一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電薄膜微傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有柔性支撐的壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電原理是實現(xiàn)微傳感器的一種新途徑。通過壓電效應(yīng)，力、加速度等待感知量可以直接在壓電薄膜上輸出電壓，而逆壓電效應(yīng)使微傳感器可以通過施加外電壓驅(qū)動微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，從而同時具備執(zhí)行器功能。資料表明，利用壓電薄膜材料制成的微傳感器/執(zhí)行器與現(xiàn)有的硅基材料微傳感器/執(zhí)行器相比具有無可比擬的優(yōu)勢，是微傳感器研究發(fā)展的新領(lǐng)域。
[0003]基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器，它的敏感兀件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后，就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量，它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。
[0004]目前，國際上多個研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開展了對壓電薄膜微傳感器技術(shù)的研究，在壓電薄膜微器件的原理、結(jié)構(gòu)、性能等的理論分析方面已經(jīng)取得了一定的成果。但是，真正可以在實際中應(yīng)用的壓電微器件卻很少，其關(guān)鍵問題在于:一是壓電薄膜的微細(xì)加工技術(shù)和壓電薄膜與硅集成電路工藝的兼容性問題尚未得到很好的解決;二是大部分的壓電傳感器采用體硅工藝，微結(jié)構(gòu)的釋放采用硅襯底背面腐蝕工藝，工藝復(fù)雜、難控制，與目前普遍采用的集成電路工藝不兼容，而且易發(fā)生微結(jié)構(gòu)與襯底粘連的問題，導(dǎo)致成品率降低;三是已應(yīng)用的壓電微器件大多采用多晶硅、壓電陶瓷等剛性支撐結(jié)構(gòu)，對小信號激勵的響應(yīng)不敏感，靈敏度低；同時，帶剛性支撐結(jié)構(gòu)的微器件無法在任意尺寸、任意形狀表面的物體上應(yīng)用。這些問題也是發(fā)展鐵電不揮發(fā)存儲器、室溫型熱釋電紅外探測器等新型器件亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種具有柔性支撐的壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)，自下而上依次包括:硅片襯底、柔性支撐層、下電極、壓電薄膜、上電極，所述襯底具有面向柔性支撐層的溝槽，所述柔性支撐層一端搭設(shè)于溝槽外的襯底表面，其余部分懸設(shè)于溝槽上方，與其上方下電極、壓電薄膜、上電極一起構(gòu)成懸臂。
[0008]優(yōu)選地，所述襯底材料為N型或P型雙面拋光硅片。
[0009]優(yōu)選地，所述柔性支撐層材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二脂;所述上、下電極材料為Pt/Ti薄膜;所述壓電薄膜材料為PZT壓電薄膜。
[0010]一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:
[0011 ]步驟SOl:提供一硅片襯底，在襯底中形成溝槽，并填充犧牲層材料；
[0012]步驟S02:在襯底上制備柔性支撐層；
[0013]步驟S03:在柔性支撐層上依次制備圖形化的下電極、壓電薄膜、上電極；
[0014]步驟S04:進(jìn)行柔性支撐層的圖形化，使其一端位于溝槽區(qū)域外、另一端位于溝槽區(qū)域內(nèi)，并使溝槽中的犧牲層材料露出；
[0015]步驟S05:通過釋放工藝去除犧牲層材料，在溝槽上方形成由柔性支撐層與下電極、壓電薄膜、上電極一起構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地，所述襯底材料為N型或P型硅片，并進(jìn)行雙面拋光。
[0017]優(yōu)選地，步驟SOI中，先采用SACVD方法在襯底上淀積BPSG、BSG、PSG或SOG作為犧牲層材料，并進(jìn)行平坦化回流;然后，采用干法刻蝕工藝對犧牲層材料進(jìn)行回刻，去除襯底表面的犧牲層材料，使?fàn)奚鼘硬牧吓c襯底表面平齊。
[0018]優(yōu)選地，步驟S02中，采用旋涂法或淀積法制備聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二脂材料柔性支撐層;步驟S04中，采用各向異性的干法刻蝕工藝刻蝕柔性支撐層，形成懸臂梁的支撐結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選地，步驟S03中，先采用光刻膠直接剝離工藝，經(jīng)曝光、顯影形成所需的電極圖形，并去除電極圖形區(qū)域的光刻膠;然后，采用PVD方法淀積Pt/Ti薄膜電極材料;最后，使用丙酮溶液剝離電極圖形以外區(qū)域的光刻膠，形成Pt/Ti電極。
[0020]優(yōu)選地，步驟S03中，先采用溶膠-凝膠方法制備PZT壓電薄膜;然后，對PZT壓電薄膜進(jìn)行涂膠、曝光、顯影，并采用干法刻蝕工藝進(jìn)行圖形化。
[0021]優(yōu)選地，步驟S04中，通過在襯底上全面覆蓋一層SiN，作為釋放時的阻擋層，并刻蝕犧牲層材料上的SiN，使溝槽中的犧牲層材料露出形成釋放窗口；S05中，采用各向同性的濕法刻蝕工藝去除溝槽中的犧牲層材料，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0023]1、通過采用表面犧牲層工藝和各向同性濕法刻蝕工藝，從正面釋放壓電微懸臂梁結(jié)構(gòu)，可充分利用普遍采用的CMOS工藝完成，工藝簡單可控，提高了壓電懸臂梁傳感器制造工藝與硅集成電路工藝的兼容性，避免了體硅襯底用濕法刻蝕從背面釋放懸臂梁工藝中的污染問題。
[0024]2、采用柔性材料作為懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)剛性支撐結(jié)構(gòu)相比，大幅提高了傳感器的靈敏度或執(zhí)行器的變形幅度，提高了懸臂梁對外部激勵的響應(yīng)和信號輸出。
[0025]3、采用柔性材料支撐結(jié)構(gòu)，簡化了傳感器結(jié)構(gòu)和加工工藝，使得采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的壓電微傳感器可以應(yīng)用在任意尺寸、任意形狀表面的物體上，從而擴(kuò)展了微傳感器的應(yīng)用范圍。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明一較佳實施例中的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；
[0028]圖3-19是本發(fā)明一較佳實施例中根據(jù)圖2的方法制造壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的工藝步驟示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]需要說明的是，在下述的【具體實施方式】中，在詳述本發(fā)明的實施方式時，為了清楚地表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以便于說明，特對附圖中的結(jié)構(gòu)不依照一般比例繪圖，并進(jìn)行了局部放大、變形及簡化處理，因此，應(yīng)避免以此作為對本發(fā)明的限定來加以理解。
[0031]在以下本發(fā)明的【具體實施方式】中，請參閱圖1，圖1是本發(fā)明一較佳實施例中的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)，建立在硅片襯底之上，其自下而上依次包括:硅片襯底11、柔性支撐層13、下電極14、壓電薄膜15、上電極16。在柔性支撐層13下方的襯底11中設(shè)有一個溝槽12，所述溝槽12面向柔性支撐層13的方向為開口。所述柔性支撐層13的一端搭設(shè)于溝槽12外的襯底11表面，并與襯底11相連，包括另一端在內(nèi)的其余部分懸設(shè)于溝槽12上方。柔性支撐層13與其上方的下電極14、壓電薄膜15、上電極16—起在襯底的溝槽12上方構(gòu)成懸臂，從而形成本發(fā)明的壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)。
[0032]與傳統(tǒng)剛性支撐結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明通過采用柔性材料作為懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，可大幅提高傳感器的靈敏度或執(zhí)行器的變形幅度，并可提高懸臂梁對外部激勵的響應(yīng)和信號輸出。采用此結(jié)構(gòu)的壓電微傳感器可以應(yīng)用在任意尺寸、任意形狀表面的物體上，從而擴(kuò)展了微傳感器的應(yīng)用范圍。
[0033]作為一可選的實施方式，所述襯底材料可采用N型或P型硅片，該硅片可經(jīng)過雙面拋光處理。
[0034]作為一優(yōu)選的實施方式，所述柔性支撐層材料可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)或聚對苯二甲酸乙二脂(PET);柔性支撐層的厚度可約為5-20微米，其較佳的厚度為10微米。所述上、下電極材料可采用Pt/Ti薄膜;其中，Pt薄膜的厚度可約為0.05微米，Ti薄膜的厚度可約為0.01-0.02微米。所述壓電薄膜材料可采用PZT壓電薄膜;PZT壓電薄膜的厚度可約為2-10微米，其較佳的厚度為5微米。
[0035]下面通過具體的實施方式，對本發(fā)明的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0036]請參閱圖2，圖2是本發(fā)明的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法流程圖；同時，請參閱圖3-19，圖3-19是本發(fā)明一較佳實施例中根據(jù)圖2的方法制造壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的工藝步驟示意圖，圖3-19中顯示的分步器件結(jié)構(gòu)，可分別與圖2中的工藝步驟相對應(yīng)。如圖2所示，本發(fā)明的一種壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:
[0037]如框01所示，步驟SOl:提供一硅片襯底，在襯底中形成溝槽，并填充犧牲層材料。
[0038]請參閱圖3。首先，可采用一N型或P型硅片I，并進(jìn)行雙面拋光，作為襯底材料。在此硅片襯底I中可事先制備好傳感器所需的對應(yīng)電路結(jié)構(gòu)。