CN201063346Y - 一种双极化分割电极传感振动膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双极化分割电极式传感振动膜，由由下至上的支撑层、下电极、压电薄膜和上电极组成；其特征在于，所述上电极包括相互分离的第一上电极和第二上电极，所述下电极为公共下电极，所述压电薄膜包括位于第一上电极正下方的第一压电薄膜区域，和位于第二上电极正下方的第二压电薄膜区域，所述第一压电薄膜区域与第二压电薄膜区域的极化方向相反，所述第一上电极和第二上电极分别作为整个振动膜的输入输出电极。本实用新型无需引出下电极，避免了刻蚀压电薄膜工艺，避免不同层跨接引线造成的断裂，提高器件的成品率；另外，本实用新型还能够提高传感振动膜的灵敏度。

Description

一种双极化分割电极传感振动膜

技术领域

本实用新型属于压电传感领域，具体地说，本实用新型涉及一种传感振动膜。

背景技术

硅微压电传感振动膜是微型压电传感器的传感部分。硅微压电传感振动膜有非常广泛的应用，它可以对声、力、压强和质量进行传感和测量。在可听声领域里，可用作接收声音信号比如麦克风、声控开关等声学传感器；也可用作发射声音信号比如压电扬声器、助听器、报警器等。在超声领域里，微型声学压电传感器可以应用于发射超声脉冲、接收超声探测信号，二维、三维超声成像和测量等。在测力方面，硅微压电振动膜可以作为微力传感器的测量单元；另外它也可以作为质量传感器的传感单元，用于微小质量的测量。较传统的压电传感器而言，含有硅微压电传感振动膜的传感器有着体积小、功耗低、易于大批量生产等优点。

现有的硅微压电传感振动膜如图1所示，主要是由上电极103、压电薄膜102、下电极101、支撑层100构成。主要的传感部分为上电极103和下电极101以及中间的压电薄膜102所组成的夹心结构。其中压电薄膜102为垂直于上下电极平面的单一方向极化，整个极化区域即上电极覆盖区域的压电薄膜的压电常数一定。极化的方式可以有两种，方式一为上电极施加正电压，方式二为下电极施加正电压，如图2和图4所示，极化后的压电薄膜的极化方向与施加电场方向一致。极化后的压电传感薄膜有两种工作模式。第一种模式是接收模式，如图3和图5所示，振动膜在力、压强的作用下会产生形变，压电薄膜由于压电效应将其上下表面产生大小相等、极性相反的电荷，再由上下两个电极输出。第二种工作模式是发射模式，将电压或电荷施加在上电极103和下电极101上，使压电薄膜102内产生垂直于表面的电场。在电场作用下，压电薄膜102由于逆压电效应会产生形变，当施加特定的交流电压信号时，含有压电薄膜的振动膜会产生相应频率的振动。

上述的硅微压电传感器的压电传感振动膜大多只有单一的上电极103和下电极101，这种结构的缺点是传感灵敏度较低(比如专利0380993 1.4)。为了解决上述的问题，提高灵敏度，本申请人在以前的中国专利申请(申请号：200510086861.7)提出一种分割电极结构，它将原有的单一电极传感器变成了两个或几个分割电极串联的结构，将上电极103分为第一上电极104和第二上电极105(如图6和图7所示)，下电极101分割为第一下电极106和第二下电极107(如图8所示)，然后将第二上电极105和第一下电极106联接，从而构成两个传感单元的串联结构，使信号得以增强，理论上可以成倍提高传声器的灵敏度。但是这种分割电极结构仍然存在以下的缺点：

(1)传感器的信号由上下两个电极引出。如图1所示由于下电极位于压电薄膜的下面，这需要腐蚀压电薄膜102将其下面的下电极引出。而对于由压电陶瓷(比如PZT)组成的压电薄膜，腐蚀工艺难度大、工艺条件苛刻，不易控制腐蚀的时间和程度；而且在腐蚀工艺过程中容易破坏压电薄膜的压电性，从而使整个器件失效，产品的成品率下降。

(2)分割电极的串联结构需要上下电极进行相应的跨层连接，如图7所示，第二上电极105要与第一下电极106连接，而下电极107需要做引出以输出信号，由于上下电极不在同一层面内，因此在做上述的上下电极串联和电极引出时需要将引线跨越一定的台阶，该台阶的高度取决于上下电极的高度差，此处实例性的为压电薄膜102的厚度，这样的连线方式容易造成断线，从而降低产品的成品率。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、成品率高的分割电极串联式硅微传感振动膜。

为实现上述发明目的，本实用新型提供的双极化分割电极式传感振动膜，由由下至上的支撑层100、下电极101、压电薄膜102和上电极组成；其特征在于，所述上电极包括相互分离的第一上电极110和第二上电极111，所述下电极101为公共下电极，所述压电薄膜102包括位于第一上电极110正下方的第一压电薄膜区域108，和位于第二上电极111正下方的第二压电薄膜区域109，所述第一压电薄膜区域108与第二压电薄膜区域109的极化方向相反，所述第一上电极110和第二上电极111分别作为整个振动膜的输入输出电极。

上述技术方案中，所述第一压电薄膜区域108与第二压电薄膜区域109的极化方向相反是通过将极化电压正、负极分别加在所述第一上电极110和第二上电极111上进行极化而实现的。

为实现上述发明目的，本实用新型提供的双极化分割电极式传感振动膜的另一种实施方案为：由由下至上的支撑层100、下电极101、压电薄膜102和上电极组成；该双极化分割电极式传感振动膜具有n对压电传感单元，每对压电传感单元由第一上电极110、第二上电极111、第一压电薄膜区域108、第二压电薄膜区域109和公共下电极组成，所述第一压电薄膜区域108位于第一上电极110正下方，所述第二压电薄膜区域109位于第二上电极111正下方，所述第一压电薄膜区域108与第二压电薄膜区域109的极化方向相反；从第一对压电传感单元起，每一对压电传感单元的第二上电极111与下一对压电传感单元的第一上电极110电连接，直至第n对压电传感单元；将极化电压正、负极分别加在第一对压电传感单元的第一上电极110和第n对压电传感单元的第二上电极111上对整个压电薄膜102进行极化，将第一对压电传感单元的第一上电极110和第n对压电传感单元的第二上电极111分别作为整个振动膜的输入输出电极，其中n为2～512之间的整数。

上述两种实施方案中，所述压电薄膜102是锆钛酸铅(PZT)或聚氟乙烯聚合物(PVDF)制作的压电薄膜。

上述两种实施方案中，所述压电薄膜102的厚度在0.01um～300um之间。

上述两种实施方案中，所述压电薄膜102是单层薄膜或由多层薄膜组成。

上述两种实施方案中，所述支撑层100是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。

上述两种实施方案中，所述支撑层100厚度为0.01um～500um。

上述两种实施方案中，所述支撑层100的形状是矩形或圆形。

本实用新型的技术效果如下：本实用新型提供的采用双极化分割电极式传感振动膜是一种新型的分割电极串联式硅微传感振动膜。该结构中相邻两传感单元共用下电极，两块极化方向相反的压电薄膜上面分别有由各自的上电极，从而构成一对串联在一起的压电传感单元。这种双极化分割电极式传感振动膜结构实现了同层表面连线，无需引出下电极，避免了刻蚀压电薄膜工艺，避免不同层跨接引线造成的断裂，提高器件的成品率。这种结构可形成电学上串联的传感器，在对物理量的传感过程中它们是并联结构，所输出的信号是所有串联传感单元信号之和。对于具有单对串联传感单元的含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜，其灵敏度理论上比一般的单一极化方向的传感振动膜提高两倍，而分割成多对时，串连在一起的灵敏度将比一般的结构提高2n倍，其中n为分割电极对的数量。该结构的具体实现和更多的优点将在下面的具体实施方式中详细介绍。

附图说明

图1是现有的单对电极的硅微压电传感振动膜的剖面示意图

图2是现有压电振动膜极化方式一示意图(箭头代表极化方向)

图3是现有压电振动膜极化方式一的压电效应示意图

图4是现有压电振动膜极化方式二示意图

图5是现有压电振动膜极化方式二的压电效应示意图

图6是现有分割电极串联式硅微压电传感振动膜的剖面示意图

图7是现有分割电极串联式硅微压电传感振动膜的俯视图

图8是现有分割电极硅微压电传感振动膜下电极示意图

图9是本实用新型的含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜的剖面图

图10是本实用新型的含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜的接收工作示意图

图11是下电极制备后的示意图

图12是压电薄膜制备后的剖面示意图

图13是分割上电极制备后的剖面示意图

图14是压电薄膜经过双极化后的示意图(箭头代表极化方向)

图15是单对圆形分割上电极俯视图

图16是单对矩形分割上电极俯视图

图17具有两对传感单元的含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜分割下电极示意图(圆形分割为例)

图18具有两对传感单元的含两种极化方向压电薄膜的传感振动膜俯视图(圆形分割为例)

具体实施方式

下面将给出本实用新型的一些实施方案的许多具体细节，便于对这些实施方案的透彻理解。

实施例1

图9是本实用新型的双极化分割电极传感振动膜的一个实施例结构示意图；整个振动膜由支撑层100、下电极101、压电薄膜102、以及制作在压电薄膜102上的相互分离的第一上电极110和第二上电极111组成，所述压电薄膜102包括位于第一上电极110正下方的第一压电薄膜区域108和位于第一上电极111正下方的第二压电薄膜区域109。本实施例中，传感振动膜的支撑层100制备在硅基片上，该硅基片中心部分具有通孔或开口向上的凹槽，所述支撑层100的周边部分全部固定，中心部分自由，使得振动膜具有可以发生形变的结构。当然，所述支撑层100的周边部分也可以以全部简支、部分自由部分固定或部分自由部分简支的方式固定。所述第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109分别位于第一上电极110和第二上电极111的正下方，其中第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109的极化方向相反(即两者的压电常数正负相反)。如图9所示，第一上电极110、第一压电薄膜区域108和下电极101构成独立的第一压电传感单元；第二上电极111、第二压电薄膜区域109和下电极101同样构成独立的第二压电传感单元。由于第一压电传感单元和第二压电传感单元的下电极均为下电极101，即共用下电极，因此第一压电传感单元和第二压电传感单元在电学是串联的。

如图10所示，当该压电传感振动膜用于接收时，振动膜在压力、压强作用下产生形变，由于第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109的极化方向相反，由压电效应在上电极110和上电极111中所产生的电荷是极性相反大小相等的，而第一压电传感单元和第二压电传感单元在电学是串联关系，因此输出信号是第一压电传感单元和第二压电传感单元产生的信号之和，比单个压电传感单元的输出电压要大一倍，相应的含有该种传感振动膜的传感器的灵敏度也提高一倍。当本结构的传感器应用于发射工作模式时，在第一上电极110和第二上电极111上施加一定的电压，由于电学串联关系，电压将顺次施加在串联在一起的第一压电传感单元和第二压电传感单元两端，第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109中的电场方向是反向的，由于第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109的极化方向也相反，则第一压电传感单元和第二压电传感单元在电场的作用下将产生相同方向和形式的形变，使整个压电膜形变一致，在特定的交流信号下，振动膜将按一定频率进行振动，从而实现发射信号的功能。

图11～图14示出了该实例的基本制备流程。如图11所示，首先制备支撑层100，该支撑层100可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，可以理解，该层膜结构主要用于对压电薄膜的支撑和辅助振动，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。所述支撑层的厚度为0.01um～500um。需要说明的是支撑层的形状可以是矩形的，也可以是圆的，也可以是任意几何形状，并不限于本实例所介绍的范围，本领域的技术人员可以根据需要选取不同形状的振动膜，并且采取相应的制备方法。

仍由图11所示在支撑层100上面制备下电极101，该下电极101采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。

由图12所示在下电极101上面制备一层或几层压电薄膜102，该压电薄膜的厚度为0.01um～300um，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，即该材料可以实现不同区域的极化方向可以不同即可，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。

本实用新型中所述的极化是指对于压电陶瓷薄膜，本身是没有压电性能的，对这样的压电薄膜施加强的直流电场后，可以使其具有压电性能。在这种电场极化方式下，压电薄膜的极化方向与电场方向相同。压电薄膜的压电特性由其压电常数，如d33、d31，所决定。所描述压电效应是指当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷(束缚电荷)，其产生电荷的多少和极性由材料的压电常数来决定，如d33，d31。

如图13所示：在压电薄膜102上制备分割上电极：第一上电极110和第二上电极111，上电极可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。如图15和图16所示第一上电极110和第二上电极111可以为矩形分割、也可以是扇形分割、环形分割。可以理解，这里强调的是将用于传感的压电薄膜102上方的上电极分成两个部分，而所分割出的两部分电极的形状不仅限于上面的说明，本领域的技术人员可根据所需要形状进行上电极的成对分割。

如图14所示，对该结构的压电薄膜102进行两种方向的极化，使压电薄膜102形成两块极化方向相反的第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109。可以选择在空气中，温度范围可在-160℃到400℃，最佳极化温度为100℃。也可以选择在油中极化，温度范围可在-160℃到400℃，最佳极化温度为100℃。将极化电压正极加在第一上电极110上，负极加在第二上电极111上，或极化电压负极加在第一上电极110上和正极加在第二电极111上，这里以前者为例，由于拥有共同下电极101的第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109在电学上是串联的，因此第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109内部的电场方向相反，由于压电薄膜的极化方向和其内部的电场方向相同，则第一压电薄膜区域108的极化方向与第二压电薄膜区域109的极化方向相反，即第一压电薄膜区域108与第二压电薄膜区域109的压电常数(如d33、d31)符号相反，如图14所示。或是用其它方法将第一压电薄膜区域108和第二压电薄膜区域109形成相反的极化方向，如通过对化合物压电材料进行某种元素的浓度调节实现压电薄膜不同区域的极化方向相反的方法，制备生长相反晶向的压电薄膜等方法，这里不能穷举。本领域的技术人员可以理解，所采用的两种方向需根据所采用的不同的压电材料而采用的不同的极化方向，而不仅仅限于上面描述的方法，可根据实际需要作出选择。

实施例2

实施例1为形成单对分割电极式串联传感单元的含有两种极化方向压电薄膜的传感振动膜，本实用新型并不限于单对分割串联，亦可以进行多对分割，然后在通过对应上电极的连接，实现多对传感单元的串联进而成倍提高传感器的灵敏度。这里示例性的介绍具有两对串联传感单元的含有两种极化方向压电薄膜的传感振动膜的制作。

与实施例1相同，制备支撑层100以及下电极101。这里不同的是，如图17所示，要将下电极101分割成第一下电极112和第二下电极113。在第一下电极112和第二下电极113上面制备压电薄膜102。如图18所示，制备上电极并将其分割成第一上电极114、第二上电极115、第三上电极116和第四上电极117四个部分。第一上电极114、第二上电极115、第三上电极116和第四上电极117所在区域下面的压电薄膜对应为第一压电薄膜区域118、第二压电薄膜区域119、第三压电薄膜区域120和第四压电薄膜区域121。这样第一上电极114、第二上电极115、第一压电薄膜区域118、第二压电薄膜区域119和第一公共下电极112构成第一对压电传感单元，即构成第一个基本的压电传感单元；第三上电极116、第四上电极117、第三压电薄膜区域120、第四压电薄膜区域121和第二公共下电极113构成第二对压电传感单元，即构成第二个基本的压电传感单元。

将这两对压电传感单元通过连接第二上电极115和第三上电极116而串联在一起，从而实现了两对压电传感单元的串联，即形成了四个压电传感单元的串联。这样串联起来压电传感振动膜使接受信号增大了4倍，因此传感器的灵敏度也是现有结构的4倍。

当在本实用新型中的双极化压电薄膜传感振动膜还可实现在同一振动膜上具有n对压电传感单元，n为2到512。此时，需将下电极分割成n块，上电极相应分割成2n块。分割后每两块上电极公用一块分割下电极，将公用一块分割下电极的两块上电极下面的两块压电薄膜极化为相反方向，即使它们的压电常数符号相反。这样就构成n对串联传感单元。再将每对串联传感单元再串联起来就构成了具有n对压电传感单元的含有两个极化方向压电薄膜的传感振动膜。这种传感振动膜的灵敏度理论上是单一极化方向的压电传感器的2n倍。

Claims (10)

1.一种双极化分割电极式传感振动膜，由由下至上的支撑层(100)、下电极(101)、压电薄膜(102)和上电极组成；其特征在于，所述上电极包括相互分离的第一上电极(110)和第二上电极(111)，所述下电极(101)为公共下电极，所述压电薄膜(102)包括位于第一上电极(110)正下方的第一压电薄膜区域(108)，和位于第二上电极(111)正下方的第二压电薄膜区域(109)，所述第一压电薄膜区域(108)与第二压电薄膜区域(109)的极化方向相反，所述第一上电极(110)和第二上电极(111)分别作为整个振动膜的输入输出电极。

2.一种双极化分割电极式传感振动膜，由由下至上的支撑层(100)、下电极(101)、压电薄膜(102)和上电极组成；其特征在于，该双极化分割电极式传感振动膜具有n对压电传感单元，每对压电传感单元由第一上电极(110)、第二上电极(111)、第一压电薄膜区域(108)、第二压电薄膜区域(109)和公共下电极组成，所述第一压电薄膜区域(108)位于第一上电极(110)正下方，所述第二压电薄膜区域(109)位于第二上电极(111)正下方，所述第一压电薄膜区域(108)与第二压电薄膜区域(109)的极化方向相反；从第一对压电传感单元起，每一对压电传感单元的第二上电极(111)与下一个压电传感单元的第一上电极(110)电连接，直至第n对压电传感单元，将第一对压电传感单元的第一上电极(110)和第n对压电传感单元的第二上电极(111)分别作为整个振动膜的输入输出电极；所述n至少为2。

3.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述压电薄膜是锆钛酸铅或聚氟乙烯聚合物制作的压电薄膜。

4.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述压电薄膜的厚度在0.01um～300um之间。

5.按权利要求4所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述压电薄膜是单层薄膜或由多层薄膜组成。

6.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述支撑层是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。

7.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述支撑层厚度为0.01um～500um。

8.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述支撑层的形状是矩形或圆形。

9.按权利要求1或2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述第一压电薄膜区域与第二压电薄膜区域的极化方向相反是通过将极化电压正、负极分别加在所述第一上电极和第二上电极上进行极化而实现的。

10.按权利要求2所述的双极化分割电极式传感振动膜，其特征在于，所述n为2～512之间的整数。

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