一種環狀壓電式微加速度傳感器的製造方法

2023-05-27 11:04:41

一種環狀壓電式微加速度傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種環狀壓電式微加速度傳感器。所述的傳感器包括敏感晶片和上、下玻璃板；其中，敏感晶片包含兩個上電極、兩個下電極、兩個壓電層、支撐膜、外框、質量塊。所述的兩個下電極置於支撐膜之上，兩個壓電層置於下電極之上，兩個上電極置於壓電層之上。質量塊懸置於下電極之下並與支撐膜固定連接，構成敏感晶片的可動部分。電極、壓電層分別構成的圓環均與質量塊同圓心。所述的敏感晶片與上、下玻璃板分別通過鍵合連接。本發明的環狀壓電式微加速度傳感器的固有頻率為14.2KHz以上，靈敏度為0.23pC/g。
【專利說明】一種環狀壓電式微加速度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子機械系統領域，具體涉及一種環狀壓電式微加速度傳感器，具有萬向性，較高固有頻率和較好的抗衝擊特性。
【背景技術】
[0002]某些加速度傳感器需要在非常惡劣的環境下工作，如溫度、強衝擊、電磁幹擾、暴露於多種化學物質中。該類型加速度傳感器除需要在衝擊過載等惡劣的環境過程中能夠存活外，還要能正確接收衝擊的信號。所以研製高安全過載、高量程、高觸發靈敏度、抗幹擾、低功耗的加速度傳感器很有必要。壓電式加速度傳感器因其信噪比高，靈敏度高，響應頻帶寬，受外界幹擾小，結構簡單，壽命長，且無外部功能設備，在高衝擊應用中受到高度重視。
[0003]壓電式加速度傳感器的工作原理是利用材料的壓電效應，上下金屬電極之間沉積一層壓電層，通過懸臂梁或平面膜結構與下部質量塊連接。當傳感器受到力作用時，質量塊會產生偏移，同時壓電層會隨之發生變形，壓電層在發生應變的同時，將在上下兩個電極間產生電荷。利用適當的外圍電路將產生的電荷量轉換為電壓形式輸出，根據此信號的大小，測出衝擊力的大小，由牛頓第二定律得出加速度的值。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供一種環狀壓電式微加速度傳感器，使傳感器的固有頻率達到14kHz以上。對於高量程加速度傳感器，抗衝擊性是高量程加速度傳感器的重要的參數指標，結構採用圓形結構，可以解決在高衝擊下的強度問題。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的。
[0006]本發明的環狀壓電式微加速度傳感器，其特點是，所述的傳感器包括敏感晶片、上玻璃板、下玻璃板。其中，敏感晶片含有第一壓電層、第二壓電層、第一上電極、第二上電極、第一下電極、第二下電極、支撐膜、外框、圓柱狀的質量塊。所述的第二壓電層、第一壓電層由內外兩個圓環構成；第一上電極、第二上電極、第一下電極、第二下電極均為環狀。其連接關係是，所述的第一下電極、第二下電極設置於支撐膜上表面，並與支撐膜上表面固定連接。所述的第一壓電層、第二壓電層分別設置於第一下電極、第二下電極的上表面，並與第一下電極、第二下電極上表面固定連接。所述的第一上電極、第二上電極分別設置於第一壓電層、第二壓電層的上表面，並與第一壓電層、第二壓電層的上表面固定連接。所述的質量塊懸置於第一下電極、第二下電極之下，並與支撐膜固定連接；所述的支撐膜與外框固定連接。所述的敏感晶片與上玻璃板、下玻璃板分別對齊並通過鍵合連接。
[0007]所述的敏感晶片中的第一下電極與第一上電極直徑相同；第二下電極與第二上電極直徑相同。
[0008]所述的質量塊與第二下電極為同軸設置。
[0009]所述的第一壓電層、第二壓電層、第一下電極、第二下電極、第一上電極、第二上電極均為同軸設置。[0010]所述的第一壓電層外圓的直徑大於第一上電極外圓、第一下電極外圓的直徑；所述的第一壓電層I內圓的直徑小於第一上電極內圓、第一下電極內圓的直徑；所述的第二壓電層外圓的直徑大於第二上電極外圓、第二下電極外圓的直徑；所述的第二壓電層內圓的直徑小於第二上電極內圓、第二下電極內圓的直徑。
[0011]所述的圓柱狀質量塊表面圓的直徑大於第二上電極、第二下電極內圓的直徑。
[0012]本發明的環狀壓電式微加速度傳感器，當受到力作用時，質量塊相對基體運動導致壓電層發生變形，壓電材料變形的同時，在上下電極之間產生電荷，通過外圍檢測電路就可知道加速度的大小。
[0013]本發明的環狀壓電式微加速度傳感器的優點是:
1.本發明採用圓柱狀質量塊。由於採用圓柱狀質量塊，結構對稱，受到任何方向的力，壓電層都會發生形變，從而很好的解決觸發引信的萬向性問題。
[0014]2.質量塊的大小可以根 據靈敏度和頻響的需要進行調整。
[0015]3.整個支撐膜是一個平面結構。由於採用平面結構，相對於懸臂梁結構具有更強的抗衝擊能力；當受到橫向加速度時，也不會因為扭曲變形使梁斷裂。
[0016]4.環狀壓電層與懸臂梁結構的壓電層相比，具有更大的有效面積，產生更多的電荷量。
[0017]5.壓電層內外兩環狀結構可以根據靈敏度和頻響的需要對內外圓直徑大小進行調整，增大了設計的靈活性。
[0018]6.壓電層內外兩圓環部分不相連，提高電荷輸出量。由於從固支端到質量塊處徑向應力的符號相反，將兩個區域分開，使該兩個區域產生的電荷相互疊加而不是相互抵消。
[0019]7.質量塊與外框之間的支撐膜部分為一平面結構，使敏感晶片佔滿一個單元，(其厚度與傳感器的量程有關)，在工藝上會避免有很大難度的穿通、釋放懸臂梁結構的過程。因此重複性好。
[0020]8.本發明的環狀壓電式微加速度傳感器是由敏感晶片與上、下玻璃板鍵合在一起構成，該封裝工藝簡單，操作方便。
[0021]9.敏感晶片可動結構與上、下蓋板之間有適當的距離，一方面使敏感晶片的可動部分有足夠的運動間隙，另一方面在條件合適的時候可以調整阻尼係數，這樣保證了該器件工作頻帶較寬。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器分解圖；
圖2為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片結構示意圖；
圖3為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片俯視圖；
圖4為沿圖3 A-A剖線的剖面圖；
圖5為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片背面示意圖；
圖中，1.第一壓電層2.第二壓電層3.支撐膜4.第一上電極
5.第二上電極 6.第一下電極 7.第二下電極8.質量塊 9.下玻璃
10.上玻璃11.敏感晶片12.外框。【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0024]實施例1
圖1為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器分解圖，圖2為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片結構示意圖，圖3為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片俯視圖，圖4為沿圖3 A-A剖線的剖面圖，圖5為本發明的環狀壓電式微加速度傳感器中的敏感晶片背面示意圖。在圖1飛中，本發明的環狀壓電式微加速度傳感器，包括敏感晶片11、上玻璃板10、下玻璃板9 ;其中,敏感晶片含有第一壓電層1、第二壓電層2、第一上電極4、第二上電極5、第一下電極6、第二下電極7、支撐膜3、外框12、圓柱狀質量塊8 ;所述的第二壓電層2、第一壓電層I由內外兩個圓環構成；第一上電極4、第二上電極5、第一下電極6、第二下電極7均為環狀；其連接關係是，所述的第一下電極6、第二下電極7設置於支撐膜3上表面，並與支撐膜3上表面固定連接；所述的第一壓電層1、第二壓電層2分別設置於第一下電極6、第二下電極7的上表面,並與第一下電極6、第二下電極7上表面固定連接；所述的第一上電極4、第二上電極5分別設置於第一壓電層1、第二壓電層2的上表面，並與第一壓電層1、第二壓電層2的上表面固定連接；所述的質量塊8懸置於第一下電極6、第二下電極7之下，並與支撐膜3固定連接，構成敏感晶片的可動部分；所述的支撐膜3與外框12固定連接；所述的敏感晶片11與上玻璃板10、下玻璃板9分別對齊並通過鍵合連接。
[0025]所述的敏感晶片11中的第一下電極6與第一上電極4直徑相同，第二下電極7與第二上電極5直徑相同。
[0026]所述的質量塊8與第二下電極7為同軸設置。
[0027]所述的第一壓電層1、第二壓電層2、第一下電極6、第二下電極7、第一上電極4、第二上電極5均為同軸設置。
[0028]所述的第一壓電層I外圓的直徑比第一上電極4外圓、第一下電極6外圓的直徑大35 μ m ;所述的第一壓電層I內圓的直徑比第一上電極4內圓、第一下電極6內圓的直徑小35 μ m ;所述的第二壓電層2外圓的直徑比第二上電極5外圓、第二下電極7外圓的直徑大35 μ m ;所述的第二壓電層2內圓的直徑比第二上電極5內圓、第二下電極7內圓的直徑小 35 μ m0
[0029]所述的圓柱狀質量塊8表面圓的直徑比第二上電極5、第二下電極7內圓的直徑大25 μ m0
[0030]所述的第一壓電層I與第二壓電層2之間間隔為55 μ m。
[0031]所述的第一下電極6與第二下電極7之間間隔為90 μ m。
[0032]所述的第一上電極4與第二上電極5之間間隔為90 μ m。
[0033]所述的第一上電極4、第二上電極5與上玻璃板10之間的距離為80 μ m ;所述的質量塊8的下表面與下玻璃板9之間的距離為90 μ m。一方面使敏感晶片有足夠的運動間隙，另一方面在條件合適的時候可以調整阻尼係數。
[0034]本實施例中，敏感晶片長度為1800 μ m，寬度為1800 μ m，厚度為310 μ m ;質量塊上表面圓直徑為305 μ m,厚度為310 μ m ;外框厚度310 μ m,外框內部圓直徑為995 μ m ;支撐膜厚度10 μ m。本發明的傳感器固有頻率約為14.2kHz，靈敏度約0.23pC/g。[0035]實施例2
本實施例與實施例1的結構相同，不同之處是，所述的第一壓電層外圓的直徑比第一上電極外圓、第一下電極外圓的直徑大45 μπι;所述的第一壓電層內圓的直徑比第一上電極內圓、第一下電極內圓的直徑小45μπι;第二壓電層外圓的直徑比第二上電極外圓、第二下電極外圓的直徑大45 μ m;第二壓電層內圓的直徑比第二上電極內圓、第二下電極內圓的直徑小45μπι;圓柱狀質量塊表面圓的直徑比第二上電極、第二下電極內圓的直徑大15 μ m;第一壓電層與第二壓電層之間間隔為50 μ m;第一下電極與第二下電極之間間隔為95 μ m ;第一上電極與第二上電極之間間隔為95 μ m ;第一上電極、第二上電極與上玻璃板之間的距離為100 μ m ;質量塊的下表面與下玻璃板之間的距離為110 μ m ;質量塊上表面圓直徑為300 μ m ;外框內部圓直徑為1000 μ m ;支撐膜厚度50 μ m。本發明的傳感器固有頻率約為17.6kHz，靈敏度約0.18pC/g。
[0036]實施例3
本實施例與實施例1的結構相同，不同之處是，所述的第一壓電層外圓的直徑比第一上電極外圓、第一下電極外圓的直徑大40 μπι;所述的第一壓電層內圓的直徑比第一上電極內圓、第一下電極內圓的直徑小40μπι;第二壓電層外圓的直徑比第二上電極外圓、第二下電極外圓的直徑大40 μ m;第二壓電層內圓的直徑比第二上電極內圓、第二下電極內圓的直徑小40 μ m ;圓柱狀質量塊表面圓的直徑比第二上電極、第二下電極內圓的直徑大22 μ m;第一壓電層與第二壓電層之間間隔為53 μ m;第一下電極與第二下電極之間間隔為93 μ m ;第一上電極與第二上電極之間間隔為93 μ m ;第一上電極、第二上電極與上玻璃板之間的距離為90 μ m ;質量塊的下表面與下玻璃板之間的距離為100 μ m ;質量塊上表面圓直徑為304 μ m ;外框內部圓直徑為996 μ m ;支撐膜厚度25 μ m。本發明的傳感器固有頻率約為15.8kHz，靈敏度約0.2pC/g。
[0037]本發明絕非僅局限於實施例。
【權利要求】
1.一種環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的傳感器包括敏感晶片(11)、上玻璃板(10)、下玻璃板(9);其中，敏感晶片(11)含有第一壓電層(I)、第二壓電層(2)、第一上電極(4)、第二上電極(5)、第一下電極(6)、第二下電極(7)、支撐膜(3)、外框(12)、圓柱狀的質量塊(8);所述的第二壓電層(2)、第一壓電層(I)由內外兩個圓環構成；第一上電極(4)、第二上電極(5)、第一下電極(6)、第二下電極(7)均為環狀；其連接關係是，所述的第一下電極(6)、第二下電極(7)設置於支撐膜(3)上表面，並與支撐膜(3)上表面固定連接；所述的第一壓電層(I)、第二壓電層(2)分別設置於第一下電極(6)、第二下電極(7)的上表面，並與第一下電極(6)、第二下電極(7)的上表面固定連接；所述的第一上電極(4)、第二上電極(5)分別設置於第一壓電層(I)、第二壓電層(2)的上表面，並與第一壓電層(1)、第二壓電層(2)的上表面固定連接；所述的質量塊(8)懸置於第一下電極(6)、第二下電極(7)之下，並與支撐膜(3)固定連接；所述的支撐膜(3)與外框(12)固定連接；所述的敏感晶片(11)與上玻璃板(10)、下玻璃板(9)分別通過鍵合連接。
2.根據權利要求1所述的環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的敏感晶片 (11)中的第一下電極(6)與第一上電極(4)直徑相同,第二下電極(7)與第二上電極(5)直徑相同。
3.根據權利要求1所述的環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的質量塊(8)與第二下電極(7)為同軸設置。
4.根據權利要求1所述的環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的第一壓電層(I)、第二壓電層(2)、第一下電極(6)、第二下電極(7)、第一上電極(4)、第二上電極(5)均為同軸設置。
5.根據權利要求1所述的環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的第一壓電層(I)外圓的直徑大於第一上電極(4)外圓、第一下電極(6)外圓的直徑；所述的第一壓電層(I)內圓的直徑小於第一上電極(4)內圓、第一下電極6內圓的直徑；所述的第二壓電層(2)外圓的直徑大於第二上電極(5)外圓、第二下電極(7)外圓的直徑；所述的第二壓電層(2)內圓的直徑小於第二上電極(5)內圓、第二下電極(7)內圓的直徑。
6.根據權利要求1所述的環狀壓電式微加速度傳感器，其特徵在於:所述的圓柱狀質量塊(8)表面圓的直徑大於第二上電極(5)、第二下電極(7)內圓的直徑。
【文檔編號】G01P15/09GK103604949SQ201310582637
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】孫遠程, 姚明秋, 蘇偉, 唐彬, 陶逢剛, 曲兵兵 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所