一种压电式微加速度传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种压电式微加速度传感器。所述的传感器包括敏感芯片和上、下玻璃板；其中，敏感芯片采用结构对称的环状结构，共包含八个上电极、八个下电极、八个压电层、支撑膜、质量块。所述的八个下电极置于支撑膜之上，八个压电层置于下电极之上，八个上电极置于压电层之上。质量块悬置于下电极之下并与支撑膜固定连接，质量块悬置于支撑膜之下，构成敏感芯片的可动部分。电极、压电层分别构成的圆环均与质量块同圆心。所述的敏感芯片与上、下玻璃板分别通过键合连接。本发明专利技术的压电式微加速度传感器的固有频率为14.8KHz以上，灵敏度为0.62pC/g。

【技术实现步骤摘要】
一种压电式微加速度传感器
本专利技术属于微电子机械系统领域，具体涉及一种压电式微加速度传感器，具有万向性，较高固有频率和较好的抗冲击特性。
技术介绍
加速度传感器在很多不同的领域均有应用，如汽车、军工、航天航空、消费电子，医疗、工业等方面。有些加速度传感器需要在非常恶劣的环境下工作，如温度、强冲击、电磁干扰、暴露于多种化学物质中。该类型加速度传感器既需要在冲击过载等恶劣的环境过程中能够存活外，还要能正确接收冲击的信号。所以研制高安全过载、高量程、高触发灵敏度、抗干扰、低功耗的加速度传感器很有必要。压电式加速度传感器因其信噪比高，灵敏度高，响应频带宽，受外界干扰小，结构简单，寿命长，且无外部功能设备，在高冲击应用中受到高度重视。压电式加速度传感器的工作原理是利用材料的压电效应，上下金属电极之间沉积一层压电层，通过悬臂梁或平面膜结构与下部质量块连接。当传感器受到力作用时，质量块会产生偏移，同时压电层会随之发生变形，压电层在发生应变的同时，将在上下两个电极间产生电荷。利用适当的外围电路将产生的电荷量转换为电压形式输出，根据此信号的大小，测出冲击力的大小，由牛顿第二定律得出加速度的值。对于悬臂梁结构，抗冲击能力较差，受到横向加速度发生扭转形变时容易遭到破坏。对于高冲击环境下的应用，抗冲击能力是很重要的指标。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电式微加速度传感器，使传感器的固有频率达到14kHz以上。对于高量程加速度传感器，抗冲击性是高量程加速度传感器的重要的参数指标，结构采用圆形结构，可以解决在高冲击下的强度问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术的压电式微加速度传感器，其特征是，所述的传感器包括敏感芯片、上玻璃板、下玻璃板；其中，敏感芯片含有第一上电极、第二上电极、第三上电极、第四上电极、第五上电极、第六上电极、第七上电极、第八上电极、第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层、第六压电层、第七压电层、第八压电层、第一下电极、第二下电极、第三下电极、第四下电极、第五下电极、第六下电极、第七下电极、第八下电极、支撑膜、外框、圆柱状的质量块；其连接关系是，所述的第一压电层、第三压电层、第五压电层、第七压电层与第二压电层、第四压电层、第六压电层、第八压电层分别构成内外两个圆环；第一上电极、第三上电极、第五上电极、第七上电极与第二上电极、第四上电极、第六上电极、第八上电极分别构成内外两个圆环；第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极与第一下电极、第四下电极、第五下电极、第八下电极分别构成内外两个圆环；所述的第一下电极、第二下电极、第三下电极、第四下电极、第五下电极、第六下电极、第七下电极、第八下电极设置于支撑膜上表面，并与支撑膜上表面固定连接；所述的第八压电层、第七压电层、第三压电层、第四压电层、第二压电层、第一压电层、第五压电层、第六压电层分别对应设置于第一下电极、第二下电极、第三下电极、第四下电极、第五下电极、第六下电极、第七下电极、第八下电极的上表面，并分别与第一下电极、第二下电极、第三下电极、第四下电极、第五下电极、第六下电极、第七下电极、第八下电极的上表面固定连接；所述的第一上电极、第二上电极、第三上电极、第四上电极、第五上电极、第六上电极、第七上电极、第八上电极分别对应设置于第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层、第六压电层、第七压电层、第八压电层的上表面，并分别与第一压电层、第二压电层、第三压电层、第四压电层、第五压电层、第六压电层、第七压电层、第八压电层的上表面固定连接。所述的质量块悬置于第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极构成的圆环之下，并与支撑膜固定连接。所述的支撑膜与外框固定连接。所述的敏感芯片与上玻璃板、下玻璃板通过键合连接。所述的敏感芯片中的第一上电极、第三上电极、第五上电极、第七上电极构成的圆环的直径与第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极构成的圆环的直径相同;第二上电极、第四上电极、第六上电极、第八上电极构成的圆环的直径与第一下电极、第四下电极、第五下电极、第八下电极构成的圆环的直径相同。所述的质量块与第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极构成的圆环为同轴设置。所述的第一压电层、第三压电层、第五压电层、第七压电层和第二压电层、第四压电层、第六压电层、第八压电层分别构成的内外两个圆环，第一上电极、第三上电极、第五上电极、第七上电极和第二上电极、第四上电极、第六上电极、第八上电极分别构成的内外两个圆环，与第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极和第一下电极、第四下电极、第五下电极、第八下电极分别构成的内外两个圆环均为同轴设置。所述的第一压电层、第三压电层、第五压电层、第七压电层构成的圆环的外圆的直径大于第一上电极、第三上电极、第五上电极、第七上电极构成的圆环的外圆的直径；所述的第一压电层、第三压电层、第五压电层、第七压电层构成的圆环的内圆的直径小于第一上电极、第三上电极、第五上电极、第七上电极构成的圆环的内圆的直径；所述的第二压电层、第四压电层、第六压电层、第八压电层构成的圆环的外圆的直径大于第二上电极、第四上电极、第六上电极、第八上电极构成的圆环的外圆的直径；所述的第二压电层、第四压电层、第六压电层、第八压电层构成的圆环的内圆的直径小于第二上电极、第四上电极、第六上电极、第八上电极构成的圆环的内圆的直径。所述的质量块表面圆的直径大于第二下电极、第三下电极、第六下电极、第七下电极构成的圆环的内圆的直径。所述的上电极之间均留有间隔，下电极之间均留有间隔，压电层之间均留有间隔。本专利技术的压电式微加速度传感器，当受到力作用时，质量块相对基体运动导致压电层发生变形，压电材料变形的同时，在上下电极之间产生电荷，通过外围检测电路就可知道加速度的大小。本专利技术的压电式微加速度传感器的优点是: 1.本专利技术采用圆柱状质量块。由于采用圆柱状质量块，结构对称，受到任何方向的力，压电层都会发生形变，从而很好的解决触发引信的万向性问题。2.质量块的大小可以根据灵敏度和频响的需要进行调整。3.整个支撑膜是一个平面结构。由于采用平面结构，相对于悬臂梁结构具有更强的抗冲击能力；当受到横向加速度时，也不会因为扭曲变形使梁断裂。4.环状压电层与悬臂梁结构的压电层相比，具有更大的有效面积，产生更多的电荷量。5.压电层内外两环状结构可以根据灵敏度和频响的需要对内外圆直径大小进行调整，增大了设计的灵活性。6.压电层内外两圆环部分不相连，提高电荷输出量。由于从固支端到质量块处径向应力的符号相反，将两个区域分开，使该两个区域产生的电荷相互叠加而不是相互抵消。将同一圆环的压电层分成四部分，也是为了防止电荷相互抵消。7.质量块与外框之间的支撑膜部分为一平面结构，使敏感芯片占满一个单元，(其厚度与传感器的量程有关)，在工艺上会避免有很大难度的穿通、释放悬臂梁结构的过程。因此重复性好。8.本专利技术的压电式微加速度传感器是由敏感芯片与上、下玻璃板键合在一起构成，该封装工艺简单，操作方便。9.敏感芯片可动结构与上、下盖板之间有适当的距离，一方面使敏感芯片有足够的运动间隙，另一方面在条件合适的时候可以调整阻尼系数，这样保证了该器件工作频带较宽。【附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的传感器包括敏感芯片（27）、上玻璃板（29）、下玻璃板（28）；其中，敏感芯片（27）含有第一上电极（1）、第二上电极（2）、第三上电极（3）、第四上电极（4）、第五上电极（5）、第六上电极（6）、第七上电极（7）、第八上电极（8）、第一压电层（9）、第二压电层（10）、第三压电层（11）、第四压电层（12）、第五压电层（13）、第六压电层（14）、第七压电层（15）、第八压电层（16）、第一下电极（17）、第二下电极（18）、第三下电极（19）、第四下电极（20）、第五下电极（21）、第六下电极（22）、第七下电极（23）、第八下电极（24）、支撑膜（25）、外框（30）、圆柱状的质量块（26）；其连接关系是，所述的第一压电层（9）、第三压电层（11）、第五压电层（13）、第七压电层（15）与第二压电层（10）、第四压电层（12）、第六压电层（14）、第八压电层（16）分别构成内外两个圆环；第一上电极（1）、第三上电极（3）、第五上电极（5）、第七上电极（7）与第二上电极（2）、第四上电极（4）、第六上电极（6）、第八上电极（8）分别构成内外两个圆环；第二下电极（18）、第三下电极（19）、第六下电极（22）、第七下电极（23）与第一下电极（17）、第四下电极（20）、第五下电极（21）、第八下电极（24）分别构成内外两个圆环；所述的第一下电极（17）、第二下电极（18）、第三下电极（19）、第四下电极（20）、第五下电极（21）、第六下电极（22）、第七下电极（23）、第八下电极（24）设置于支撑膜（25）上表面，并与支撑膜（25）上表面固定连接；所述的第八压电层（16）、第七压电层（15）、第三压电层（11）、第四压电层（12）、第二压电层（10）、第一压电层（9）、第五压电层（13）、第六压电层（14）分别对应设置于第一下电极（17）、第二下电极（18）、第三下电极（19）、第四下电极（20）、第五下电极（21）、第六下电极（22）、第七下电极（23）、第八下电极（24）的上表面，并分别与第一下电极（17）、第二下电极（18）、第三下电极（19）、第四下电极（20）、第五下电极（21）、第六下电极（22）、第七下电极（23）、第八下电极（24）的上表面固定连接；所述的第一上电极（1）、第二上电极（2）、第三上电极（3）、第四上电极（4）、第五上电极（5）、第六上电极（6）、第七上电极（7）、第八上电极（8）分别对应设置于第一压电层（9）、第二压电层（10）、第三压电层（11）、第四压电层（12）、第五压电层（13）、第六压电层（14）、第七压电层（15）、第八压电层（16）的上表面，并分别与第一压电层（9）、第二压电层（10）、第三压电层（11）、第四压电层（12）、第五压电层（13）、第六压电层（14）、第七压电层（15）、第八压电层（16）的上表面固定连接；所述的质量块（26）悬置于第二下电极（18）、第三下电极（19）、第六下电极（22）、第七下电极（23）构成的圆环之下，并与支撑膜（25）固定连接；所述的支撑膜（25）与外框（30）固定连接；所述的敏感芯片（27）与上玻璃板（29）、下玻璃板（28）分别通过键合连接。...

【技术特征摘要】
1.一种压电式微加速度传感器，其特征在于:所述的传感器包括敏感芯片(27)、上玻璃板(29)、下玻璃板(28);其中，敏感芯片(27)含有第一上电极(I)、第二上电极(2)、第三上电极(3)、第四上电极(4)、第五上电极(5)、第六上电极(6)、第七上电极(7)、第八上电极(8)、第一压电层(9)、第二压电层(10)、第三压电层(11)、第四压电层(12)、第五压电层(13)、第六压电层(14)、第七压电层(15)、第八压电层(16)、第一下电极(17)、第二下电极(18)、第三下电极(19)、第四下电极(20)、第五下电极(21)、第六下电极(22)、第七下电极(23)、第八下电极(24)、支撑膜(25)、外框(30)、圆柱状的质量块(26);其连接关系是，所述的第一压电层(9)、第三压电层(11)、第五压电层(13)、第七压电层(15)与第二压电层(10)、第四压电层(12)、第六压电层(14)、第八压电层(16)分别构成内外两个圆环；第一上电极(I)、第三上电极(3)、第五上电极(5)、第七上电极(7)与第二上电极(2)、第四上电极(4)、第六上电极(6)、第八上电极(8)分别构成内外两个圆环；第二下电极(18)、第三下电极(19)、第六下电极(22)、第七下电极(23)与第一下电极(17)、第四下电极(20)、第五下电极(21)、第八下电极(24)分别构成内外两个圆环；所述的第一下电极(17)、第二下电极(18)、第三下电极(19)、第四下电极(20)、第五下电极(21)、第六下电极(22)、第七下电极(23)、第八下电极(24)设置于支撑膜(25)上表面，并与支撑膜(25)上表面固定连接；所述的第八压电层(16)、第七压电层(15)、第三压电层(11)、第四压电层(12)、第二压电层(10)、第一压电层(9)、第五压电层(13)、第六压电层(14)分别对应设置于第一下电极(17)、第二下电极(18)、第三下电极(19)、第四下电极(20)、第五下电极(21)、第六下电极(22)、第七下电极(23)、第八下电极(24)的上表面，并分别与第一下电极(17)、第二下电极(18)、第三下电极(19)、第四下电极(20)、第五下电极(21)、第六下电极(22)、第七下电极(23)、第八下电极(24)的上表面固定连接；所述的第一上电极(I)、第二上电极(2)、第三上电极(3)、第四上电极(4)、第五上电极(5)、第六上电极(6)、第七上电极(7)、第八上电极(8)分别对应设置于第一压电层(9)、第二压电层(10)、第三压电层(11)、第四压电层(12)、第五压电层(13)、第六压电层(14)、第七压电层(15)、第八压电层(16)的上表面，并分别与第一压电层(9)、第二压电层(10)、第三压电层(11)、第四压电层(12)、第五压电层(13)、第六压电层(14)、第七压电层(15)、第八压电层(16)的上表面固定连接；所述的质量块(26)悬置于第二下电极(18)、第三下电极(19)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙远程，姚明秋，苏伟，唐彬，陶逢刚，曲兵兵，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：