一种高灵敏度的振动传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A vibration sensor with high sensitivity

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的振动传感器
本专利技术涉及到MEMS压电器件领域，特别是涉及一种高灵敏度的振动传感器。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。本专利技术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。本专利技术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。由于压本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙成亮，胡博豪，吴志鹏，王磊，林炳辉，朱伟，占惠花，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42