[发明专利]一种高灵敏度的振动传感器

说明书

本发明公开了一种高灵敏度的振动传感器，包括具有空腔的衬底和多个压电悬臂梁，空腔的底面中心设置有固定柱，多个悬臂梁围成信号接收区域，通过固定柱固定在衬底上方；压电悬臂梁包括固定端和自由端，自由端的宽度大于固定端，固定端固定在固定柱上，自由端悬置于空腔上方，且相邻的压电悬臂梁之间设置有间隙；该传感器还包括带有凹槽的封帽，封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接。凹槽的截面可为任意形状，优选底面与侧壁夹角大于90°的梯形。本发明通过封帽将振动信号产生载荷集中在压电悬臂梁自由端，会使压电悬臂梁受到的弯矩更大，压电悬臂梁的挠曲程度更大，且夹角大于90°时能够产生较大的横向载荷，有效提高振动传感器的灵敏度。

技术领域

本发明涉及到MEMS压电器件领域，特别是涉及一种高灵敏度的振动传感器。

背景技术

振动广泛存在于自然界、工业界和人类生活中，不同振动传递着各种各样的信号，如空气振动，机器设备振动，水流流动和地质振动等。获取振动中携带的信息需要借助各类振动传感器，振动传感器广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金、机器制造、军工、科研教学等诸多领域。如通过麦克风读取空气振动传递的声音信号；加速度计用于测量振动物体的加速度；超声探测器检测分析机械设备的振动信号，用以判断机械自身的劣化程度及预测其寿命；地质灾害预警器探测由地震波带来的地质振动来预警地震等灾害等。

振动传感器包括电动式、磁电式、电容式、压阻式和压电式等，压电式的振动传感器环境适应性强，无需额外电源启动工作，适用于高低温，高冲击试验场合，具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用和受外界干扰小等特点。但是，现有压电式振动传感器结构对振动信号的响应有限，传感器的输出电信号较小，灵敏度低。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有压电式振动传感器对振动信号的响应有限，传感器的输出电信号较小，现有压电式振动传感器结构限制了传感器的灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种高灵敏度的振动传感器，包括具有空腔的衬底和多个压电悬臂梁，空腔的底面中心设置有固定柱，多个悬臂梁围成信号接收区域，通过固定柱固定在衬底上方；压电悬臂梁包括固定端和自由端，自由端的宽度大于固定端，固定端固定在固定柱上，自由端悬置于空腔上方，且相邻的压电悬臂梁之间设置有间隙；该振动传感器还包括带有凹槽的封帽，封帽的槽沿与压电悬臂梁的自由端相连接。

进一步地，凹槽的截面为多边形或弧形。当凹槽的截面为梯形时，凹槽的底面与凹槽的侧壁之间的夹角优选大于90°。

进一步地，多个压电悬臂梁的形状均为扇形、三角形或梯形，组成的信号接收区域为圆形或多边形。

进一步地，压电悬臂梁为单晶片结构，从上至下依次是上电极、压电薄膜、下电极和支撑层。

进一步地，封帽是由硅片经干法或湿法刻蚀形成。

进一步地，还包括键合连接层，所述连接层位于封帽和压电悬臂梁的自由端的连接处。封帽通过阳极键合、焊晶圆键合或共晶键合的方式键合在所述压电悬臂梁的自由端。

进一步地，还包括固定框架，所述固定框架设置在所述多个压电悬臂梁的外围，且所述固定框架上设有与所述悬梁臂对应的压电叠层，通过连接结构连接所述悬臂梁的固定端的压电叠层和所述固定框架的压电叠层，在所述固定框架上引出电信号；若选用带有电路结构的衬底，可以不设置连接结构，通过硅通孔(TSV)刻蚀工艺，在固定柱部分将电极连接至所述带有电路结构的衬底上引出电信号。

进一步地，封帽层在连接结构的上方设置有一开口。