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抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法，所述壓電加速度傳感器包括支撐層及壓電層，所述壓電層朝向所述支撐層的一側(cè)制作溝槽，以形成朝向支撐層的支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊用于與所述支撐層連接，以將所述壓電層固定，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變，所述懸臂梁的上下兩側(cè)設(shè)置有上電極及下電極，以將所述懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置。本發(fā)明的優(yōu)點在于，能夠提高壓電加速度傳感器的抗高過載性能。
【專利說明】抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電MEMS加速度傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]加速度傳感器是一種慣性傳感器，可以測量物體的加速度。加速度是指物體在加速過程中速度的變化量。目前，加速度傳感器廣泛應(yīng)用于手機(jī)，電腦，電話機(jī)，照相機(jī)及攝像機(jī)等。近三十年的MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)技術(shù)與工藝的發(fā)展,特別是基于硅芯片MEMS技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了許多傳感器(如壓力傳感器，加速度計，陀螺儀等)的微型化和低成本。MEMS加速度傳感器就是采用MEMS技術(shù)制造的加速度傳感器。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，一個MEMS加速度傳感器只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度傳感器具有體積小、重量輕、耗能低等優(yōu)點。
[0003]MEMS加速度傳感器主要分為三種:電容式、熱感式以及壓電式。
[0004]電容式MEMS加速度傳感器內(nèi)部存在一個質(zhì)量塊。加速度的變化帶動活動質(zhì)量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。
[0005]熱感式MEMS加速度傳感器內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動形成的熱場變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。
[0006]壓電式MEMS加速度傳感器運用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個剛體支撐的質(zhì)量塊,有運動的情況下質(zhì)量塊會產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變,把加速度轉(zhuǎn)變成電信號輸出。由于壓電式MEMS加速度傳感器內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度傳感器只能感應(yīng)到“動態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度。
[0007]目前的壓電式MEMS加速度傳感器通常只能在低過載的情況下工作。這主要是由于內(nèi)部的壓電元器件結(jié)構(gòu)無法承受更高的過載。即便少數(shù)較高過載的壓電式MEMS加速度傳感器，由于內(nèi)部壓電元器件不為一體結(jié)構(gòu)，在高過載下容易脫落導(dǎo)致壓電元器件乃至整個壓電加速度傳感器的損壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法，其能夠提高壓電加速度傳感器的抗高過載性能。
[0009]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種抗高過載的壓電加速度傳感器，包括支撐層及壓電層，所述壓電層朝向所述支撐層的一側(cè)制作溝槽，以形成朝向支撐層的支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊用于與所述支撐層連接，以將所述壓電層固定，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變，所述懸臂梁的上下兩側(cè)設(shè)置有上電極及下電極，以將所述懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置。
[0010]進(jìn)一步，所述支撐層與所述質(zhì)量塊對應(yīng)位置設(shè)置有凹槽，所述凹槽為所述質(zhì)量塊提供運動空間。
[0011]進(jìn)一步，所述壓電層的材料為鋯鈦酸鉛。
[0012]進(jìn)一步，所述支撐層通過一 PCB板固定在一上外殼表面,所述上外殼固定有支撐層的一面插入一下外殼中，以將所述壓電加速度傳感器封裝。
[0013]本發(fā)明還提供一種抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，包括如下步驟:提供一支撐層及一壓電層；在所述壓電層表面制作溝槽，以形成支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊可將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變；在所述懸臂梁的上下兩側(cè)制作上電極及下電極，以將懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置；將所述支撐塊的表面與所述支撐層的一表面鍵合，以將所述壓電層固定在所述支撐層上。
[0014]進(jìn)一步，位于所述懸臂梁上側(cè)的上電極制作步驟可位于制作溝槽步驟之前。
[0015]進(jìn)一步，在鍵合步驟之前，還包括一在所述支撐層與所述質(zhì)量塊對應(yīng)位置制作溝槽步驟，所述溝槽為所述質(zhì)量塊提供運動空間。
[0016]進(jìn)一步，在鍵合步驟之后，將所述支撐層通過一 PCB板固定在一上外殼的表面；將所述上外殼固定有支撐層的表面插入一下外殼中，以完成所述壓電加速度傳感器的封裝。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于，利用整體壓電陶瓷片生成壓電加速度傳感器，所述壓電加速度傳感器采用一體化結(jié)構(gòu)，專門應(yīng)用在高沖擊下的加速度測量，提高了壓電式MEMS加速度傳感器的抗高過載性。并且石英基底的引入保證了懸臂梁的形變不至于過大而損壞，增加了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明抗高過載的壓電加速度傳感器的俯視圖；
圖2是圖1沿A-A向剖視圖；
圖3是本發(fā)明抗高過載的壓電加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)的分解；
圖4是本發(fā)明抗高過載的壓電加速度傳感器封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法的步驟示意圖；
圖6A?圖6G是本發(fā)明壓電加速度傳感器的制造方法的工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的抗高過載的壓電加速度傳感器及其制作方法的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0020]參見圖1及圖2，圖2是圖1中A-A向剖視圖，所述壓電加速度傳感器10包括支撐層I1及壓電層120。由于所述支撐層110的作用在于支撐所述壓電層，所以，本發(fā)明對所述支撐層的材料沒有限制，所述壓電層120的材料為壓電材料，以能夠?qū)⒓铀俣刃盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ诒尽揪唧w實施方式】中，所述支撐層110為石英，所述壓電層120為鋯鈦酸鉛(PZT)0
[0021]所述壓電層120朝向所述支撐層110的一側(cè)制作溝槽，以形成朝向支撐層的支撐塊121及質(zhì)量塊122。所述支撐塊121用于與所述支撐層110連接，以將所述壓電層120固定。所述支撐塊121與所述質(zhì)量塊122之間通過一懸臂梁123連接，所述質(zhì)量塊122將加速度信號傳遞給所述懸臂梁123，以使所述懸臂梁123產(chǎn)生形變。所述懸臂梁123的上下兩側(cè)設(shè)置有上電極124及下電極125，以將所述懸臂梁123形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置(附圖未標(biāo)示)。
[0022]進(jìn)一步，在所述支撐層110與所述質(zhì)量塊122對應(yīng)位置設(shè)置有凹槽111，所述凹槽111為所述質(zhì)量塊122提供運動空間。由于所述具有凹槽111的支撐層110的存在，使得質(zhì)量塊122不會有大幅度的運動，從而保證懸臂梁123的形變不至于過大而損壞，增加了壓電加速度傳感器的穩(wěn)定性。
[0023]參見圖3及圖4，本發(fā)明壓電加速度傳感器10通過一 PCB板40固定在一上外殼20表面，所述壓電加速度傳感器10可通過膠水鍵合至PCB板表面，所述PCB板再通過螺絲與上外殼20固定連接，從而實現(xiàn)所述壓電加速度傳感器10通過一 PCB板40固定在所述上外殼20表面的目的。
[0024]所述上外殼20固定有壓電加速度傳感器10的一面插入一下外殼30中，以將所述壓電加速度傳感器封裝。所述上外殼20與所述下外殼30可通過螺絲固定。在所述上外殼20的沒有固定壓電加速度傳感器10的表面具有一螺柱，以將所述壓電加速度傳感器10固定在外部裝置上，用于測量外部裝置的加速度。
[0025]參見圖5，一種抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，包括如下步驟:步驟S50、提供一支撐層及一壓電層；步驟S51、在所述壓電層的表面制作溝槽，以形成支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊可將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變；步驟S52、在所述懸臂梁的上下兩側(cè)制作上電極及下電極，以將懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置；步驟S53、在所述支撐層與所述質(zhì)量塊對應(yīng)位置制作凹槽，所述凹槽為所述質(zhì)量塊提供運動空間；步驟S54、將所述支撐塊的表面與所述支撐層的一表面鍵合，以將所述壓電層固定在所述支撐層上，形成一壓電加速度傳感器；步驟S55、將所述壓電加速度傳感器的支撐層通過一 PCB板固定在一上外殼的表面；步驟S56、將所述上外殼帶有壓電加速度傳感器的表面插入一下外殼中，以完成所述壓電加速度傳感器的封裝。
[0026]圖6A?圖6G是本發(fā)明壓電加速度傳感器的制造方法的工藝流程圖。
[0027]參見圖6A及步驟S50，提供一支撐層610及一壓電層620。由于所述支撐層610的作用在于支撐所述壓電層，所以，本發(fā)明對所述支撐層的材料沒有限制，所述壓電層620的材料為壓電材料，以能夠?qū)⒓铀俣刃盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ诒尽揪唧w實施方式】中，所述支撐層610為石英，所述壓電層620為鋯鈦酸鉛(PZT)。
[0028]參見圖6B及步驟S51，在所述壓電層620表面制作溝槽，以形成支撐塊621及質(zhì)量塊622，所述支撐塊621與所述質(zhì)量塊622之間通過一懸臂梁623連接，所述質(zhì)量塊622可將加速度信號傳遞給所述懸臂梁623，以使所述懸臂梁623產(chǎn)生形變。在所述壓電層620表面制作溝槽的方法可以采用高精密磨切工藝，在保證結(jié)構(gòu)的完整性的同時，具備高度的可重復(fù)特性。所述懸臂梁623的厚度可以為0.05mm至0.25mm。
[0029]參見圖6C及步驟S52，在所述懸臂梁623的上下兩側(cè)制作上電極624及下電極625，以將懸臂梁623形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置。所述制作上電極624及下電極625的方法為現(xiàn)有技術(shù)，在此不贅述。位于所述懸臂梁623上側(cè)的上電極624制作步驟可位于在所述壓電層上制作溝槽步驟之前。
[0030]參見圖6D及步驟S53，在所述支撐層610與所述質(zhì)量塊622對應(yīng)位置制作凹槽611，所述凹槽611為所述質(zhì)量塊622提供運動空間，此步驟為可選步驟。由于所述具有凹槽611的支撐層610的存在，使得質(zhì)量塊122不會有大幅度的運動，從而保證懸臂梁的形變不至于過大而損壞，增加了壓電加速度傳感器的穩(wěn)定性。所述凹槽611的制作可以采用光刻的方法。
[0031]參見圖6E及步驟S54，將所述支撐塊621的表面與所述支撐層610的一表面鍵合，以將所述壓電層620固定在所述支撐層610上，形成一壓電加速度傳感器60。所述鍵合可以采用膠水鍵合。
[0032]參見圖6F及步驟S55，將所述壓電加速度傳感器60的支撐層610通過一 PCB板61固定在一上外殼62的表面。所述壓電加速度傳感器60可通過膠水鍵合至PCB板61表面，所述PCB板61再通過螺絲與所述上外殼62固定連接，從而實現(xiàn)所述壓電加速度傳感器60通過一 PCB板61固定在所述上外殼62表面的目的。
[0033]參見圖6G及步驟S56,將所述上外殼62帶有壓電加速度傳感器60的表面插入一下外殼63中，以完成壓電加速度傳感器的封裝。所述上外殼62與所述下外殼63可通過螺絲固定，所述下外殼63內(nèi)灌注密封膠。在所述上外殼62的沒有固定壓電加速度傳感器的表面具有一螺柱，以將所述壓電加速度傳感器固定在外部裝置上，用于測量外部裝置的加速度。
[0034]下面列舉本發(fā)明抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法的一實施例。
[0035](I)提供 PZT 基底。
[0036](2)在PZT基底正面上生成上電極。所述上電極可采用lift-off工藝生成。
[0037](3)在PZT基底背面上采用高精密磨切工藝生成溝槽結(jié)構(gòu)，以形成支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊可將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變。
[0038](4)在所述懸臂梁下表面形成下電極，所述下電極可采用濺射的方法形成。
[0039](5)提供石英基底，即支撐層。
[0040](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。圖形化所述石英基底，在石英基底表面涂覆光刻膠。優(yōu)選地，在涂覆光刻膠之前還包括一在石英基底濺射鉻層的步驟，所述光刻膠涂覆在鉻層上。濺射鉻層的目的是為加強(qiáng)光刻膠與石英基底的粘附力，在不濺射鉻層的情況下凹槽的深度只能做到20-30μπι，光刻膠已脫落。濺射鉻層之后，凹槽的深度可做到ΙΟΟμπι左右。在所述石英基底上濺射鉻層所得厚度可以為400nm，并完成光刻。
[0041](7)將PZT基底與石英基底通過膠水鍵和在一起，形成MEMS壓電加速度傳感器。
[0042](8)將MEMS壓電加速度傳感器通過膠水鍵和至PCB板上，并將PCB板通過M2螺絲與上外殼固定在一起，并將絕緣芯子與PCB板焊接在一起。
[0043](9)將上外殼與下外殼通過細(xì)螺絲結(jié)構(gòu)固定在一起，完成抗高過載的壓電加速度傳感器的封裝。
[0044]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種抗高過載的壓電加速度傳感器，其特征在于，包括支撐層及壓電層，所述壓電層朝向所述支撐層的一側(cè)制作溝槽，以形成朝向所述支撐層的支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊用于與所述支撐層連接，以將所述壓電層固定，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變，所述懸臂梁的上下兩側(cè)設(shè)置有上電極及下電極，以將所述懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量>j-U ρ?α裝直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗高過載的壓電加速度傳感器，其特征在于，所述支撐層在與所述質(zhì)量塊對應(yīng)位置設(shè)置有凹槽，所述凹槽為所述質(zhì)量塊提供運動空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗高過載的壓電加速度傳感器，其特征在于，所述壓電層的材料為鋯鈦酸鉛。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗高過載的壓電加速度傳感器，其特征在于，所述支撐層通過一 PCB板固定在一上外殼表面,所述上外殼固定有支撐層的一面插入一下外殼中，以將所述壓電加速度傳感器封裝。
5.一種抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟:提供一支撐層及一壓電層；在所述壓電層表面制作溝槽，以形成支撐塊及質(zhì)量塊，所述支撐塊與所述質(zhì)量塊之間通過一懸臂梁連接，所述質(zhì)量塊可將加速度信號傳遞給所述懸臂梁，以使所述懸臂梁產(chǎn)生形變；在所述懸臂梁的上下兩側(cè)制作上電極及下電極，以將懸臂梁形變產(chǎn)生的電信號傳遞給外部測量裝置；將所述支撐塊的表面與所述支撐層的一表面鍵合，以將所述壓電層固定在所述支撐層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，其特征在于，位于所述懸臂梁上側(cè)的上電極制作步驟可位于制作溝槽步驟之前。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，其特征在于，在鍵合步驟之前，還包括一在所述支撐層與所述質(zhì)量塊對應(yīng)位置制作溝槽步驟，所述溝槽為所述質(zhì)量塊提供運動空間。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的抗高過載的壓電加速度傳感器的制造方法，其特征在于，在鍵合步驟之后，將所述支撐層通過一 PCB板固定在一上外殼的表面；將所述上外殼固定有支撐層的表面插入一下外殼中，以完成所述壓電加速度傳感器的封裝。
【文檔編號】G01P15/09GK104280568SQ201410534975
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】李祥明, 李忠平 申請人:上海天英微系統(tǒng)科技有限公司