一種力敏諧振元件及該元件的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種力敏諧振元件及該元件的制造方法，力敏諧振元件包括兩基部和兩諧振梁，諧振梁的正面和背面中至少有一個面上設有凹槽，凹槽的內壁以及諧振梁的側壁分別覆蓋有電極，兩根諧振梁通過激勵電源方向設置使之振動方向相反。諧振梁上每面的凹槽至少包括位于諧振梁兩端的端部凹槽，每個端部凹槽由兩側平行的端部深凹槽和位于兩個端部深凹槽之間且與兩個端部深凹槽連為一體的端部淺凹槽構成。本力敏諧振元件電極的作用面距離短，諧振梁內的場強增大，電極的激勵效率提高，更適于傳感器微型化制作。設置深凹槽，增加凹槽的側壁陡直度，以便提高電極的激勵效率，使得諧振梁的激振效率更高。
【專利說明】一種力敏諧振元件及該元件的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器【技術領域】，尤其是一種應用于微型力學傳感器上的力敏諧振元件及該力敏諧振元件的制作方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]微型力學傳感器作為一種檢測力學參數(shù)的傳感器，在多個領域得到了廣泛的應用。依據(jù)檢測原理的不同，可以將力學傳感器分為電容式、壓阻式、諧振式等多個種類，其中諧振式的靈敏度較高且為頻率輸出，可直接連接數(shù)字電路進行信號處理而無需模數(shù)信號轉換，成為目前一個重要的研究方向。力敏諧振元件是諧振式力學傳感器的敏感元件，是諧振式力學傳感器的核心元件，它的結構及參數(shù)將直接影響傳感器的整體性能。
[0004]《傳感器世界》(2007)上的文獻《基于石英諧振器的測壓傳感器設計》，該文獻中采用AT切型的石英晶體平凸片作為諧振元件設計了一種高精度的諧振式壓力傳感器。該種結構的諧振元件采用傳統(tǒng)機械工藝進行加工，體積大且一致性差，不適合大批量生產(chǎn)。
[0005]中國專利，專利名稱《壓力傳感器元件及壓力傳感器》，申請?zhí)枮?201010126148.1。該專利設計了一種采用矩形截面且反向振動的雙振梁作為諧振元件的壓力傳感器，比較適合采用微加工工藝進行低成本批量化制作，但其諧振梁采用矩形截面結構，電極的激勵效率低，隨著元件尺寸的進一步降低，振梁的激勵振動幅值也會下降，穩(wěn)定性變差。
[0006]

【發(fā)明內容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種適合批量化生產(chǎn)、微型化、激振效率聞的力敏諧振兀件。
[0008]本發(fā)明還同時提供上述力敏諧振元件的制作方法，該制作方法簡單，制得的元件一致性好，適于大批量生產(chǎn)。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種力敏諧振元件，包括兩基部和位于兩基部之間且工作于寬度彎曲諧振模態(tài)的諧振梁，所述諧振梁為相同結構的兩根，諧振梁的正面和背面中至少有一個面上設有凹槽，所述凹槽的內壁以及諧振梁的側壁分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，該凹槽的開口方向與所述諧振梁的振動方向垂直，兩根諧振梁通過激勵電源方向設置使之振動方向相反。
[0010]進一步地，所述諧振梁上每面的凹槽至少包括位于諧振梁兩端的端部凹槽，每個端部凹槽由兩側平行的端部深凹槽和位于兩個端部深凹槽之間且與兩個端部深凹槽連為一體的端部淺凹槽構成，凹槽上的電極覆蓋兩側端部深凹槽和端部淺凹槽。
[0011]所述諧振梁正面和背面均設置有所述凹槽且正面和背面對稱設置。
[0012]在所述諧振梁上位于兩端部凹槽中部設有中部凹槽，每個中部凹槽由兩側平行的中部深凹槽和位于兩個中部深凹槽之間且與兩個中部深凹槽連為一體的中部淺凹槽構成，凹槽上的電極覆蓋兩側中部深凹槽和中部淺凹槽。
[0013]本發(fā)明諧振梁上的凹槽既可以正面和背面均設置，也可以單面設置，諧振梁較薄時單面設置即可，避免刻蝕穿透。如果諧振梁較短，則不設置中部凹槽，只設置兩端部凹槽。
[0014]本發(fā)明同時提及上述力敏諧振元件的制造方法，本方法通過同一基片一次性加工出兩基部和兩諧振梁，所述基片的材料為壓電材料；其制作步驟如下:
S1:在基片表面根據(jù)所述力敏諧振元件的結構特點分別制作圖形化掩蔽膜層和圖形化光刻膠；
S2:在沒有掩蔽膜層的部位進行刻蝕作業(yè)，將基片中部刻蝕斷裂以在左右兩側形成兩塊相同的諧振梁，兩端形成基部，同時在每塊諧振梁上深凹槽所在部位初步刻蝕；
S3:分別腐蝕掉兩根諧振梁淺凹槽所在表面設置的掩蔽膜層以露出淺凹槽所在表面，對淺凹槽所在表面進行刻蝕以形成需要深度的淺凹槽，同時對S2步初步刻蝕出的深凹槽進一步刻蝕以達到最終需要的深度；
54:依次去除兩根諧振梁其余部位的光刻膠和掩蔽膜層；
55:在凹槽表面和諧振梁的兩側分別沉積圖形化電極。
[0015]具體地，所述掩蔽膜層包括兩層材料，從下往上依次為下層掩蔽膜和上層掩蔽膜；
步驟S2和S3中的刻蝕為濕法刻蝕或干法刻蝕。
[0016]步驟S5中沉積的電極為單層材料或雙層材料。
[0017]本發(fā)明的積極效果是:
在諧振梁的前后兩個面中至少一個面上制作凹槽，諧振梁的側壁和凹槽的內壁分別覆蓋電極，在電極上施加電壓，使得兩根諧振梁內部產(chǎn)生電場方向相反的激勵電場，由逆壓電效應激勵兩根諧振梁產(chǎn)生反向彎曲振動。當沿諧振梁長度方向的外部拉伸力或壓縮力作用到一對基部上時，基部將該作用力傳遞到諧振梁上并引起諧振梁產(chǎn)生沿長度方向的應變，進而使得諧振梁的彎曲諧振頻率發(fā)生變化并輸出到外部電路。
[0018]與現(xiàn)有矩形截面的諧振梁結構不同，本力敏諧振元件采用表面制作有凹槽的振梁結構，電極的作用面距離短，相對于現(xiàn)有技術，諧振梁內的場強增大，電極的激勵效率提高，更適于傳感器微型化制作。
[0019]設置深凹槽，增加凹槽的側壁陡直度，以便提高電極的激勵效率，使得諧振梁的激振效率更高。
[0020]端部淺凹槽和中部淺凹槽的中軸線重合，諧振梁的諧振穩(wěn)定性強。
[0021]采用光刻和化學溶液腐蝕的制作方法可在一塊基片上同時制作多個力敏諧振元件，各力敏諧振元件一致性好，制作工藝簡單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。
[0022]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1a是本發(fā)明實施例1力敏諧振元件的結構示意圖，圖1b是其A_A剖視圖，圖1c是諧振梁內部的電場分布圖；
圖2a是本發(fā)明實施例2力敏諧振元件的結構示意圖，圖2b是其A-A剖視圖； 圖3a是本發(fā)明實施例3力敏諧振元件的結構示意圖，圖3b是其A-A剖視圖；
圖4是本發(fā)明制作實施例1所述力敏諧振元件的工藝流程圖。
[0024]其中:1-力敏諧振元件；2_基部；3_諧振梁；4a_端部深凹槽；4b_端部淺凹槽；5a_中部深凹槽；5b_中部淺凹槽；6a_第一電極；6b_第二電極；10_基片；11_下層掩蔽膜；12-上層掩蔽膜；13_光刻膠。
[0025]
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0027]實施例1:
如圖1a和圖1b所示，一種力敏諧振元件1，包括上下平行設置的兩個基部2，該兩個基部2之間平行對稱設置有工作于寬度彎曲諧振模態(tài)的兩根諧振梁3，所述諧振梁3的前后兩個面分別設置有三個凹槽-位于兩端的端部凹槽和端部凹槽之間的中部凹槽。在凹槽的內壁以及諧振梁的兩側壁分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，該凹槽的開口方向與所述諧振梁的振動方向垂直，兩根諧振梁通過激勵電源方向設置使之振動方向相反。每個端部凹槽由兩側平行的端部深凹槽4a和位于兩個端部深凹槽之間且與兩個端部深凹槽連為一體的端部淺凹槽4b構成，凹槽上的電極覆蓋兩側端部深凹槽4a和端部淺凹槽4b。每個中部凹槽由兩側平行的中部深凹槽5a和位于兩個中部深凹槽之間且與兩個中部深凹槽連為一體的中部淺凹槽5b構成，凹槽上的電極覆蓋兩側中部深凹槽5a和中部淺凹槽5b。
[0028]圖1c是諧振梁內部的電場分布圖，從圖上可以看出，諧振梁3設置的連接激勵源的一對電極:第一電極6a和第二電極6b,該兩個電極之間施加一定的電壓并在諧振梁3內部產(chǎn)生激勵電場，由逆壓電效應激勵諧振梁3產(chǎn)生寬度彎曲振動。如圖1c所示，左、右兩側的諧振梁3的第一電極6a和第二電極6b電動勢相反，因此諧振梁內電場方向相反，兩根諧振梁3振動方向相反。
[0029]當沿諧振梁3長度方向的外部拉伸力或壓縮力作用到基部2上時，基部2將該作用力傳遞到兩根諧振梁3上并引起該兩根諧振梁3產(chǎn)生沿長度方向的應變，進而使得諧振梁3的彎曲諧振頻率發(fā)生變化并輸出到外部電路，外部電路根據(jù)彎曲諧振頻率的變化得到作用在基部2上的壓力大小。
[0030]諧振梁通過設置凹槽使兩個電極之間的距離縮短，在一定電壓下，諧振梁內的電場強度更大。與現(xiàn)有的矩形截面的諧振梁相比，本力敏諧振元件的諧振梁3內的場強大，電極的激勵效率高，即使減小元件的尺寸，諧振梁的激勵振幅下降也較小，力敏諧振元件的穩(wěn)定性較強，更適于傳感器的微型化制作。
[0031]端部淺凹槽4b和中部淺凹槽5b的兩側沿著該凹槽的側壁下沉分別形成端部深凹槽4a和中部深凹槽5a，在上述深凹槽內填充有與淺凹槽內壁的電極一體連接的電極，設置深凹槽，增加凹槽側壁的陡直度，以便提高電極的激勵效率，使得諧振梁3的激振效率更聞。
[0032]與矩形截面的諧振梁相比，在同等激勵電壓條件下，制作有深凹槽結構的諧振梁3的有效激勵電場強度明顯增強，諧振梁3的振蕩強度增大，動態(tài)阻抗值降低，有利于諧振元件結構的進一步微型化。[0033]上述的端部淺凹槽4b和中部淺凹槽5b的中軸線都重合，諧振梁的諧振穩(wěn)定性強。
[0034]實施例2:
如圖2a和圖2b所示，該實施例的力敏諧振元件與實施例1的力敏諧振元件結構類似，不同的是諧振梁3只在前后面中一個面設置凹槽。為突出橫截面的形狀，圖2b并沒有示出電極。
[0035]對于厚度較薄的諧振梁，雙面同時制作凹槽時，端部深凹槽4a和中部深凹槽5a處易刻蝕穿，降低了諧振梁3的動態(tài)強度，同時諧振梁3諧振時的動態(tài)阻抗會增大，降低力敏諧振元件的穩(wěn)定性。本實施例中的單面制作凹槽的諧振梁3結構，更適合于微型化且基于厚度較薄基片的力敏諧振元件I的制作。
[0036]實施例3:
如圖3a和圖3b所示，該實施例的力敏諧振元件與實施例1的力敏諧振元件結構類似，不同的是兩根諧振梁上都沒有設置中部凹槽(包括中部淺凹槽5b和中部深凹槽5a)。為突出橫截面的形狀，圖3b并沒有示出電極。
[0037]在諧振梁3長度進一步縮短時，若諧振梁3正面和背面同時制作中部凹槽則表面的電極圖形化難度會增大，第一電極6a和第二電極6b短路的概率會增加，力敏諧振元件制作的成品率和可靠性均會降低。本實施例中的諧振梁3結構，更適合于諧振梁3長度較短的力敏諧振元件的制作。
[0038]由此可見在諧振梁3的前后兩個面中的至少一個面上制作凹槽，凹槽內壁覆蓋有電極，凹槽的兩側再設置深凹槽，諧振梁3的側壁和凹槽的內壁都覆蓋有電極，在電極上施加電壓，使得兩根諧振梁3內部產(chǎn)生電場方向相反的激勵電場，由逆壓電效應激勵兩根諧振梁產(chǎn)生反向彎曲振動。與矩形截面的諧振梁相比，在同等激勵電壓條件下，制作有凹槽結構的諧振梁3的有效激勵電場強度明顯增強，諧振梁3的振蕩強度增大，諧振效率高，動態(tài)阻抗值降低，性能穩(wěn)定，有利于諧振元件結構的進一步微型化。
[0039]實施例4:
如圖4a至圖4 e所示，本實施例4是制作實施例1記載的力敏諧振元件的方法，實施例2和3產(chǎn)品的制作方法參見實施例1的產(chǎn)品；
本方法通過同一基片10 —次性加工出兩基部和兩諧振梁，所述基片材料為壓電材料；其制作步驟如下:
51:在基片10表面根據(jù)所述力敏諧振元件的結構特點分別制作圖形化掩蔽膜層11、12和圖形化光刻膠13，見圖4a ;
52:在沒有掩蔽膜層的部位進行刻蝕作業(yè)，將基片10中部刻蝕斷裂以在左右兩側形成兩塊相同的諧振梁3，兩端形成基部2，同時在每塊諧振梁3上深凹槽所在部位初步刻蝕，見圖4b ；
53:分別腐蝕掉兩根諧振梁淺凹槽所在表面設置的掩蔽膜層以露出淺凹槽所在表面，對淺凹槽所在表面進行刻蝕以形成需要深度的淺凹槽，同時對S2步初步刻蝕出的深凹槽進一步刻蝕以達到最終需要的深度，見圖4c ；
54:依次去除兩根諧振梁3其余部位的光刻膠13和掩蔽膜層11、12，見圖4d ；
55:在凹槽表面和諧振梁的兩側分別沉積圖形化電極,第一電極6a和第二電極6b,見圖4e。[0040]具體地，所述掩蔽膜層包括兩層材料，從下往上依次為下層掩蔽膜11和上層掩蔽膜12。
[0041 ] 步驟S2和S3中的刻蝕為濕法刻蝕或干法刻蝕。
[0042]步驟S5中沉積的電極為單層材料或雙層材料，這要根據(jù)諧振梁的材質確定。
[0043]由上述步驟可見，采用光刻和化學溶液腐蝕的方法在同一塊基片上同時制作多個力敏諧振元件，一致性良好，制作工藝簡單，成本低，適于大批量生產(chǎn)。
[0044]本發(fā)明的上述實施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種力敏諧振元件，包括兩基部(2)和位于兩基部之間且工作于寬度彎曲諧振模態(tài)的諧振梁(3)，其特征在于:所述諧振梁(3)為相同結構的兩根，諧振梁(3)的正面和背面中至少有一個面上設有凹槽，所述凹槽的內壁以及諧振梁(3)的側壁分別覆蓋有用于連接激勵電源的電極，該凹槽的開口方向與所述諧振梁(3)的振動方向垂直，兩根諧振梁(3)通過激勵電源方向設置使之振動方向相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的力敏諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)上每面的凹槽至少包括位于諧振梁兩端的端部凹槽，每個端部凹槽由兩側平行的端部深凹槽和位于兩個端部深凹槽之間且與兩個端部深凹槽連為一體的端部淺凹槽構成，凹槽上的電極覆蓋兩側端部深凹槽和端部淺凹槽。
3.根據(jù)權利要求2所述的力敏諧振元件，其特征在于:所述諧振梁(3)正面和背面均設置有所述凹槽且正面和背面對稱設置。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的力敏諧振元件，其特征在于:在所述諧振梁上位于兩端部凹槽中部設有中部凹槽，每個中部凹槽由兩側平行的中部深凹槽和位于兩個中部深凹槽之間且與兩個中部深凹槽連為一體的中部淺凹槽構成，凹槽上的電極覆蓋兩側中部深凹槽和中部淺凹槽。
5.根據(jù)權利要求2-4任一所述力敏諧振元件的制造方法，本方法通過同一基片一次性加工出兩基部和兩諧振梁(3)，所述基片(10)材料為壓電材料；其特征在于:其制作步驟如下: 51:在基片(10)表面根據(jù)所述力敏諧振元件的結構特點分別制作圖形化掩蔽膜層和圖形化光刻膠； 52:在沒有掩蔽膜層的部位進行刻蝕作業(yè)，將基片(10)中部刻蝕斷裂以在左右兩側形成兩塊相同的諧振梁(3)，兩端形成基部，同時在每塊諧振梁(3)上深凹槽所在部位初步刻蝕； 53:分別腐蝕掉兩根諧振梁(3)淺凹槽所在表面設置的掩蔽膜層以露出淺凹槽所在表面，對淺凹槽所在表面進行刻蝕以形成需要深度的淺凹槽，同時對S2步初步刻蝕出的深凹槽進一步刻蝕以達到最終需要的深度； 54:依次去除兩根諧振梁(3)其余部位的光刻膠和掩蔽膜層； 55:在凹槽表面和諧振梁(3)的兩側分別沉積圖形化電極。
6.根據(jù)權利要求5所述的力敏諧振元件的制造方法，其特征在于:所述掩蔽膜層包括兩層材料。
7.根據(jù)權利要求5所述的力敏諧振元件的制造方法，其特征在于:步驟S2和S3中的刻蝕為濕法刻蝕或干法刻蝕。
8.根據(jù)權利要求5所述的力敏諧振元件的制造方法，其特征在于:步驟S5中沉積的電極為單層材料或雙層材料。
【文檔編號】G01L1/00GK103471760SQ201310427365
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】林丙濤, 趙建華, 董宏奎 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所