CN105300573B - 一种梁膜结构压电传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梁膜结构压电传感器及其制作方法，由十字梁和四个敏感应力薄膜组成，十字梁上布置了四个压电片，压电片的电压由上、下电极引出，上、下电极与焊盘相连，其制作方法是通过硅各项异性湿法刻蚀得到硅基底中的腔体及平膜片结构，正面光刻并刻蚀形成十字梁及四个方膜片结构，正面光刻、显影，溅射、正胶剥离，形成Ti‑Pt下电极金属层，采用改性的溶胶‑凝胶法工艺及湿法工艺在Ti‑Pt电极上制备PZT‑5H薄膜层，在正面光刻、显影、溅射、正胶剥离，形成Pt下电极金属层，在硅片基底的背面粘结硼玻璃，最后得到传感器。本发明具有更好的灵敏度、更低的挠度，同时拥有频带宽、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。

Description

一种梁膜结构压电传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种梁膜结构压电传感器及其制作方法。

背景技术

现阶段，微机电系统MEMS微传感器得到广泛应用并获得了巨大成功，人们对之期望越来越高，希望通过微机电系统MEMS技术实现人类对各种物理世界所提供的信息进行感知。就压阻式压力传感器来说，其小尺寸、良好的输入输出线性关系、工艺成熟等优点，已经被广泛应用于汽车、移动电话及医疗器械等领域。相比较电容式的复杂集成电路，压阻式压力传感器只集成了一个简单的惠斯通电桥来获取信号，并且作为敏感元件的材料硅，其加工成本要远低于谐振式压力传感器所采用的昂贵石英，并且它性能的提高也通过压力传感器结构的改进而有所突破。从平膜结构到岛膜结构再到梁膜结构，这些结构的改进都是以提高传感器的性能为目的，但是各种结构都有不同程度的优缺点。

平膜结构应用普遍，但当采用平膜结构时膜片薄，承压面发生拉伸变形产生较大的挠度，从而机械性能的非线性明显变大；岛膜结构厚度有下限限制，应力集中区由背面岛的位置、硅片厚度与腐蚀深度等因素决定，难以精确的控制，硬心的质量容易受加速度信号的干扰而影响信号输出。

压阻传感器受温度影响较大，应进行温度补偿，而且信噪比不高。压阻式传感器在制作时要在半导体材料的基片上进行扩散电阻，同时在基片内接成电桥形式，工艺较复杂。

发明内容

为了克服上述技术现有的缺点，本发明的目的在于提出一种梁膜结构压电传感器及制作方法。使其在具有高灵敏度的同时，拥有更低的挠度，同时使其具有宽频带、高信噪比、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

梁膜结构压电传感器，包括硅质基底，硅质基底的背面与硼玻璃键合，硅质基底中间是由十字梁和敏感应力薄膜组成。其特征在于十字梁附于敏感应力薄膜上，敏感应力薄膜被均匀分割成四个部分，硼玻璃与敏感应力薄膜下底面预留有工作间隙。

十字梁四边布置有四个压电片，四个压电片成对称布置，且位于十字梁边缘中心处，压电片的下表面是下电极，上表面为上电极，上、下电极与焊盘相连。

所述的上、下电极和焊盘采用Ti-Pt多层金属引线。

十字梁的长度、厚度、宽度尺寸均相同。

梁膜结构压电传感器的制作方法，包括如下步骤：

a)使用氢氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，[100]晶向；

b)清洗后脱水烘干，在900-1200℃环境下对n型硅片进行双面高温氧化获得二氧化硅电绝缘层，同时也是在表面微加工中用作硅的牺牲层掩膜；

c)在硅晶圆的底面采用四甲基氢氧化铵溶液湿法各向异性刻蚀，光刻背面形成腐蚀区域，刻蚀掉腐蚀区域的氮化硅和氧化硅，利用湿法刻蚀掉背面，在正面形成薄膜结构；

d)在正面进行光刻，形成刻蚀图案，通过感应耦合等离子体刻蚀方法在正面刻蚀掉所需薄膜区域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四个敏感应力薄膜结构；

e)在正面凃剥离胶，用下电极光刻板光刻、显影，形成Ti-Pt下电极图形，溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层，作为下电极；

f)采用改性的溶胶-凝胶法工艺在Ti-Pt下电极上制备PZT-5H薄膜层，采用光刻板作为掩膜，采用湿法对未结晶的PZT薄膜层进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理，形成压电片；

g)在正面凃剥离胶，用上电极光刻板光刻、显影，形成上电极图形，溅射、正胶剥离，形成Pt金属层，作为上电极；

h)最后经过划片将所设计的具有梁膜结构微传感器从硅片上得到梁膜结构压电传感器。

本发明所述的梁膜结构压电传感器具有更好的灵敏度、更低的挠度，在动态环境下频响响应好。同时拥有频带宽、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等优点。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图。

图2为本发明传感器的正面视图。

图3为本发明A-A截面示意图。

图4为本发明传感器的工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行更为详细说明。

参照附图所示，一种梁膜结构压电传感器，包括硅质基底1，硅质基底1的背面与硼玻璃4键合，硅质基底1中间的十字梁5将敏感应力薄膜2均匀分成四份，十字梁5附在敏感应力薄膜2的上表面，硼玻璃4与敏感应力薄膜2下底面预留有工作间隙以保证敏感应力薄膜2在传感器正常工作时能够始终悬空，而在某些过载环境中其下底面能够与硼玻璃4接触，防止过载破坏传感器。

在十字梁5四周布置压电片3，以实现压电片的串并联来增加信号输出。压电片3成对称布置，且位于十字梁5边缘中心处，压电片的下表面是下电极6，上表面为上电极9，上电极9与焊盘7相连，下电极6与焊盘8相连，焊盘分布在传感器两侧，方便进行串、并联连接。

所述的上电极9、下电极6、焊盘7、焊盘8使用Ti-Pt多层金属引线。

十字梁5长度、宽度、厚度均相同。

四个敏感应力薄膜2大小相同。

本发明的工作原理为：

本发明基于压电效应的工作原理，压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

每个晶体单元中，具有3个硅离子和6个氧离子，氧离子是成对的，构成六边的形状，在没有外力作用时，电荷相互平衡，外部没有带电现象，但在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，分为纵向压电效应、横向压电效应和切向压电效应。

纵向压电效应：沿x轴施加作用力，电荷出现在与x轴垂直的表面上，其产生的电荷量为q_x＝d₁₁×F_x，

q_x：电荷量，d₁₁：纵向压电常数，F_x：作用力横向压电效应：沿y轴施加作用力，电荷出现在与x轴垂直的表面上，其产生的电荷量为

其中，d₁₂：横向压电系数；F_y：作用力；

S_x、S_y：分别为与x轴、y轴相垂直面面积；

a：x轴方向厚度；b：y轴方向厚度；

压电式传感器主要是运用纵向压电效应。

当传感器受到某一力作用时，该力作用于敏感应力薄膜2及十字梁5上，由于传感器四周固结，致使其产生一定的变形，十字梁5上因为变形其内部产生一定的应力。压电片附在十字梁5四个边缘处，由于十字梁5的变形，压电片形状亦随之变化，从而产生纵向压电效应。由于压电片电压与变形成正比，变形与外加力成正比，因此，压电片电压与传感器所受外力成正比。传感器实现了将物理量的力转换为便于采集与测量的电信号。

梁膜结构压电传感器的制作方法，包括如下步骤：

a)使用氢氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，[100]晶向；

b)清洗后脱水烘干，在900-1200℃环境下对n型硅片进行双面高温氧化获得二氧化硅电绝缘层，同时也是在表面微加工中用作硅的牺牲层掩膜；

c)在硅晶圆的底面采用四甲基氢氧化铵溶液湿法各向异性刻蚀，光刻背面形成腐蚀区域，刻蚀掉腐蚀区域的氮化硅和氧化硅，利用湿法刻蚀掉背面，在正面形成薄膜结构；

d)在正面进行光刻，形成刻蚀图案，通过感应耦合等离子体刻蚀方法在正面刻蚀掉所需薄膜区域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四个敏感应力薄膜结构；

e)在正面凃剥离胶，用下电极光刻板光刻、显影，形成Ti-Pt下电极图形，溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层，作为下电极；

f)采用改性的溶胶-凝胶法工艺在Ti-Pt下电极上制备PZT-5H薄膜层，采用光刻板作为掩膜，采用湿法对未结晶的PZT薄膜层进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理，形成压电片；

g)在正面凃剥离胶，用上电极光刻板光刻、显影，形成上电极图形，溅射、正胶剥离，形成Pt金属层，作为上电极；

h)最后经过划片将所设计的具有梁膜结构微传感器从硅片上得到梁膜结构压电传感器。

下面对梁膜结构和平膜结构进行灵敏度、挠度、膜态分析(加载压力10kPa，尺寸2900um×2900um×20um)，结果如下表1：

表1字梁膜结构和平膜结构分析比较

下面对梁膜结构和岛膜结构进行灵敏度、挠度、膜态分析(最大应力输出66.6MPa，尺寸2900um×2900um×20um)，结果如下表2：

表2梁膜结构和岛膜结构分析比较

对于传感器来说，挠度越小，最大应力输出越大，谐振频率越大，传感器性能越好。在相同载荷下，梁膜结构比平膜结构具有更大的应力输出、更小的挠度和更大的谐振频率。在最大应力输出相同的情况下，梁膜结构比岛膜结构具有更小的挠度和更大的谐振频率。

下面对压电传感器与压阻传感器进行比较。

压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件，其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出，其低频响应优良。

压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成，只需在基片上镀一层压电材料即可，同时其具有优越的高频响应。

压阻传感器在制作电桥时，工艺复杂、结构复杂，且受温度影响大，适合低频测量。而对于压电传感器，它频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻，高频响应好。

Claims (4)

1.一种梁膜结构压电传感器，包括硅质基底(1)，硅质基底(1)的背面与硼玻璃(4)键合，其特征在于，硅质基底(1)中间是由十字梁(5)和敏感应力薄膜(2)组成，十字梁(5)附于敏感应力薄膜(2)上，敏感应力薄膜(2)被均匀分割成四个部分，硼玻璃(4)与敏感应力薄膜(2)下底面预留有工作间隙，十字梁(5)四边布置有四个压电片(3)，压电片成对称布置，且位于十字梁(5)边缘中心处，压电片(3)的下表面是下电极(6)，上表面为上电极(9)，上电极(9)与焊盘(7)相连，下电极(6)与焊盘(8)相连，焊盘分布在传感器两侧，方便进行串、并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种梁膜结构压电传感器，其特征在于：所述的上电极(9)、下电极(6)、焊盘(7)、焊盘(8)采用Ti-Pt多层金属引线。

3.根据权利要求1所述的一种梁膜结构压电传感器，其特征在于：十字梁(5)的长度、厚度、宽度尺寸均相同。

4.一种梁膜结构压电传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)使用氢氟HF酸溶液，清洗硅片，硅片为n型，[100]晶向；

b)清洗后脱水烘干，在900-1200℃环境下对n型硅片进行双面高温氧化获得二氧化硅电绝缘层，同时也是在表面微加工中用作硅的牺牲层掩膜；

c)在硅晶圆的底面采用四甲基氢氧化铵溶液湿法各向异性刻蚀，光刻背面形成腐蚀区域，刻蚀掉腐蚀区域的氮化硅和氧化硅，利用湿法刻蚀掉背面，在正面形成薄膜结构；

d)在正面进行光刻，形成刻蚀图案，通过感应耦合等离子体刻蚀方法在正面刻蚀掉所需薄膜区域的氮化硅、氧化硅形成十字梁和四个敏感应力薄膜结构；

e)在正面凃剥离胶，用下电极光刻板光刻、显影，形成Ti-Pt下电极图形，溅射、正胶剥离，形成Ti-Pt金属层，作为下电极；

f)采用改性的溶胶-凝胶法工艺在Ti-Pt下电极上制备PZT-5H薄膜层，采用光刻板作为掩膜，采用湿法对未结晶的PZT薄膜层进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶处理，形成压电片；

g)在正面凃剥离胶，用上电极光刻板光刻、显影，形成上电极图形，溅射、正胶剥离，形成Pt金属层，作为上电极；

h)最后经过划片将所设计的具有梁膜结构微传感器从硅片上得到梁膜结构压电传感器。