器，包括依次连接并相互配合的基底、传感器本体和顶盖，基底呈方形，其上设有限位柱；传感器本体置于基底与顶盖之间，传感器本体包括方形的边框，边框围成一矩形区域，矩形区域的中心位置设有一四边形质量块，质量块通过4个悬臂梁与边框固定连接；质量块的中心位置设有与限位柱配合的限位孔，限位孔用于套设于限位柱外；质量块的下表面设有若干第二限位凸台；悬臂梁的上表面的两端分别设有第一压电薄膜，边框的四角的上表面分别设有第二压电薄膜，第一压电单薄膜和第二压电薄膜相连通；顶盖呈方形，其四角分别设有一引线孔，顶盖的下表面设有若干第一限位凸台。
本发明提供MEMS压电式加速度传感器，采用MEMS技术，可实现对工业装备振动的实时监控，传感器内部采用四端固支梁—质量块的中心对称结构，同时压电薄膜粘结键合于硅梁和外框上。当工业装备振动时，会产生加速度，这些加速度信号通过敏感质量形成的惯性力加载在压电薄膜上，由压电作用产生的电荷，通过外部电路可输出与输入加速度成比例的电压从而得到装备振动加速度。
附图说明
图1为MEMS压电式加速度传感器的结构示意图。
图2为加速度传感器结构剖视图。
图3为传感器本体结构俯视图。
图4为传感器本体结构仰视图。
图5a-5m为加速度传感器制备工艺流程图。
图6为压电单元等效电容的电路原理图。
图7为加速度传感器应力分析结果示意图。
图8为加速度传感器应力模态结果示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，包括：
1-基底、11-限位柱、2-传感器本体、21-边框、211-第二压电薄膜、212-矩形区域、23-质量块、231-限位孔、232-第二限位凸台、24-悬臂梁、241-第一压电薄膜、3-顶盖、31-引线孔、32-第一限位凸台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1至图4所示，本实施例提供一种MEMS压电式加速度传感器，包括依次连接并相互配合的基底1、传感器本体2和顶盖3，传感器本体2置于基底1和顶盖3之间。基底1的横截面为边长2.5mm的正方形，基底1上设有限位柱11，限位柱11的高度为0.3mm，其横截面为边长0.147mm的正方形。限位柱11用于对传感器本体2在XY轴方向上进行限位。
传感器本体2设置在基底1与顶盖3之间，传感器本体2包括方形的边框21，边框21呈正方形，其边长为2.5mm，边的宽度为0.5mm为新型硅基集成电路材料(SOI)加工制成。边框21围成一矩形区域212，在本实施例中，矩形区域212为正方形，边长为2.0mm。矩形区域212的中心位置设有一块横截面呈正方形的质量块23，其横截面的边长为1.0mm，厚度为0.275mm，为SOI加工制成。质量块23通过4个悬臂梁24与边框21固定连接，质量块23的每个边通过悬臂梁24与边框21的边一一对应。悬臂梁24的长度为0.5mm，宽度为0.12mm，厚度为0.04mm，为SOI加工制成。
质量块23的中心位置设有与限位柱11配合的限位孔231，限位孔231的高度为0.275mm，其横截面为边长0.15mm的正方形，在将基底1、传感器本体2和顶盖3配合固定连接时，限位孔231用于套设在限位柱11外。质量块23的下表面设有4第二限位凸台232，第二限位凸台232的高度为0.022mm，其横截面为边长0.01mm的正方形，为SOI加工制成。
悬臂梁24的上表面的两端分别设有第一压电薄膜241，第一压电薄膜241的厚度为0.5um；边框21的四角的上表面分别设有第二压电薄膜211，第二压电薄膜211的厚度为0.5um，每一个第一压电薄膜241和四角的第二压电薄膜211相连通，分别构成压电单元P1至P9，如图3所示。本实施例中，第一压电薄膜241和第二压电薄膜211均为锆钛酸铅(PZT)材料制成，经低温环氧工艺分别键和于悬臂梁24和边框21上。
顶盖3的横截面为长2.5mm的正方形，厚度0.3mm，其材质为硅；顶盖3的四角处分别设有一引线孔31，引线孔31用于引线并将电学信号从传感器本体2内引出；顶盖3的下表面设有4个第一限位凸台32，第一限位凸台32的高度为0.022mm，其横截面为边长0.01mm的正方形。
本实施例公开的MEMS压电式加速度传感器的工作原理和仿真过程如下：
针对本实施例提供的MEMS压电式加速度传感器进行理论分析，P1～P9为压电单元(如图3所示)，每个压电单元可以等效为一个电容，所有压电单元的下底面都连在一起，如图6所示。将C1～C9标记为压电单元P1～P9所对应的电容，C1～C9大小相同，设都为C0，4个C9是不发生形变的补偿电容，用于消除PZT材料的热电效应。压电单元P1和P3,P2和P4，P5～P9分别探测x、y和z方向上的加速度(所述x、y和z方向是指三维坐标系的x、y和z轴方向)。则x、y和z方向上的加速度分别为：
VX＝(Q1-Q3)/C0 (1)
Vy＝(Q2-Q4)/C0 (2)
Vz＝(Q5+Q6+Q7+Q8)/4C0 (3)
其中，Q1～Q8是压电单元P1～P9在外力作用下形变产生的电荷。
本发明MEMS压电式传感器灵敏度可以计算为：
Δz＝-Maz/Kz；Kz＝8EWbhb 3/lb 3 (4)
θx＝-MaxZc/Kθx；Kθx＝(lb 2+3a1lb+3a1 2)Kz/6 (5)
θy＝-MayZc/Kθy；Kθy＝(lb 2+3a1lb+3a1 2)Kz/6 (6)
式中M、ΔZ分别为质量块质量和Z方向位移；ax、ay、az为x、y、z轴的加速度；θx、θy分别为质量块绕x轴或y轴转动的弧度；Kz、Kθx、Kθy分别为x、y、z方向的弹性系数；Wb、lb、hb分别为梁的宽度、长度、厚度；a1为质量块的1/2边长；Zc为质量块质心的位置。
可以利用ANSYS有限元分析软件对本实施例提供的MEMS压电式加速度传感器建立仿真模型。在2000g荷载下对传感器本体2进行应力分析，应力分析结果图如图7所示，应力分析结果表明质量块的位移0.112μm，结构中的最大应力为10.9Mpa。再对传感器本体2进行模态分析，模态分析结果图如图8所示，模态分析结果表明传感器前三阶模态分别为67.4，116.6和116.7KHz。根据上述仿真模拟的应力分析和模态分析数据计算可知，本实施例提供MEMS压电式加速度传感器的横向灵敏度为10-9量级。
与现有技术中的加速度传感器相比，本发明利用质量块随速度的变化对压电薄膜产生压力变化导致的压电电荷输出来进行加速度测量,形成一个单片系统,可得到高灵敏,低成本微型化的加速度计；而且通过基底、传感器本体和顶盖的间隙可调节传感器系统阻尼，同时此密封腔体还起到保护检测结构的作用，可以实现批量化圆片级封装，大幅降低封装成本；设计了一种全方位抗过载的限位结构，保证了传感器高过载、高可靠性；采用高度对称结构和对称压电单元,大大减少了横向灵敏度,并消除了热噪声的影响。
实施例2:
如图5a～图5m所示，本实施例提供如实施例1公开的MEMS加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：如图5a所示，取一<100>晶向的晶圆硅片进行双面抛光，获得厚度为300μm的SOI第一硅片5101，作为传感器本体2的基片；将SOI第一硅片5101上表面旋涂光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体(ICP)刻蚀，刻蚀出高度为3μm的凹槽5102，该凹槽5102用于形成质量块下表面第二限位凸台232，并确定了质量块23与基底1的限位间隙。
步骤S2：如图5b所示，对步骤S1刻蚀后的SOI第一硅片5101进行热氧化，使SOI第一硅片5101的上下表面各生长一层氧化硅层5201，光刻规定质量块23及悬臂梁24的区域，通过缓冲氧化物刻蚀液BOE去除上述区域氧化硅，同时留出限位柱11和第二限位凸台232图形，形成第一区域5202。
其中：缓冲氧化物刻蚀液BOE为49％HF水溶液与40％NH4F水溶液按照1：6(体积比)的成分混合而成。
S3：如图5c所示，对第一区域5202进行深反应离子刻蚀DIRE，刻蚀深度为25um，形成限位柱11、第二限位凸台232以及第二区域5301。
S4：如图5d所示，利用电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术对第二区域5301进行刻蚀，形成质量块23、悬臂梁24和限位柱11。
S5：如图5e所示，另取一片<100>晶向的N型300μm厚的第二硅片5501，作为基底1，将第二硅片5501与步骤S4刻蚀后所得的SOI第一硅片5101结构进行硅-硅直接键合。
S6：如图5f所示，对步骤S5键和后的SOI第一硅片5101采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术，控制限位柱11与限位孔231的限位间隙为3μm进行限位孔231的刻蚀。
S7：如图5g所示，对步骤S6刻蚀后的SOI第一硅片5101的上表面利用电子束蒸发技术对悬臂梁24所在的区域及边框21的部分区域溅射一层厚度为0.5μm的金属薄膜。其中：所述的金属薄膜为铜、磷青铜或铍青铜的一种，本实例所选用的金属薄膜材料为铜。
S8：如图5h所示，取第一压电薄膜241与第二压电薄膜211采用低温环氧键合工艺分别粘结键合于悬臂梁24及外框21所在区域的金属薄膜上。
S9：如图5i所示，另取一片<100>晶向厚度为300μm的N型第三硅片5801，将N型第三硅片5801上表面旋涂光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体(ICP)刻蚀，刻蚀出高度为2μm的凹槽5802，该凹槽5802用于形成盖板下表面第一限位凸台32。
S10：如图5j所示，对步骤S9刻蚀后的第三硅片5801进行热氧化，使第三硅片5801的上下表面各生长一层氧化硅层5901，光刻规定第一限位凸台32的区域，通过缓冲氧化物刻蚀液BOE去除上述区域氧化硅，形成第三区域5902。
其中：缓冲氧化物刻蚀液BOE为49％HF水溶液与40％NH4F水溶液按照1：6(体积比)的成分混合而成。
S11：如图5k所示，对第三区域5902采用湿法腐蚀技术进行刻蚀，刻蚀深度为25um,形成第一限位凸台32。
S12：如图5l所示，对第三硅片5801的下表面采用深反应离子刻蚀技术(DRIE)完成引线孔31的刻蚀。
S13：如图5m所示，将步骤S8所得结构与步骤S12所得盖板3进行直接键合，得到一种MEMS压电式加速度传感器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种MEMS压电式加速度传感器，包括依次连接并相互配合的基底(1)、传感器本体(2)和顶盖(3)，其特征在于：所述基底(1)呈方形，其上设有限位柱(11)；所述传感器本体(2)置于所述基底(1)与所述顶盖(3)之间，所述传感器本体(2)包括方形的边框(21)，所述边框(21)围成一矩形区域(212)，所述矩形区域(212)的中心位置设有一四边形质量块(23)，所述质量块(23)通过4个悬臂梁(24)与所述边框(21)固定连接；所述质量块(23)的中心位置设有与所述限位柱(11)配合的限位孔(231)，所述限位孔(231)用于套设于所述限位柱(11)外；所述质量块(23)的下表面设有若干第二限位凸台(232)；所述悬臂梁(24)的上表面的两端分别设有第一压电薄膜(241)，所述边框(21)的四角的上表面分别设有第二压电薄膜(211)，所述第一压电单薄膜(241)和所述第二压电薄膜(211)相连通；
所述顶盖(3)呈方形，其四角分别设有一引线孔(31)，所述顶盖(3)的下表面设有若干第一限位凸台(32)。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电式加速度传感器，其特征在于，所述边框(21)、所述质量块(23)、所述悬臂梁(24)及所述第二限位凸台(232)均为SOI材料加工而成。
3.根据权利要求2所述的MEMS压电式加速度传感器，其特征在于，所述第一压电薄膜(241)和所述第二压电薄膜(211)均为锆钛酸铅材料制成，经低温环氧工艺分别键和于所述悬臂梁(24)和所述边框(21)上。
4.根据权利要求3所述的MEMS压电式加速度传感器，其特征在于：
所述顶盖(3)的横截面为长2.5mm的正方形，厚度0.3mm，其材质为硅；所述第一限位凸台(32)的高度为0.022mm，其横截面为边长0.01mm的正方形；
所述矩形区域(212)为长度2mm的正方形，所述边框(21)每个边的宽度均为0.5mm，厚度为0.3mm；所述悬臂梁(24)的长度为0.5mm、宽度为0.12mm、厚度为0.04mm；所述质量块(23)的横截面为正方形结构，其边长为1mm、厚度为0.275mm；所述限位孔(231)的高度为0.275mm，其横截面为边长0.15mm的正方形；所述第二限位凸台(232)的高度为0.022mm，其横截面为边长0.01mm的正方形；
所述限位柱(11)的高度为0.3mm，其横截面为边长0.147mm的正方形；
所述第一压电薄膜和所述第二压电薄膜的厚度为0.5um。
5.一种MEMS压电式加速度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：取一<100>晶向的晶圆硅片进行双面抛光，获得厚度为300μm的SOI第一硅片，作为传感器本体的基片；将SOI第一硅片上表面旋涂光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀出高度为3μm的凹槽，该凹槽用于形成质量块下表面第二限位凸台，并确定了质量块与基底的限位间隙；
步骤S2：对步骤S1刻蚀后的SOI第一硅片进行热氧化，使SOI第一硅片的上下表面各生长一层氧化硅层，光刻规定质量块及悬臂梁的区域，通过缓冲氧化物刻蚀液去除上述区域氧化硅，同时留出限位柱和第二限位凸台图形，形成第一区域；
S3：对第一区域进行深反应离子刻蚀，刻蚀深度为25um，形成限位柱、第二限位凸台以及第二区域；
S4：利用电感耦合等离子体刻蚀技术对第二区域进行刻蚀，形成质量块、悬臂梁和限位柱；
S5：另取一片<100>晶向的N型300μm厚的第二硅片，作为基底，将第二硅片与步骤S4刻蚀后所得的SOI第一硅片结构进行硅-硅直接键合；
S6：对步骤S5键和后的SOI第一硅片采用深反应离子刻蚀技术，控制限位柱与限位孔的限位间隙为3μm进行限位孔的刻蚀；
S7：对步骤S6刻蚀后的SOI第一硅片的上表面利用电子束蒸发技术对悬臂梁所在的区域及边框的部分区域溅射一层厚度为0.5μm的金属薄膜；
S8：取第一压电薄膜与第二压电薄膜采用低温环氧键合工艺分别粘结键合于悬臂梁及外框所在区域的金属薄膜上；
S9：另取一片<100>晶向厚度为300μm的N型第三硅片，将N型第三硅片上表面旋涂光刻胶，用掩模版进行电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀出高度为2μm的凹槽，该凹槽用于形成盖板下表面第一限位凸台；
S10：对步骤S9刻蚀后的第三硅片进行热氧化，使第三硅片的上下表面各生长一层氧化硅层，光刻规定第一限位凸台的区域，通过缓冲氧化物刻蚀液去除上述区域氧化硅，形成第三区域。
S11：对第三区域采用湿法腐蚀技术进行刻蚀，刻蚀深度为25um，形成第一限位凸台；
S12：对第三硅片的下表面采用深反应离子刻蚀技术完成引线孔的刻蚀；
S13：将步骤S8所得结构与步骤S12所得盖板进行直接键合，制得MEMS压电式加速度传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述缓冲氧化物刻蚀液为49％HF水溶液与40％NH4F水溶液按照体积比1：6的成分混合而成。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S7中：所述的金属薄膜为铜、磷青铜或铍青铜的一种。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10中，所述缓冲氧化物刻蚀液BOE为49％HF水溶液与40％NH4F水溶液按照体积比1：6的成分混合而成。
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