CN104280568A - 抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法，所述压电加速度传感器包括支撑层及压电层，所述压电层朝向所述支撑层的一侧制作沟槽，以形成朝向支撑层的支撑块及质量块，所述支撑块用于与所述支撑层连接，以将所述压电层固定，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变，所述悬臂梁的上下两侧设置有上电极及下电极，以将所述悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置。本发明的优点在于，能够提高压电加速度传感器的抗高过载性能。

Description

抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及压电MEMS加速度传感器领域，尤其涉及一种抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法。

背景技术

加速度传感器是一种惯性传感器，可以测量物体的加速度。加速度是指物体在加速过程中速度的变化量。目前，加速度传感器广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。近三十年的MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器（如压力传感器，加速度计，陀螺仪等）的微型化和低成本。MEMS加速度传感器就是采用MEMS技术制造的加速度传感器。由于采用了微机电系统技术，一个MEMS加速度传感器只有指甲盖的几分之一大小。MEMS加速度传感器具有体积小、重量轻、耗能低等优点。

MEMS加速度传感器主要分为三种：电容式、热感式以及压电式。

电容式MEMS加速度传感器内部存在一个质量块。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。

热感式MEMS加速度传感器内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。

压电式MEMS加速度传感器运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。由于压电式MEMS加速度传感器内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度传感器只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度。

目前的压电式MEMS加速度传感器通常只能在低过载的情况下工作。这主要是由于内部的压电元器件结构无法承受更高的过载。即便少数较高过载的压电式MEMS加速度传感器，由于内部压电元器件不为一体结构，在高过载下容易脱落导致压电元器件乃至整个压电加速度传感器的损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法，其能够提高压电加速度传感器的抗高过载性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种抗高过载的压电加速度传感器，包括支撑层及压电层，所述压电层朝向所述支撑层的一侧制作沟槽，以形成朝向支撑层的支撑块及质量块，所述支撑块用于与所述支撑层连接，以将所述压电层固定，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变，所述悬臂梁的上下两侧设置有上电极及下电极，以将所述悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置。

进一步，所述支撑层与所述质量块对应位置设置有凹槽，所述凹槽为所述质量块提供运动空间。

进一步，所述压电层的材料为锆钛酸铅。

进一步，所述支撑层通过一PCB板固定在一上外壳表面，所述上外壳固定有支撑层的一面插入一下外壳中，以将所述压电加速度传感器封装。

本发明还提供一种抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，包括如下步骤：提供一支撑层及一压电层；在所述压电层表面制作沟槽，以形成支撑块及质量块，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块可将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变；在所述悬臂梁的上下两侧制作上电极及下电极，以将悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置；将所述支撑块的表面与所述支撑层的一表面键合，以将所述压电层固定在所述支撑层上。

进一步，位于所述悬臂梁上侧的上电极制作步骤可位于制作沟槽步骤之前。

进一步，在键合步骤之前，还包括一在所述支撑层与所述质量块对应位置制作沟槽步骤，所述沟槽为所述质量块提供运动空间。

进一步，在键合步骤之后，将所述支撑层通过一PCB板固定在一上外壳的表面；将所述上外壳固定有支撑层的表面插入一下外壳中，以完成所述压电加速度传感器的封装。

本发明的优点在于，利用整体压电陶瓷片生成压电加速度传感器，所述压电加速度传感器采用一体化结构，专门应用在高冲击下的加速度测量，提高了压电式MEMS加速度传感器的抗高过载性。并且石英基底的引入保证了悬臂梁的形变不至于过大而损坏，增加了产品的稳定性。

附图说明

图1是本发明抗高过载的压电加速度传感器的俯视图；

图2是图1沿A-A向剖视图；

图3是本发明抗高过载的压电加速度传感器封装结构的分解；

图4是本发明抗高过载的压电加速度传感器封装结构示意图；

图5是本发明抗高过载的压电加速度传感器的制作方法的步骤示意图；

图6A~图6G是本发明压电加速度传感器的制作方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的抗高过载的压电加速度传感器及其制作方法的具体实施方式做详细说明。

参见图1及图2，图2是图1中A-A向剖视图，所述压电加速度传感器10包括支撑层110及压电层120。由于所述支撑层110的作用在于支撑所述压电层，所以，本发明对所述支撑层的材料没有限制，所述压电层120的材料为压电材料，以能够将加速度信号转变为电信号。在本具体实施方式中，所述支撑层110为石英，所述压电层120为锆钛酸铅（PZT）。

所述压电层120朝向所述支撑层110的一侧制作沟槽，以形成朝向支撑层的支撑块121及质量块122。所述支撑块121用于与所述支撑层110连接，以将所述压电层120固定。所述支撑块121与所述质量块122之间通过一悬臂梁123连接，所述质量块122将加速度信号传递给所述悬臂梁123，以使所述悬臂梁123产生形变。所述悬臂梁123的上下两侧设置有上电极124及下电极125，以将所述悬臂梁123形变产生的电信号传递给外部测量装置（附图未标示）。

进一步，在所述支撑层110与所述质量块122对应位置设置有凹槽111，所述凹槽111为所述质量块122提供运动空间。由于所述具有凹槽111的支撑层110的存在，使得质量块122不会有大幅度的运动，从而保证悬臂梁123的形变不至于过大而损坏，增加了压电加速度传感器的稳定性。

参见图3及图4，本发明压电加速度传感器10通过一PCB板40固定在一上外壳20表面，所述压电加速度传感器10可通过胶水键合至PCB板表面，所述PCB板再通过螺丝与上外壳20固定连接，从而实现所述压电加速度传感器10通过一PCB板40固定在所述上外壳20表面的目的。

所述上外壳20固定有压电加速度传感器10的一面插入一下外壳30中，以将所述压电加速度传感器封装。所述上外壳20与所述下外壳30可通过螺丝固定。在所述上外壳20的没有固定压电加速度传感器10的表面具有一螺柱，以将所述压电加速度传感器10固定在外部装置上，用于测量外部装置的加速度。

参见图5，一种抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，包括如下步骤：步骤S50、提供一支撑层及一压电层；步骤S51、在所述压电层的表面制作沟槽，以形成支撑块及质量块，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块可将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变；步骤S52、在所述悬臂梁的上下两侧制作上电极及下电极，以将悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置；步骤S53、在所述支撑层与所述质量块对应位置制作凹槽，所述凹槽为所述质量块提供运动空间；步骤S54、将所述支撑块的表面与所述支撑层的一表面键合，以将所述压电层固定在所述支撑层上，形成一压电加速度传感器；步骤S55、将所述压电加速度传感器的支撑层通过一PCB板固定在一上外壳的表面；步骤S56、将所述上外壳带有压电加速度传感器的表面插入一下外壳中，以完成所述压电加速度传感器的封装。

图6A~图6G是本发明压电加速度传感器的制作方法的工艺流程图。

参见图6A及步骤S50，提供一支撑层610及一压电层620。由于所述支撑层610的作用在于支撑所述压电层，所以，本发明对所述支撑层的材料没有限制，所述压电层620的材料为压电材料，以能够将加速度信号转变为电信号。在本具体实施方式中，所述支撑层610为石英，所述压电层620为锆钛酸铅（PZT）。

参见图6B及步骤S51，在所述压电层620表面制作沟槽，以形成支撑块621及质量块622，所述支撑块621与所述质量块622之间通过一悬臂梁623连接，所述质量块622可将加速度信号传递给所述悬臂梁623，以使所述悬臂梁623产生形变。在所述压电层620表面制作沟槽的方法可以采用高精密磨切工艺，在保证结构的完整性的同时，具备高度的可重复特性。所述悬臂梁623的厚度可以为0.05mm至0.25mm。

参见图6C及步骤S52，在所述悬臂梁623的上下两侧制作上电极624及下电极625，以将悬臂梁623形变产生的电信号传递给外部测量装置。所述制作上电极624及下电极625的方法为现有技术，在此不赘述。位于所述悬臂梁623上侧的上电极624制作步骤可位于在所述压电层上制作沟槽步骤之前。

参见图6D及步骤S53，在所述支撑层610与所述质量块622对应位置制作凹槽611，所述凹槽611为所述质量块622提供运动空间，此步骤为可选步骤。由于所述具有凹槽611的支撑层610的存在，使得质量块122不会有大幅度的运动，从而保证悬臂梁的形变不至于过大而损坏，增加了压电加速度传感器的稳定性。所述凹槽611的制作可以采用光刻的方法。

参见图6E及步骤S54，将所述支撑块621的表面与所述支撑层610的一表面键合，以将所述压电层620固定在所述支撑层610上，形成一压电加速度传感器60。所述键合可以采用胶水键合。

参见图6F及步骤S55，将所述压电加速度传感器60的支撑层610通过一PCB板61固定在一上外壳62的表面。所述压电加速度传感器60可通过胶水键合至PCB板61表面，所述PCB板61再通过螺丝与所述上外壳62固定连接，从而实现所述压电加速度传感器60通过一PCB板61固定在所述上外壳62表面的目的。

参见图6G及步骤S56，将所述上外壳62带有压电加速度传感器60的表面插入一下外壳63中，以完成压电加速度传感器的封装。所述上外壳62与所述下外壳63可通过螺丝固定，所述下外壳63内灌注密封胶。在所述上外壳62的没有固定压电加速度传感器的表面具有一螺柱，以将所述压电加速度传感器固定在外部装置上，用于测量外部装置的加速度。

下面列举本发明抗高过载的压电加速度传感器的制作方法的一实施例。

（1）提供PZT基底。

（2）在PZT基底正面上生成上电极。所述上电极可采用lift-off工艺生成。

（3）在PZT基底背面上采用高精密磨切工艺生成沟槽结构，以形成支撑块及质量块，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块可将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变。

（4）在所述悬臂梁下表面形成下电极，所述下电极可采用溅射的方法形成。

（5）提供石英基底，即支撑层。

（6）在所述石英基底表面制作凹槽。所述凹槽的制作可以采用光刻的方法。图形化所述石英基底，在石英基底表面涂覆光刻胶。优选地，在涂覆光刻胶之前还包括一在石英基底溅射铬层的步骤，所述光刻胶涂覆在铬层上。溅射铬层的目的是为加强光刻胶与石英基底的粘附力，在不溅射铬层的情况下凹槽的深度只能做到20-30μm，光刻胶已脱落。溅射铬层之后，凹槽的深度可做到100μm左右。在所述石英基底上溅射铬层所得厚度可以为400nm，并完成光刻。

（7）将PZT基底与石英基底通过胶水键和在一起，形成MEMS压电加速度传感器。

（8）将MEMS压电加速度传感器通过胶水键和至PCB板上，并将PCB板通过M2螺丝与上外壳固定在一起，并将绝缘芯子与PCB板焊接在一起。

（9）将上外壳与下外壳通过细螺丝结构固定在一起，完成抗高过载的压电加速度传感器的封装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种抗高过载的压电加速度传感器，其特征在于，包括支撑层及压电层，所述压电层朝向所述支撑层的一侧制作沟槽，以形成朝向所述支撑层的支撑块及质量块，所述支撑块用于与所述支撑层连接，以将所述压电层固定，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变，所述悬臂梁的上下两侧设置有上电极及下电极，以将所述悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置。

2.根据权利要求1所述的抗高过载的压电加速度传感器，其特征在于，所述支撑层在与所述质量块对应位置设置有凹槽，所述凹槽为所述质量块提供运动空间。

3.根据权利要求1所述的抗高过载的压电加速度传感器，其特征在于，所述压电层的材料为锆钛酸铅。

4.根据权利要求1所述的抗高过载的压电加速度传感器，其特征在于，所述支撑层通过一PCB板固定在一上外壳表面，所述上外壳固定有支撑层的一面插入一下外壳中，以将所述压电加速度传感器封装。

5.一种抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一支撑层及一压电层； 在所述压电层表面制作沟槽，以形成支撑块及质量块，所述支撑块与所述质量块之间通过一悬臂梁连接，所述质量块可将加速度信号传递给所述悬臂梁，以使所述悬臂梁产生形变； 在所述悬臂梁的上下两侧制作上电极及下电极，以将悬臂梁形变产生的电信号传递给外部测量装置； 将所述支撑块的表面与所述支撑层的一表面键合，以将所述压电层固定在所述支撑层上。

6.根据权利要求5所述的抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，其特征在于，位于所述悬臂梁上侧的上电极制作步骤可位于制作沟槽步骤之前。

7.根据权利要求5所述的抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，其特征在于，在键合步骤之前，还包括一在所述支撑层与所述质量块对应位置制作沟槽步骤，所述沟槽为所述质量块提供运动空间。

8.根据权利要求5所述的抗高过载的压电加速度传感器的制作方法，其特征在于， 在键合步骤之后，将所述支撑层通过一PCB板固定在一上外壳的表面； 将所述上外壳固定有支撑层的表面插入一下外壳中，以完成所述压电加速度传感器的封装。