CN112462091B - 一种mems-idt加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS‑IDT加速度传感器，所述加速度传感器包括：硅基悬臂梁及制备于悬臂梁应力集中之处的声表面波敏感元件以及制备于硅基悬臂梁自由端的质量振子。所述的硅基悬臂梁为采用深度刻蚀工艺制备的单自由度梁。所述的声表面波敏感元件包括低阻抗温补层、压电基片和钝化层。其中，所述低阻抗温补层沉积在所述硅基悬臂梁上；所述压电基片沉积在所述低阻抗温补层上；所述压电基片的上表面设置有声表面波器件图形；所述钝化层沉积于声表面波器件图形表面。该加速度传感器通过MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，解决了传统MEMS加速度传感器的大温漂问题，并具有微纳体积、高灵敏度和低功耗等特点。
Description
技术领域
本发明涉及加速度传感器领域，尤其是涉及一种的MEMS-IDT加速度传感器。
背景技术
微机电系统(MEMS：Micro-Electro-Mechanical System)是由微传感器、微执行器、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件以及偏执行器等许多器件组成的微型复杂的电子机械系统的微型器件或系统。微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,是微米级集成电路的装置和工具，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。
MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器,与传统的传感器相比,具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、线性度好等特点，被广泛应用于航空航天、医学、汽车工业等各个领域。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，所以具有很高的性价比。MEMS加速度传感器按照信号检测方式可分为压阻式、电容式、压电式等。
压阻式加速度传感器是利用硅材料的压阻效应制作的传感器，它的工作原理是将被测的加速度转换为硅材料电阻率的变化来进行加速度的测量。压阻式加速度传感器发展比较早，是应用较多比较成熟的传感器。压阻式加速度传感器具有加工工艺简单、频率响应高、体积小、测量方法简单、线性度好等优点,但是其受温度影响温度极大、灵敏度低。
电容式加速度传感器是利用电容原理，将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量。电容式加速度传感器具有高灵敏度、测量精度高、功耗低等特点，易于构成高精度的力平衡式器件。此外，由于传感器的电容量和其变化量极小，同时为减小分布电容的影响，其调理电路必须与传感器集成在一块芯片上因此，对工艺和技术要求非常高。
声表面波(Surface acoustic wave:SAW)传感器是利用声表面波器件作为敏感元件，将被测的物理量通过声表面波的速度或者频率反映出来，然后将声信号转换成电信号输出，达到传感目的。基于声表面波技术的压电式加速度传感器相对于其他类型的加速度传感器而言，具有功耗低，结构简单，响应快速，高精度，高灵敏度、制作成本低、能耗低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应能力强以及良好的温度稳定性和可靠性等特点。声表面波加速度传感器结构形式很多，有推拉式，套筒式和悬臂梁式等。其中推拉式结构虽然结构可靠但是加工难度大，套筒式结构难以兼顾最小敏感量和最大量程的要求，而悬臂梁式结构简单易于加工，且具有较高的加速度灵敏度。
传统的SAW器件一般采用单晶压电材料。随着MEMS技术的快速发展，基于多层复合结构的SAW逐渐成为研究热点。与传统SAW器件相比，多层复合薄膜结构的SAW具有高Q值、低频率温度系数(TCF)、高机电耦合系数和良好的散热性的特点。
发明内容
本发明的目的，是为了克服现有加速度传感器存在的灵敏度不高和易受环境温度变化影响的问题，提供了一种体积小、重量轻、量程大、检测灵敏度高、制作成本低、功耗低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应能力强、高性能以及良好的温度稳定性和可靠性的新型MEMS-IDT加速度传感器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种MEMS-IDT加速度传感器，该加速度传感器包括：硅基悬臂梁及制备于悬臂梁应力集中之处的声表面波敏感元件以及制备于硅基悬臂梁自由端的质量振子。
优选的，所述的硅基悬臂梁为采用深度刻蚀工艺制备的单自由度梁。所述的声表面波敏感元件包括低阻抗温补层、压电基片和钝化层。其中，所述低阻抗温补层沉积在所述硅基悬臂梁上；所述压电基片沉积在所述低阻抗温补层上；所述压电基片的上表面设置有声表面波器件图形；所述钝化层沉积于声表面波器件图形表面。
优选的，低阻抗温补层材料包括二氧化硅SiO2或氮化硅SiN，以保证多层复合SAW结构的实现和实现温度补偿。
优选的，压电基片材料可选用铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、镓酸锂LiGaO2和锗酸锂GeLi2O3等具有高压电系数材料中的一种，以保证良好的压电性能。
优选的，低阻抗温补层选用的材料和压电基片选用的材料的温度频率系数相反，以实现温度补偿；通过优化低阻抗温补层厚度，可以改变器件的温度频率系数，实现低TCF器件。
优选的，钝化层可选用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN和蓝宝石Al2O3中的一种或两种以上，以保护声表面波器件和压电基片有效部分，降低声能损耗。
优选的，质量振子质量为0.1克-5克。
优选的，所述声表面波器件图形采用半导体工艺沉淀于所述压电基片的上表面，所述声表面波器件图形包括叉指换能器IDT，或叉指换能器和短路栅反射器；所述声表面波器件图形构成声表面波延迟线图形或双端对谐振器件图形。
优选的，声表面波器件图形左侧端设有第一吸声胶，所述声表面波器件图形右侧端设有第二吸声胶。吸声胶用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。
优选的，所述声表面波延迟线图形中，从左到右依次设置有第一叉指换能器和第二叉指换能器。
优选的，所述双端对谐振器件图形中，从左到右依次设置有第一短路栅反射器、第一叉指换能器、第二叉指换能器、第二短路栅反射器。
优选的，第一、第二叉指换能器采用双向结构，且至少包括两对第一叉指电极对；每一对所述第一叉指电极对均包括两个第一电极，所述第一电极的宽度为1/4λx，间距为1/4λx，电极膜厚为0.001λx-0.1λx，声孔径为80λx-250λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
优选的，第一、第二短路栅反射器至少包括两个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极，λx为沿声波传播方向的声波波长。
优选的，加速度传感器采用MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，可降低声能损耗，解决传统MEMS加速度传感器的大温漂问题，并具有小尺寸、大量程、高灵敏度、高Q值等特点。
优选的，叉指换能器的电极材料选用铝、铜和铂或其合金。
优选的，加速度传感器结合LC串并联电路或者鉴相器电路，可构成加速度检测系统。
本发明实施例提供的一种新型MEMS-IDT加速度传感器。该传感器采用MEMS悬臂梁结构，通过调整悬臂梁的长度宽度厚度以及质量振子的质量来实现一种小尺寸高灵敏度的加速度传感器。同时，传感器采用MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，利用高阻抗材料硅作为支撑基板，加上压电层和低阻抗温补层，在原有的MEMS加速度计的基础上，解决了传统MEMS加速度易受温度影响的问题，并具有体积小、重量轻、量程大、检测灵敏度高、制作成本低、功耗低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应能力强、高性能和可靠性的等特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种新型MEMS-IDT加速度传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的声表面波器件的延迟线的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的声表面波器件的双端对谐振型的结构示意图；
图4a为本发明提供的加速度传感器中的叉指换能器的结构示意图；
图4b为本发明提供的加速度传感器中的短路栅反射器的结构示意图。
附图标记：
1.硅基悬臂梁；2.声表面波敏感元件；21.低阻抗温补层；22.压电基片；23.钝化层；24.声表面波器件图形；241.第一叉指换能器；242.第二叉指换能器；241’.叉指换能器的第一叉指电极对；243.第一短路反射栅；244.第二短路反射栅；243’.短路反射栅的第二电极；25.第一吸声胶；26.第二吸声胶；3.质量振子。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。
实施例
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
图1为本发明实施例提供的一种新型MEMS-IDT加速度传感器的结构示意图。如图1所示，该加速度传感器包括：硅基悬臂梁1及制备于悬臂梁应力集中之处的声表面波敏感元件2以及制备于硅基悬臂梁自由端1的质量振子3。所述的硅基悬臂梁1为采用深度刻蚀工艺制备的单自由度梁。所述的声表面波敏感元件2包括低阻抗温补层21、压电基片22和钝化层23。其中，所述低阻抗温补层21沉积在所述硅基悬臂梁1上；所述压电基片22沉积在所述低阻抗温补层21上；所述压电基片22的上表面设置有声表面波器件图形24；所述钝化层23沉积于声表面波器件图形24表面。
其中低阻抗温补层21材料为二氧化硅SiO2或氮化硅SiN，以保证多层复合SAW结构的实现和实现温度补偿。本实施例中，低阻抗温补层选用二氧化硅SiO2。
以溅射方式生长和覆盖在低阻抗温补层上的压电基片22，可选用铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、镓酸锂LiGaO2和锗酸锂GeLi2O3等具有高压电系数材料中的一种，以保证良好的压电性能。本实施例中，压电基片选用42°LiTaO3。
低阻抗温补层21选用的材料和压电基片22选用的材料的温度频率系数相反，以实现温度补偿；通过优化低阻抗温补层21厚度，可以改变器件的温度频率系数，实现低TCF器件。
钝化层23采用溅射的方式生长和覆盖在声表面波器件图形24表面和裸露的压电基片22的表面。钝化层可选用二氧化硅SiO2、氮化硅SiN、蓝宝石Al2O3中的一种，其厚度大于电极厚度，用于保护声表面波器件图形24和压电基片22有效部分。
粘于硅基悬臂梁1的自由端的质量振子3质量为0.1克-5克。本实施例中，质量振子3的质量为0.8克。
所述声表面波器件图形24采用半导体工艺沉淀于所述压电基片22的上表面，所述声表面波器件图形24至少包括一个叉指换能器和一个短路栅反射器；其中，所述声表面波器件图形24构成声表面波延迟线图形或双端对谐振器件图形。
第一吸声胶25、第二吸声胶26分别以涂覆的方式设置于声表面波器件图形(24)的左右两侧，用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。
如图2所示，所述延迟线图形中，从左到右依次设置有第一叉指换能器241、第二叉指换能器242。
如图3所示，所述双端对谐振器件图形中，从左到右依次设置有第一短路栅反射器243、第一叉指换能器241、第二叉指换能器242、第二短路栅反射器244。
其中，在本实施例中，本发明采用了谐振型结构。其中：
第一叉指换能器241、第二叉指换能器242采用双向结构，且至少包括两对第一叉指电极对241’；每一对所述第一叉指电极对241’均包括两个第一电极，所述第一电极的宽度为1/4λx，间距为1/4λx；本实施例中，第一电极宽度1/4λx，间距为1/4λx，电极膜厚为0.001λx-0.08λx，声孔径为80λx-250λx，叉指电极数目为25-110对，λx为沿声波传播方向的声波波长。第一电极材料本申请可选用铝、铜和铂或其合金。
第一短路栅反射器243、第二短路栅反射器244至少包括两个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极243’；本实施例中，第一短路栅反射器243、第二短路栅反射器244包括20条-150条宽度为1/4λx，间距为1/4λx，膜厚为0.001λx-0.01λx的第二电极243’，λx为沿声波传播方向的声波波长。一般情况下，第二电极的材质和第一电极相同，本申请可选用铝、铜和铂或其合金。
加速度传感器采用MEMS硅基悬臂梁1与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，可降低声能损耗，解决传统MEMS加速度传感器的大温漂问题，并具有小尺寸、大量程、高灵敏度、高Q值等特点。
加速度传感器结合LC串并联电路或者鉴相器电路，可构成加速度检测系统。
本发明实施例提供的新型MEMS-IDT加速度传感器的具体工作过程如下：
根据逆压电效应，叉指换能器将电磁波信号转换成声表面波信号，声表面波沿压电基片表面向两边传播，经两侧的短路栅反射器反射叠加，然后根据正压电效应，叉指换能器将声表面波信号重新转换成电磁波信号输出。如果反射的声表面波信号和激发的声表面波同相位相加形成驻波，则在两个反射器之间构成了一个谐振腔，外加电信号的频率与谐振腔同步则产生共振。由于加速度造成的形变作用于SAW器件，直接引起SAW传播特性变化。通过对所接收的传感信号进行解调即可获取加速度信息。
具体地，用P矩阵分别表示叉指换能器和短路栅反射器，利用P矩阵的级联关系，推算出整个器件的导纳矩阵，
然后利用导纳矩阵解，整个声表面波器件的频率响应S12可以表示为:
其中Yin和Yout分别为两个电端口外接传输线的特性导纳。
本发明实施例提供的一种新型MEMS-IDT加速度传感器。该传感器采用MEMS悬臂梁结构，通过调整悬臂梁的长度宽度厚度以及质量振子的质量来实现一种小尺寸高灵敏度的加速度传感器。同时，传感器采用MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，利用高阻抗材料硅作为支撑基板，加上压电层和低阻抗温补层，在原有的MEMS加速度计的基础上，解决了传统MEMS加速度易受温度影响的问题，并具有体积小、重量轻、量程大、检测灵敏度高、制作成本低、功耗低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应能力强、高性能和可靠性的等特点，因而在加速度测量领域具有非常大的应用前景。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种MEMS-IDT加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括：硅基悬臂梁及制备于悬臂梁应力集中之处的声表面波敏感元件以及制备于硅基悬臂梁自由端的质量振子；其中
所述的硅基悬臂梁为单自由度梁，所述的硅基悬臂梁为采用深度刻蚀工艺制备的单自由度梁，
所述的声表面波敏感元件包括低阻抗温补层、压电基片和钝化层，其中，所述低阻抗温补层沉积在所述硅基悬臂梁上；所述压电基片沉积在所述低阻抗温补层上；所述压电基片的上表面设置有声表面波器件图形；
所述钝化层沉积于声表面波器件图形表面；
所述加速度传感器采用MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合的方式制成；
所述声表面波器件图形沉积于所述压电基片的上表面，所述声表面波器件图形包括叉指换能器，或叉指换能器和短路栅反射器；
所述声表面波器件图形左侧端设有第一吸声胶，所述声表面波器件图形右侧端设有第二吸声胶；
所述叉指换能器采用双向结构，且至少包括两对第一叉指电极对；每一对所述第一叉指电极对均包括两个第一电极，所述第一电极的宽度为1/4λx，间距为1/4λx，电极膜厚为0.001λx-0.1λx，声孔径为80λx-250λx，所述短路栅反射器至少包括两个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极，λx为沿声波传播方向的声波波长。
2.根据权利要求1所述的MEMS-IDT加速度传感器，其特征在于，所述低阻抗温补层材料包括二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的MEMS-IDT加速度传感器，其特征在于，所述压电基片材料包括铌酸锂、钽酸锂、镓酸锂和锗酸锂中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的MEMS-IDT加速度传感器，其特征在于，所述钝化层包括二氧化硅、氮化硅和蓝宝石中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的MEMS-IDT加速度传感器，其特征在于，所述叉指换能器的电极材料包括用铝、铜和铂中的一种或两种以上。
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