一种压电式MEMS传感器制造技术

本申请公开了一种压电式MEMS传感器，包括：衬底，具有空腔；振动支撑层，形成在衬底上方并且覆盖空腔；下电极层，形成在振动支撑层上方；压电层，形成在下电极层上方；上电极层，具有沟槽并且沟槽将上电极层分割成中心电极层和外环电极层；其中，在第一种情形下，中心电极层的第一焊盘用于输出第一电信号，外环电极层的第二焊盘接地，以对由压电式MEMS传感器的热释电效应所产生的电压进行补偿；或者，在第二种情形下，中心电极层的第一焊盘用于输出第二电信号，外环电极层的第二焊盘用于输出第三电信号，下电极层接地。该压电式MEMS传感器有效地消除了由于热释电效应所产生的电压，并提高了压力差所产生的输出电压。高了压力差所产生的输出电压。高了压力差所产生的输出电压。

【技术实现步骤摘要】
一种压电式MEMS传感器


[0001]本申请涉及传感器
，具体来说，涉及一种压电式MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，即微机电系统的简称)传感器。

技术介绍

[0002]电子烟是一种模仿卷烟的电子产品，原理是将液态烟油加热产生雾状气溶胶并吸入口中来模仿吸食真烟的效果。由于电子烟中没有一氧化碳和焦油等主要有害物质，所以危害要远小于真实香烟，因此受到越来越多戒烟者以及年轻人的喜爱。当吸烟者使用电子烟时，烟气通道内会产生一定程度的负压，从而导致压力传感器薄膜变形来输出电信号，使电子烟开始工作，当不再有吸烟动作时，电子烟关闭。目前电子烟里的压力传感器基本采用的都是电容式的，但是施加到上面的压力差与电容变化量是非线性的。并且由于振膜和背板之间的间隙很小，所以会产生很大的阻尼，导致响应时间变慢。相对而言采用压电式压力传感器具有响应时间快、线性度高的优点。但是压电材料在非等温条件下具有热释电效应，因此仅限于在温度变化率很小的环境中工作。电子烟在工作状态时，其中的电子元器件会发热，会导致传感器在短时间内产生温度变化，从而导致热释电效应。热释电效应的输出信号会干扰由压力差所产生的输出信号，从而造成误触发，影响电子烟的使用体验。

技术实现思路

[0003]针对相关技术中的问题，本专利技术提出了一种压电式MEMS传感器，可以有效补偿热释电效应所产生的电压。
[0004]本申请的技术方案是这样实现的：
[0005]根据本申请的一个方面，提供了一种压电式MEMS传感器，包括：
[0006]衬底，具有空腔；
[0007]振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；
[0008]下电极层，形成在所述振动支撑层上方；
[0009]压电层，形成在所述下电极层上方；
[0010]上电极层，具有沟槽并且所述沟槽将所述上电极层分割成中心电极层和外环电极层，其中，所述下电极层、所述压电层和所述上电极层构成压电功能层；
[0011]其中，在第一种情形下，所述中心电极层的第一焊盘用于输出第一电信号，所述外环电极层的第二焊盘接地，以对由所述压电式MEMS传感器的热释电效应所产生的电压进行补偿；
[0012]或者，在第二种情形下，所述中心电极层的所述第一焊盘用于输出第二电信号，所述外环电极层的所述第二焊盘用于输出第三电信号，所述下电极层接地，以实现以差分输出电压的方式对由所述压电式MEMS传感器的所述热释电效应所产生的电压进行补偿。
[0013]其中，所述热释电效应所产生的电压包括：
[0014]一级热释电效应的电压，即由温度变化直接导致极化强度的变化而产生电势差：
[0015]二级热释电效应的电压，即由温度变化导致材料变形，再通过压电效应产生电势差:
[0016]所述热释电效应所产生的总电压等于所述一级热释电效应的电压与所述二级热释电效应的电压的代数和；
[0017]其中，P、d
31
、ε为所述压电层的热释电系数、压电系数、介电常数，A、t为所述压电功能层的面积和厚度，ΔT、σ为温度变化量以及温度变化引起的面内热应力。
[0018]其中，所述压电功能层的直径小于10mm，厚度是0.1至10μm，所述压电功能层的导热系数大于0.1W/(m
·
K)，所述压电功能层的中心到边缘的温度差小于10℃。
[0019]其中，优选的，所述压电功能层的直径小于2mm，所述压电功能层的导热系数大于1W/(m
·
K)，所述压电功能层的中心到边缘的温度差小于1℃。
[0020]其中，所述沟槽到所述压电功能层的中心的距离r，其中，R是所述压电功能层的中心至边缘的距离。
[0021]其中，所述振动支撑层和所述压电功能层的中性面设置在所述压电层和所述振动支撑层的界面处，以使得所述压电层的厚度方向上的面内应力同号，所述压电层的厚度和所述振动支撑层的厚度关系为：其中E
p
、h
p
、E
s
、h
s
分别代表所述压电层和所述振动支撑层的杨氏模量和厚度。
[0022]其中，所述压电式MEMS传感器应用于电子烟的开关，所述压电式MEMS传感器的最大的工作温度范围是
‑
40℃至125℃，温升最大变化率为20℃/s。
[0023]其中，所述压电式MEMS传感器的工作温度范围是0至90℃，温升最大变化率为5℃/s。
[0024]其中，在所述第一种情形下，第一外部电路模块接收所述第一电信号，经阻抗匹配之后将电压或电荷放大，然后将放大信号输出至第一信号处理单元，所述第一信号处理单元分析所述放大信号后控制加热丝的开启或关断。
[0025]其中，在所述第二种情形下，第二外部电路模块接收所述第二电信号和所述第三电信号，经阻抗匹配之后将电压或电荷放大，然后将放大信号输出至第二信号处理单元，所述第二信号处理单元分析所述放大信号后控制加热丝的开启或关断。
[0026]其中，在所述第一种情形下，所述外环电极层向边缘延伸出所述第二焊盘，所述外环电极层具有径向开口，所述中心电极层经所述径向开口向边缘延伸出所述第一焊盘，所述第一焊盘和所述第二焊盘均位于所述压电层上方。
[0027]其中，在所述第二种情形下，所述外环电极层向边缘延伸出所述第二焊盘，所述外环电极层具有径向开口，所述中心电极层经所述径向开口向边缘延伸出所述第一焊盘，所述第一焊盘和所述第二焊盘均位于所述压电层上方，所述下电极层向边缘延伸出第三焊盘，所述第三焊盘接地，并且所述第三焊盘位于露出的所述振动支撑层的上方。
[0028]以上的压电式MEMS传感器有效地消除了由于热释电效应所产生的电压，并提高了
压力差所产生的输出电压。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1示出了根据一些实施例提供的压电式MEMS传感器的立体图；
[0031]图2示出了根据一些实施例提供的压电式MEMS传感器的俯视图；
[0032]图3示出了根据一些实施例提供的压电式MEMS传感器的截面图；
[0033]图4示出了根据一些实施例提供的串联电压等效电路模图；
[0034]图5示出了根据一些实施例提供的压电式MEMS传感器的立体图；
[0035]图6示出了根据一些实施例提供的差分电压等效电路图；
[0036]图7示出了根据一些实施例提供的压电层的中间面上的径向与切向应力之和归一化分布示意图。
具体实施方式
[0037]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电式MEMS传感器，其特征在于，包括：衬底，具有空腔；振动支撑层，形成在所述衬底上方并且覆盖所述空腔；下电极层，形成在所述振动支撑层上方；压电层，形成在所述下电极层上方；上电极层，具有沟槽并且所述沟槽将所述上电极层分割成中心电极层和外环电极层，其中，所述下电极层、所述压电层和所述上电极层构成压电功能层；其中，在第一种情形下，所述中心电极层的第一焊盘用于输出第一电信号，所述外环电极层的第二焊盘接地，以对由所述压电式MEMS传感器的热释电效应所产生的电压进行补偿；或者，在第二种情形下，所述中心电极层的所述第一焊盘用于输出第二电信号，所述外环电极层的所述第二焊盘用于输出第三电信号，所述下电极层接地，以实现以差分输出电压的方式对由所述压电式MEMS传感器的所述热释电效应所产生的电压进行补偿。2.根据权利要求1所述的压电式MEMS传感器，其特征在于，所述热释电效应所产生的电压包括：一级热释电效应的电压，即由温度变化直接导致极化强度的变化而产生电势差：二级热释电效应的电压，即由温度变化导致材料变形，再通过压电效应产生电势差:所述热释电效应所产生的总电压等于所述一级热释电效应的电压与所述二级热释电效应的电压的代数和；其中，P、d
31
、ε为所述压电层的热释电系数、压电系数、介电常数，A、t为所述压电功能层的面积和厚度，ΔT、σ为温度变化量以及温度变化引起的面内热应力。3.根据权利要求2所述的压电式MEMS传感器，其特征在于，所述压电功能层的直径小于10mm，厚度是0.1至10μm，所述压电功能层的导热系数大于0.1W/(m
·
K)，所述压电功能层的中心到边缘的温度差小于10℃。4.根据权利要求3所述的压电式MEMS传感器，其特征在于，优选的，所述压电功能层的直径小于2mm，所述压电功能层的导热系数大于1W/(m
·
K)，所述压电功能层的中心到边缘的温度差小于1℃。5.根据权利要求1所述的压电式MEMS传感器，其特征在于，所述沟槽到所述压电功能层的中心的距离r，其中，R是所述压电功能层的中心至边缘的距离。6.根据权利要求1所述的压电式MEMS传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘端，
申请(专利权)人：安徽奥飞声学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：