[发明专利]高灵敏度压电MEMS传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了高灵敏度压电MEMS传感器及其制备方法，所述压电MEMS传感器包括基底和压电堆叠结构；所述基底从下至上依次为基底底层、基底中间层和基底顶层；所述基底底层设有背腔，所述基底顶层设有规律分布的镂空槽；所述压电堆叠结构设有贯通压电堆叠结构、且与镂空槽相通的若干释放孔。本发明压电MEMS传感器，当压电堆叠结构、基底顶层和基底中间层发生形变时，由于镂空槽的存在，使得压电薄膜的挠曲变形增大，压电薄膜的应变程度得到加强，输出更强的电信号，从而提升压电传感器的灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高灵敏度压电MEMS传感器及其制备方法。

背景技术

传感器作为一种将机械能与电能相互转换的换能器，现在已经广泛用于手机、电脑、照相机等消费性电子产品以及工业界、生命健康监测等领域中。传统的传感器主要包括电容式和压电式两种，电容式传感器采用双层膜结构，利用导体间的电容充放电原理，改变导体间的电压，从而实现机械能到电能的转换。虽然电容式传感器具有极为宽广的频率响应范围，能够快速的瞬时响应等优点，但是电容式传感器脆弱，怕潮怕摔，需要直流电压，在实际应用中依然存在较大问题。近年来随着压电式微机电系统(MEMS)技术的不断发展，特别是基于氮化铝薄膜材料MEMS技术的逐渐成熟，压电MEMS传感器也不断的发展起来。压电MEMS传感器是一种新型的MEMS产品，利用集成在硅基底表面的压电材料进行能量转换，其采用单一隔膜结构，能够不受灰尘、水、焊剂蒸汽影响，在高端电子产品上已经逐渐取代传统的电容式传感器，成为新一代MEMS传感器市场的主流。

目前压电传感器多被制作为悬臂梁或者隔板结构，虽然压电传感器在稳定性、防水防潮性、结构制备上相对电容式传感器都具有较大优势，但是大多数压电材料由块体转向薄膜材料时其压电性能都会有所下降，且介电损耗会增大，为了进一步提高传感器的机电耦合效率，需要通过优化压电传感器的结构或改性压电材料等方法以提高压电传感器的灵敏度，从而提升传感器的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度压电MEMS传感器及其制备方法。

本发明提供的一种高灵敏度压电MEMS传感器，包括基底和压电堆叠结构；

所述基底从下至上依次为基底底层、基底中间层和基底顶层；

所述基底底层设有背腔，所述基底顶层设有规律分布的镂空槽；

所述压电堆叠结构设有贯通压电堆叠结构、且与镂空槽相通的若干释放孔。

为便于制作背腔和镂空槽，避免腐蚀背腔和镂空槽时腐蚀掉基底中间层，基底底层、基底顶层采用与基底中间层不同的材质。作为一种优选方案，基底底层和基底顶层为单晶硅，基底中间层为SiO₂。

进一步的，所述镂空槽为一系列同心圆环槽、或为若干平行的长条槽、或由沿第一方向的若干长条槽和沿第二方向的若干长条槽垂直交叉构成、或由若干平行的长条槽和一系列同心圆环槽交叠构成、或由交叉的沿第一方向的若干长条槽和沿第二方向的若干长条槽与一系列同心圆环槽交叠构成。

进一步的，所述背腔呈圆柱型、长方体型或圆台型，但不限于此。

进一步的，若干释放孔均匀或随机的分布于压电堆叠结构中。

进一步的，所述压电堆叠结构从下至上依次为底电极、压电薄膜和顶电极。

所述底电极和所述顶电极为金属导电薄膜，优选为Mo导电薄膜、Pt导电薄膜、Au导电薄膜或Al导电薄膜。

所述压电薄膜优选为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜或ZnO压电薄膜。

为进一步提高压电MEMS传感器的性能，可对压电堆叠结构中的底电极和顶电极图案化。本发明中电极图案化包括仅顶电极图案化以及底电极和顶电极均图案化两种方案。