一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片及其制备方法
本发明涉及微纳制造与先进传感芯片领域，具体涉及一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片及其制备方法。
背景技术：
1、振动是工程装备运行监测的关键参量，不必要的振动会导致系统或关键部件的加速老化和疲劳，甚至缩短其使用寿命。振动监测在大型装备中的作用主要包括以下几个方面：1、预防性维护，2、故障诊断，3、提高安全性，4、增加设备可靠性。
2、目前常见的mems振动传感器的原理分为：电容式、电阻式和压电式。mems电容式振动传感器噪声低且高温稳定性好，但存在易受到电磁干扰、检测电路复杂、可用带宽窄等缺陷。mems压阻式振动传感器结构简单、制造工艺容易，但其对温度变化敏感、抗干扰能力较差，且存在显著的初始零漂和温漂，滞后效应显著。与前两者相比，mems压电式振动传感器具有线性度高、鲁棒性好、带宽大等优点，特别地，mems压电式振动传感器是一种无源器件，能耗低，可以与无线通信模块集成，从而实现远程振动监测，具有极高的应用价值。
3、然而，针对某些大型装备运行工况存在噪声等测量需求，国内mems压电式加速度传感器产品在灵敏度方面与国外技术相比仍存在较大差距。鉴于此，亟需开发一种新型的高灵敏度mems压电式振动传感芯片。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提出一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片及其制备方法，实现在噪声影响显著的工作状况下，对设备振动状况的测量。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，包括依次连接的硅基底、绝缘层、下电极层、压电材料层、电极层和钝化层，贯穿所述硅基底、绝缘层、下电极层、压电材料层、电极层和钝化层设有若干通孔，所述若干通孔将绝缘层、下电极层、压电材料层、电极层和钝化层划分为位于中心区域的中心区域、位于中心区域外围的边缘区域、以及位于中心区域与边缘区域之间的若干悬臂梁结构，若干悬臂梁结构呈中心对称分布，每个悬臂梁结构呈沙漏型，悬臂梁结构的外端与边缘区域连接，悬臂梁结构的内端与中心区域连接；硅基底上与中心区域相对的位置的部分作为质量块，硅基底上与悬臂梁结构相对的位置设为空白区域；
4、电极层上在悬臂梁结构腰部对应的位置设有间隙，间隙将电极层分隔为外电极和内电极，外电极位于内电极的外围；
5、钝化层表面设有与内电极相连的内电极电路、与外电极相连的外电极电路和与下电极层相连的下电极电路。
6、优选的，压电材料层材料采用氮化铝钪。
7、优选的，所述氮化铝钪通过在氮化铝中掺杂钪元素的方法制备而成，其中，掺钪量为氮化铝质量的10％～30％。
8、优选的，悬臂梁结构的形状为两个全等的等腰梯形上底相接组成的图形；
9、电极层中，间隙沿着两个全等的等腰梯形的上底设置。
10、优选的，所述沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片整体形状呈矩形，中心区域形状为正六边形，中心区域的一组对边与沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片整体的一组对边平行，中心区域的每条边对应连接一个悬臂梁结构，质量块的形状为与中心区域大小相同的六边形。
11、优选的，质量块的端面内凹入硅基底的表面内(以图4中的步骤g为例，该图中，最底层硅衬底中间的部位为质量块，两侧的部分为边缘区域，质量块的端面内凹入硅基底的表面内指的是硅衬底中间的部位的下端面高于边缘区域的下表面，整体来看，质量块的端面是内凹入硅基底的硅衬底的表面内)，凹入的距离不超过0.25μm(即硅衬底中间的部位的厚度比两侧的边缘区域的厚度小且差值不超过0.25μm)。
12、优选的，绝缘层材料采用二氧化硅，钝化层材料采用二氧化硅。
13、优选的，间隙的宽度为10～25μm，使压电材料层工作于d31模式。
14、优选的，所述硅基底包括依次连接的上层硅、埋氧层和硅衬底，所述绝缘层设置于上层硅的表面，其中，质量块设置在硅衬底，上层硅和埋氧层与绝缘层的形状相同。
15、本发明如上所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片的制备方法，包括如下过程：
16、在硅基底表面依次制备绝缘层、下电极层、压电材料层和电极层；
17、对电极层图案化，使电极层上形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构以及间隙；
18、在图案化后的电极层表面制备钝化层；
19、刻蚀钝化层，使钝化层图案化，在钝化层形成第一引线孔和第二引线孔，其中，第一引线孔延伸至电极层，电极层的外电极和内电极各自对应有第一引线孔，第二引线孔延伸至压电材料层；
20、刻蚀压电材料层上第二引线孔对应的区域，使第二引线孔延伸至下电极层；
21、再刻蚀压电材料层，使压电材料层图案化，在压电材料层形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构；
22、采用磁控溅射工艺沉积内电极电路、外电极电路和下电极电路；
23、刻蚀钝化层并图案化，在钝化层形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构；
24、刻蚀压电材料层、下电极层和绝缘层，使压电材料层、下电极层和绝缘层依次图案化，在压电材料层形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构，在下电极层形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构，在绝缘层形成中心区域、边缘区域、悬臂梁结构；
25、刻蚀硅基底，释放出质量块和悬臂梁结构，得到所述沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片。
26、本发明具有如下有益效果：
27、本发明沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片中，每个悬臂梁结构呈沙漏型，因此，压电材料层在悬臂梁结构的腰部容易形成应力集中，从而有利于提升本发明压电式振动传感芯片的灵敏度，实现强干扰环境下的高信噪比输出。
技术特征：
1.一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，包括依次连接的硅基底、绝缘层(5)、下电极层(6)、压电材料层(7)、电极层(8)和钝化层(9)，贯穿所述硅基底、绝缘层(5)、下电极层(6)、压电材料层(7)、电极层(8)和钝化层(9)设有若干通孔(13)，所述若干通孔(13)将绝缘层(5)、下电极层(6)、压电材料层(7)、电极层(8)和钝化层(9)划分为位于中心区域的中心区域(18)、位于中心区域(18)外围的边缘区域(19)、以及位于中心区域(18)与边缘区域(19)之间的若干悬臂梁结构(14)，若干悬臂梁结构(14)呈中心对称分布，每个悬臂梁结构(14)呈沙漏型，悬臂梁结构(14)的外端与边缘区域(19)连接，悬臂梁结构(14)的内端与中心区域(18)连接；硅基底上与中心区域(18)相对的位置的部分作为质量块(1)，硅基底上与悬臂梁结构(14)相对的位置设为空白区域；
2.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，压电材料层(7)材料采用氮化铝钪。
3.根据权利要求2所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，所述氮化铝钪通过在氮化铝中掺杂钪元素的方法制备而成，其中，掺钪量为氮化铝质量的10％～30％。
4.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，悬臂梁结构(14)的形状为两个全等的等腰梯形上底相接组成的图形；
5.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，所述沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片整体形状呈矩形，中心区域(18)形状为正六边形，中心区域(18)的一组对边与沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片整体的一组对边平行，中心区域(18)的每条边对应连接一个悬臂梁结构(14)，质量块(1)的形状为与中心区域(18)大小相同的六边形。
6.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，质量块(1)的端面内凹入硅基底的表面内，凹入的距离大小不超过0.25μm。
7.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，绝缘层(5)材料采用二氧化硅，钝化层(9)材料采用二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，间隙(8-3)的宽度为10～25μm，使压电材料层(7)工作于d31模式。
9.根据权利要求1所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片，其特征在于，所述硅基底包括依次连接的上层硅(4)、埋氧层(3)和硅衬底(2)，所述绝缘层(5)设置于上层硅(4)的表面，其中，质量块(1)设置在硅衬底(2)，上层硅(4)和埋氧层(3)与绝缘层(5)的形状相同。
10.权利要求1-9任意一项所述的沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
技术总结
本发明涉及微纳制造与先进传感芯片领域，公开了一种沙漏形悬臂梁结构的高灵敏压电式振动传感芯片及其制备方法，贯穿硅基底、绝缘层、下电极层、压电材料层、电极层和钝化层设有若干通孔，并形成有中心区域、边缘区域和若干沙漏型的悬臂梁结构，若干悬臂梁结构呈中心对称分布；硅基底上与中心区域相对的位置的部分作为质量块，与悬臂梁结构相对的位置设为空白区域；电极层上在悬臂梁结构腰部对应的位置设有间隙，间隙将电极层分隔为外电极和内电极，外电极位于内电极的外围；钝化层表面设有与内电极相连的内电极电路、与外电极相连的外电极电路和与下电极层相连的下电极电路。本发明能够实现在噪声影响显著的工作状况下，对设备振动状况的测量。
技术研发人员：罗国希,薛冲,娄冲,欧阳双如,贾增,赵立波
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23