CN111337119B - 一种高灵敏度的振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的振动传感器，包括具有空腔的衬底和多个压电悬臂梁，空腔的底面中心设置有固定柱，多个悬臂梁围成信号接收区域，通过固定柱固定在衬底上方；压电悬臂梁包括固定端和自由端，自由端的宽度大于固定端，固定端固定在固定柱上，自由端悬置于空腔上方，且相邻的压电悬臂梁之间设置有间隙；该传感器还包括带有凹槽的封帽，封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接。凹槽的截面可为任意形状，优选底面与侧壁夹角大于90°的梯形。本发明通过封帽将振动信号产生载荷集中在压电悬臂梁自由端，会使压电悬臂梁受到的弯矩更大，压电悬臂梁的挠曲程度更大，且夹角大于90°时能够产生较大的横向载荷，有效提高振动传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及到MEMS压电器件领域，特别是涉及一种高灵敏度的振动传感器。
背景技术
振动广泛存在于自然界、工业界和人类生活中，不同振动传递着各种各样的信号，如空气振动，机器设备振动，水流流动和地质振动等。获取振动中携带的信息需要借助各类振动传感器，振动传感器广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金、机器制造、军工、科研教学等诸多领域。如通过麦克风读取空气振动传递的声音信号；加速度计用于测量振动物体的加速度；超声探测器检测分析机械设备的振动信号，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命；地质灾害预警器探测由地震波带来的地质振动来预警地震等灾害等。
振动传感器包括电动式、磁电式、电容式、压阻式和压电式等，压电式的振动传感器环境适应性强，无需额外电源启动工作，适用于高低温，高冲击试验场合，具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用和受外界干扰小等特点。但是，现有压电式振动传感器结构对振动信号的响应有限，传感器的输出电信号较小，灵敏度低。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有压电式振动传感器对振动信号的响应有限，传感器的输出电信号较小，现有压电式振动传感器结构限制了传感器的灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种高灵敏度的振动传感器，包括具有空腔的衬底和多个压电悬臂梁，空腔的底面中心设置有固定柱，多个悬臂梁围成信号接收区域，通过固定柱固定在衬底上方；压电悬臂梁包括固定端和自由端，自由端的宽度大于固定端，固定端固定在固定柱上，自由端悬置于空腔上方，且相邻的压电悬臂梁之间设置有间隙；该振动传感器还包括带有凹槽的封帽，封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接。
进一步地，凹槽的截面为多边形或弧形。当凹槽的截面为梯形时，凹槽的底面与凹槽的侧壁之间的夹角优选大于90°。
进一步地，多个压电悬臂梁的形状均为扇形、三角形或梯形，组成的信号接收区域为圆形或多边形。
进一步地，压电悬臂梁为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极和支撑层。
进一步地，封帽是由硅片经干法或湿法刻蚀形成。
进一步地，还包括键合连接层，所述连接层位于封帽和压电悬臂梁的自由端的连接处。封帽通过阳极键合、焊晶圆键合或共晶键合的方式键合在所述压电悬臂梁的自由端。
进一步地，还包括固定框架，所述固定框架设置在所述多个压电悬臂梁的外围，且所述固定框架上设有与所述悬梁臂对应的压电叠层，通过连接结构连接所述悬臂梁的固定端的压电叠层和所述固定框架的压电叠层，在所述固定框架上引出电信号；若选用带有电路结构的衬底，可以不设置连接结构，通过硅通孔(TSV)刻蚀工艺，在固定柱部分将电极连接至所述带有电路结构的衬底上引出电信号。
进一步地，封帽层在连接结构的上方设置有一开口。
本发明的有益效果是：本发明在压电悬臂梁的上方设置一个带有凹槽的封帽，通过带有凹槽的封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接，能够将振动信号产生的垂直方向的载荷集中在压电悬臂梁自由端，会使压电悬臂梁受到的弯矩更大，压电悬臂梁的挠曲程度更大，该结构能有效扩大压电悬臂梁上的压电薄膜所受横向应力，增大压电薄膜上下表面产生的极化电荷量，提高振动传感器的灵敏度。
进一步地，凹槽的截面的形状可以为任意形状，如多边形或弧形等，优选为梯形。其中，当凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角等于90°时，仅可集中载荷到悬臂梁自由端。当截面为梯形时，凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角优选大于90°，因为这种梯形截面的凹槽易加工，并且还能将振动信号产生的垂直方向的载荷集中在压电悬臂梁自由端，变成斜向下的力施加在压电悬臂梁自由端，其中产生的横向载荷施加在压电悬臂梁上，直接增大了压电薄膜所受横向应力，大幅提高振动传感器的灵敏度；当凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角小于90°时，也可集中载荷到悬臂梁自由端并产生横向载荷，但制造工艺相对复杂。凹槽的其他的截面形状所起的作用与梯形类似。
附图说明
图1是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的俯视图；
图2是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的A-A剖面图；
图3是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的B-B剖面图；
图4是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的C-C剖面图；
图5是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的D-D剖面图；
图6是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的键合封帽前，未沉积键合连接层的俯视图；
图7是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的键合封帽前，沉积键合连接层，引出底电极和顶电极的俯视图；
图8a-8d是以设有连接结构引出电信号的振动传感器作为实施例的封帽制作和振动信号载荷接收示意图。
1-衬底，101-第一绝缘层，102-过渡层，103-第二绝缘层，104-空腔；2-压电叠层，201-底电极，202-压电薄膜，203-顶电极，204-键合连接层，205-引出底电极，206-引出顶电极；3-封帽层，301-封帽，302-凹槽，303-接收信号区域，304-键合区域，305-开口；4-固定框架，5-压电悬臂梁，6-面积较小端，7-面积较大端，8-振动区域，9-固定柱，10-间隙，11-连接结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明通过设有凹槽的封帽，封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接，将振动信号产生的垂直方向的载荷集中在压电悬臂梁自由端，会使压电悬臂梁受到的弯矩更大，压电悬臂梁的挠曲程度更大，该结构能有效扩大压电悬臂梁上的压电薄膜所受横向应力，增大压电薄膜上下表面产生的极化电荷量，提高振动传感器的灵敏度。
本发明选取以设有连接结构引出电信号的振动传感器为实施例，公开了一种高灵敏度的振动传感器，如图2和图6所示，包括具有空腔104的衬底1和多个压电悬臂梁5，空腔104的底面中心设置有固定柱9，多个悬臂梁5围成信号接收区域303，通过固定柱9固定在衬底1上方；压电悬臂梁5包括固定端和自由端，自由端的宽度大于固定端，固定端固定在固定柱9上，自由端悬置于空腔104上方，且相邻的压电悬臂梁5之间设置有间隙；该振动传感器还包括带有凹槽的封帽3，封帽3的槽沿与压电悬臂梁5的自由端相连接。
进一步地，衬底1可以选用SOI(长在绝缘衬底上的硅)晶圆片作为衬底层，包括第一绝缘层101、过渡层102和第二绝缘层103，并刻蚀出固定柱9结构和空腔104。在衬底1上依次沉积出压电叠层：沉积底电极201，材料为Mo；沉积压电薄膜202，材料为AlN或Sc掺杂AlN；沉积顶电极203，材料为Mo。具有压电叠层的多个压电悬臂梁的形状可以均为扇形、三角形或梯形，组成的信号接收区域为圆形或多边形，固定柱就设置在信号接收区域的中心，其中压电悬臂梁的窄端，即面积较小端做为固定端，固定在固定柱9上；压电悬臂梁的宽端，即面积较大端作为自由端。由于压电薄膜层202受到的横向应力主要集中在固定端，也可以图案化刻蚀顶电极203，将靠近自由端和固定端的顶电极203分离开，此时当压电悬臂梁5受到纵向振动载荷产生挠曲时，压电薄膜层202受到的横向应力主要靠近固定端，靠近固定端产生的电荷量最大，电信号可由由靠近固定端的顶电极203引出。
进一步地，封帽3的制作流程可以参考图8a和图8b，首先选取一定厚度的Si片，通过干法或湿法刻蚀的方式在Si片上刻蚀出一定深度的凹槽302，形成封帽301。封帽3可以通过阳极键合、焊晶圆键合或共晶键合等方式键合在压电悬臂梁的自由端。如图7所示，在做阳极键合处理前，需在器件上方沉积一层键合连接层204，然后再刻蚀形成引出底电极205、引出顶电极206、压电悬臂梁5、固定柱9等结构，最后进行封帽的键合处理。沉积键合连接层204的材料可以为SiO2。阳极键合处理时，在高温高压的环境下，封帽301和键合连接层204在键合区域304处形成Si—O键，从而封帽301和压电悬臂梁5的自由端连接在一起。
进一步地，凹槽302的截面可以为任意形状，如多边形或弧形等，亦或是不规则的图形，如两边为弧形，中间为连接两边弧形的直线等，只要能起到集中载荷和/或产生横向载荷作用即可，不局限于梯形。
当凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角θ等于90°时，主要起到集中载荷的作用。以矩形截面为例，封帽将振动信号产生的垂直方向的载荷集中在压电悬臂梁自由端，会使压电悬臂梁受到的弯矩更大，压电悬臂梁的挠曲程度更大，该结构能有效扩大压电悬臂梁上的压电薄膜所受横向应力，增大压电薄膜上下表面产生的极化电荷量，提高振动传感器的灵敏度。
当凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角θ大于90°时，主要起到集中载荷和产生横向载荷的作用。以梯形截面为例，封帽将振动信号产生的垂直方向的载荷集中在压电悬臂梁自由端，变成斜向下的力施加在压电悬臂梁自由端；同时横向载荷施加在压电悬臂梁上，直接增大了压电薄膜所受横向应力，提高振动传感器的灵敏度。如图8c和图8d所示，封帽301的接收信号区域303接收振动信号源载荷F0＝P0S0，原有纵向载荷F0通过带有梯形沟槽302的封帽301传递，产生横向载荷F1和集中纵向载荷F2，在本实施例中，有四个倒梯形悬臂梁5，做动态力学分析，有F2≈P0S0/4，F1≈F2tan(θ-90°)。相较于未加封帽301的模型，本实施例中的振动载荷集中施加在压电悬臂梁5的自由端，压电悬臂梁5受到的弯矩更大，压电悬臂梁5的挠曲程度增大，提高了压电薄膜202受到的横向应力，另一方面，横向载荷F1进一步提高所述压电薄膜202所受横向应力。由于压电材料的d31效应，在所述压电薄膜202上下表面产生异号极化电荷。如图2所示，顶电极203可做图案化刻蚀，将靠近自由端和固定端的顶电极203分离开，由于靠近压电悬臂梁5固定端的压电薄膜202受到的横向应力更大，产生的极化电荷更加集中，用靠近固定端的顶电极203输出电压信号，振动传感器的电压灵敏度更大；顶电极203也可不作图案化刻蚀，由F1和F2的共同作用，靠近压电悬臂梁5自由端的压电薄膜202也受到横向应力，所以在整个压电悬臂梁5上的压电薄膜202上下表面均产生了异号极化电荷，不作图案化刻蚀的顶电极203输出电荷信号，振动传感器的电荷灵敏度更大。
当凹槽的底面与凹槽的侧壁的夹角θ小于90°时，主要起到集中载荷和产生横向载荷的作用。其原理和大于90°时基本相同，只是横向载荷的方向相反。只是小于90°的截面制造工艺相对复杂。其他的截面形状如弧形等，亦和梯形类似，如劣弧和小于90°的梯形截面的作用原理相同。
进一步地，参考图1、图6和图7，振动传感器外围还可以设置有固定框架4，引出底电极205和引出顶电极206位于所述固定框架4之上，用于引出产生的电信号。压电悬臂梁5的面积较小端6为固定端，面积较大端7为自由端，振动区域8的中心设有固定柱9，用于固定压电悬臂梁5。两相邻压电悬臂梁5之间设有一定宽度的间隙10，在某一所述间隙10中设置有连接结构11。连接结构11可以同底电极205、引出顶电极206、压电悬臂梁5、固定柱9等结构一起进行刻蚀。参考图3和图4，所述连接结构11用于连接固定框架4和振动区域8上的压电叠层，刻蚀出压电悬臂梁5和连接结构11之前，在固定框架4之上刻蚀一定深度分别露出底电极201和顶电极203，沉积一层金属层，材料为Al或Au，图案化刻蚀形成引出底电极205和引出顶电极206。
更进一步地，如图5所示，由于存在连接结构11，封帽层3在连接区域11上方设置有一开口305，避免封帽层3影响压电悬臂梁5的振动。
需要补充的是，本发明提供的技术方案中，添加封帽301结构也可看做一质量负载，对振动传感器具有调频作用，进一步优化振动区域8中部件的尺寸参数，能有效扩大传感器的工作频率带宽，另外本发明所提出的结构与CMOS工艺相兼容，适用于微纳振动传感器的制造。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高灵敏度的振动传感器，其特征在于，包括具有空腔的衬底和多个压电悬臂梁，空腔的底面中心设置有固定柱，多个悬臂梁围成信号接收区域，通过固定柱固定在衬底上方；所述压电悬臂梁包括固定端和自由端，所述自由端的宽度大于所述固定端，固定端固定在所述固定柱上，自由端悬置于空腔上方，且相邻的压电悬臂梁之间设置有间隙；该振动传感器还包括带有凹槽的封帽，所述封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述凹槽的截面为多边形或弧形。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述凹槽的截面为梯形，凹槽的底面与凹槽的侧壁之间的夹角大于90°。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述多个压电悬臂梁的形状均为扇形、三角形或梯形，组成的信号接收区域为圆形或多边形。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述压电悬臂梁为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极和支撑层。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述封帽是由硅片经干法或湿法刻蚀形成。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，还包括键合连接层，所述键合连接层位于封帽和压电悬臂梁的自由端的连接处。
8.根据权利要求7所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述封帽通过阳极键合、焊晶圆键合或共晶键合的方式键合在所述压电悬臂梁的自由端。
9.根据权利要求1所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，还包括固定框架，所述固定框架设置在所述多个压电悬臂梁的外围，且所述固定框架上设有与所述压电悬臂梁对应的压电叠层，通过连接结构连接所述压电悬臂梁的固定端的压电叠层和所述固定框架的压电叠层，在所述固定框架上引出电信号。
10.根据权利要求9所述的高灵敏度的振动传感器，其特征在于，所述封帽在连接结构的上方设置有一开口。
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- 2020-01-10 CN CN202010027154.5A patent/CN111337119B/zh active Active
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