基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，属于可实现压电、压阻、电容叠加的同步共振悬臂梁力敏传感器。C型支撑结构下部与压电激振结构固定连接，该C型支撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步耦合梁相连，T型梁的两侧与同步耦合梁相连，U型梁的内侧亦与同步耦合梁相连，T型梁上表面沉积多片压电拾振结构，固定端表面设置有压阻拾振结构，两电容拾振结构组成差动式电容拾振结构。优点是结构新颖，通过较简单的结构设计，将压电、压阻、电容拾振结构集成于同一结构中，三者输出信号叠加，可进一步放大了输出电压，提高传感器的检测灵敏度。
【专利说明】
基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种可实现压电、压阻、电容叠加的同步共振悬臂梁力敏传感器。
【背景技术】
[0002] 近年来，力敏传感器作为检测物质质量、力的大小的主要手段，广泛的应用于环境 检测，工业生产，食品安全等多个方面。谐振式传感器件体积小，谐振频率高，因而具有较高 的灵敏度，如谐振式气体传感器等。悬臂梁作为微系统中最经典，简洁的结构，对质量变化 敏感，且易于微小制造。谐振式悬臂梁型力敏传感器利用质量敏感薄膜特异性的吸附物质 分子，将梁的质量变化转变为谐振频率的偏移，获取偏移量并通过电信号输出，即可获得所 测物质的质量。在此过程中，设计高灵敏度的力敏传感器是国内外科学工作者所关屯、的重 点问题。
[0003] 目前已有相关研究机构为获得高灵敏度的力敏传感器，对传感器的结构进行了探 索和设计。美国橡树岭国家实验室于1994年首先论证了微悬臂梁谐振式传感器可用于气体 检测且可W获得较高的灵敏度;英国剑桥大学通过驱动悬臂梁使其处于强非线性振动(第5 谐振模态），从而增大物质吸附、解吸时频率偏移量，提高传感器的灵敏度;法国波尔多大学 利用丝网印刷技术设计了自激励、自读出的甲苯气体传感器，通过纵向谐振模式获得了高 谐振频率，具有更高的灵敏度。韩国仁荷大学研究了相同表面积的矩形、Ξ角形、阶梯型梁 在相同表面应力的作用下晓度、谐振频率的大小比较。相比于矩形结构，悬臂梁的Ξ角形、 阶梯型结构的晓度分别提高了 257 %、79 %，频率分别提高了 31 %、19 % ;中国台湾清华大学 研究了不同纵横比的Ξ角形，半圆形，矩形及内切图形谐振频率的比较，发现高纵横比的内 切图形，低纵横比的悬臂梁两者结合可W使悬臂梁具有更高的灵敏度;大连理工大学提出 通过改变弹性梁的表面形状(梯形)和截面构型(槽型）来进一步提升传感器灵敏度的新方 法，相对于矩形截面梁传感器，灵敏度提高了 287.8%;德国半导体技术研究所通过对梁的 结构进行优化，并在金属计拾振器中设计溫补结构，提高了传感器的灵敏度;大连理工大学 设计了双层和双片压电PZT薄膜微悬臂梁结构，双层串联接法压电PZT薄膜悬臂梁式微力传 感器，获得了较高的灵敏度。上述研究结果均在一定成度上提高了传感器的灵敏度。然而， 并未有研究机构能够利用多种机制叠加设计同时大幅提高传感器的灵敏度。
【发明内容】
[0004] 本实用新型提供一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，实 现多种机制叠加设计，进而大幅提高传感器的灵敏度。
[0005] 本实用新型采取的技术方案是:C型支撑结构下部与压电激振结构固定连接，该C 型支撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步禪合梁相连，T型梁的两侧与同步禪合梁相连，U型 梁的内侧亦与同步禪合梁相连，T型梁上表面沉积多片压电拾振结构，固定端表面设置有压 阻拾振结构，T型梁自由端上表面沉积电极，与上支撑部分表面电极共同组成上电容拾振结 构，T型梁自由端下表面沉积电极，与下支撑部分表面电极共同组成下电容拾振结构，两电 容拾振结构组成差动式电容拾振结构。
[0006] 本实用新型所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁和C型支撑结构均由同一基底加工而 成。
[0007] 本实用新型所述的U型梁、T型梁、同步禪合梁共同组成同步共振结构，根据同步共 振物理原理，若低频梁固有频率为ω 1，高频梁固有频率为ω 2，其固有频率满足如下公式： [000引 πιωι = ηω2
[0009] 其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，其中低频梁为U型梁，高频梁为Τ型 梁。
[0010] 本实用新型所述的U型梁自由端处表面涂覆质量敏感薄膜用于选择性吸附物质分 子。
[0011] 进一步，所述的U型梁相比于单根矩形梁，结构更紧凑，封装后体积更小，但除U型 外亦可使用其他可实现同步共振的梁结构。
[0012] 本实用新型所述的T型梁上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层，下表面通 过氧化或其他工艺设计有下绝缘层；
[0013] 本实用新型所述的压电拾振结构为上电极、压电层、下电极的Ξ明治结构。
[0014] 本实用新型所述的多片压电结构可按振动模态、应用领域的不同使用纵向、横向 等不同的排布方法。各片上下电极依次串联，形成压电拾振结构。
[0015] 本实用新型将所述的压电、压阻、电容叠加，Ξ种拾振结构均可W将谐振振幅及频 率W电压信号输出，通过控制压电材料的极化方向等，可使Ξ种拾振结构的叠加输出电压 最大化。
[0016] 本实用新型的优点是结构新颖，其有益效果体现在：
[0017] (1)将同步共振物理原理应用于谐振式悬臂梁传感结构，可实现频率倍增，提高 传感器的灵敏度。
[0018] (2)U型梁端部面积较大，吸附分子量更多，频率变化较大，可提高传感器灵敏度。
[0019] (3)Τ型梁自由端宽于梁的其他部分，可使电容拾振结构输出电容增大。电容拾振 结构的差动式设计也可提高电容的变化，增大输出电压，提高检测分辨率，而且在一定程度 上可W消除环境影响带来的误差。
[0020] (4)压电拾振结构进行多片串联设计，放大了输出电压，提高传感器的检测灵敏 度。
[0021] (5)通过较简单的结构设计，将压电、压阻、电容拾振结构集成于同一结构中，Ξ者 输出信号叠加，可进一步放大了输出电压，提高传感器的检测灵敏度。
【附图说明】
[0022] 图1是本实用新型的结构示意图；
[0023] 其中：U型梁1，质量敏感薄膜101，Τ型梁2,同步禪合梁3，C型支撑结构4,压电拾振 结构5,压阻拾振结构6,上电容拾振结构7，Τ型梁自由端上电极701，上支撑部分电极702,下 电容拾振结构8，Τ型梁自由端下电极801，下支撑部分电极802,压电激振结构9;
[0024] 图2是本实用新型C型支撑结构侧视图；
[0025] 其中：上支撑结构绝缘层401，下支撑结构绝缘层402，上支撑部分电极702，下支撑 部分电极802;
[0026] 图3是本实用新型同步共振结构俯视图；
[0027] 图4是本实用新型T型梁侧视图；
[002引其中：基底梁201，上绝缘层202,下绝缘层203,压电层501，压电层上电极502,压电 层下电极503，Τ型梁自由端上电极701，Τ型梁自由端下电极801;
[0029] 图5是本实用新型输出总电压随压电片数的变化曲线；
[0030] 图6为Τ型梁应力分布图；
[0031 ]图7Α是实现多种物质检测的横向阵列结构示意图；
[0032] 图7Β是实现多种物质检测的圆形阵列结构示意图，其中固定结构位于中屯、，虚线 框中为单个传感结构；
[0033] 图7C是实现多种物质检测的圆形阵列结构示意图，其中固定结构位于外侧，虚线 框中为单个传感结构。
【具体实施方式】
[0034] W下将结合附图，对本实用新型进行详细的描述;应当理解，优选实施例仅为了说 明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
[0035] 如图1所示，包括U型梁1，质量敏感薄膜101，Τ型梁2,同步禪合梁3，C型支撑结构4， 压电拾振结构5,压阻拾振结构6,上电容拾振结构7，Τ型梁自由端上电极701，上支撑部分电 极702,下电容拾振结构8，Τ型梁自由端下电极801，下支撑部分电极802,压电激振结构9;
[0036] C型支撑结构4下部与压电激振结构9固定连接，该C型支撑结构4的中部与U型梁1、 Τ型梁2、同步禪合梁3相连，Τ型梁2的两侧与同步禪合梁3相连，U型梁1的内侧亦与同步禪合 梁3相连，Τ型梁2上表面沉积多片压电拾振结构5,固定端表面设置有压阻拾振结构6，Τ型梁 2自由端上表面沉积电极701，与上支撑部分表面电极702共同组成上电容拾振结构7，Τ型梁 2自由端下表面沉积电极801，与下支撑部分表面电极802共同组成下电容拾振结构8,两电 容拾振结构组成差动式电容拾振结构。
[0037] U型梁1、Τ型梁2、同步禪合梁3和C型支撑结构4均由同一基底加工而成。
[0038] U型梁1、Τ型梁2、同步禪合梁3共同组成同步共振结构，根据同步共振物理原理，若 低频梁固有频率为ω 1，高频梁固有频率为ω 2，其固有频率满足如下公式：
[0039] m ω i = n ω 2
[0040] 其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，其中低频梁为υ型梁1，高频梁为τ型 梁2。
[0041] 在进行质量或力检测前，梁结构存在一定的固有频率，可通过实验或计算来确定。 在实施例中，假设U型梁1的一阶固有频率为fi，T型梁2的一阶固有频率为f2，U型梁1固有频 率与T型梁2固有频率比为1:3,即f2 = 3fi。
[0042] 所述U型梁1自由端处表面涂覆质量敏感薄膜101用于选择性吸附物质分子。当需 测定某种物质质量时，特异性质量敏感薄膜101吸附该物质分子，此时U型梁1的质量增加， 谐振频率发生偏移。U型梁相比于单根矩形梁，结构更紧凑，封装后体积更小，但除U型外亦 可使用其他可实现同步共振的梁结构(如矩形梁、T型梁、π型梁等对称梁结构）。在本实施例 中，利用可实现更多分子吸附的U型结构完成质量检测。
[0043] 所述Τ型梁的基底梁201上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层202,下表面 通过氧化或其他工艺设计有下绝缘层203，
[0044] 所述压电拾振结构5为上电极502、压电层501、下电极503的Ξ明治结构。
[0045] 将整个传感结构放置于带有被测物质的环境中，并驱动压电激振结构9激振传感 器。在某激振频率下(趋近于U型梁的一阶固有频率)U型、Τ型梁均产生振幅倍增，此时发生 同步共振现象。可通过压电拾振结构5、压阻拾振结构6、电容拾振结构7、8相叠加的交变电 信号确定吸附物质后T型梁2的共振频率f2'。
[0046] 根据公式可将梁的振动频率换算为梁结构的质量，因而可W由频率的偏移量确定 梁变化的质量，公式如下：
[0047]
[004引 化 ti
[0049] mc = PcAL
[0050] 其中f为固有频率，L为矩形悬臂梁的长度，El第i层材料的杨氏模量，Ii为第i层材 料为惯性矩，P为材料的密度，A为梁的横截面积，λ为与谐振模态有关的常数。λι = 1.875、λ2 =4.694、λη - (i-l/2)3im。为悬臂梁质量，ti为第i层材料厚度，Pi为第i层材料密度，t。为悬臂 梁整体厚度。
[0051] 若被检测目标为气体，则质量敏感薄膜101吸附气体分子的质量与浓度成线性关 系，故可计算得到浓度值。
[0052] 市场化的过程中，需要通过梁的阵列制造实现多种气体检测，图7A、7B、7C为Ξ种 可实现多种气体检测的梁阵列结构设计。其中，图7A为简单的横向阵列结构；图7B、图7C为 两种圆形阵列方法，占用空间较小。图7B固定结构位于中屯、，安置方便且可与被检测环境充 分接触;7C固定结构位于外侧，可保护中屯、的悬臂梁传感器件。
[0053] 实施例中压电、压阻、电容叠加增大灵敏度的具体描述如下：
[0054] 由于同步共振结构，T型梁在高于激振频率3倍的频率处振动。根据灵敏度的计算 公式：
[0化5]
[0056] 其中，W为悬臂梁宽度，Δ f为谐振频率的改变量，Am为质量变化。
[0057] 由于频率提高了 3倍，在梁结构不变的情况下，灵敏度提高了 3倍。
[0058] 多片压电结构可按振动模态、应用领域的不同使用纵向、横向等不同的排布方法。 各片上下电极依次串联，形成压电拾振结构。其串联的总电压可用如下公式表示：
[0化9]
[0060] 其中，η为压电拾振结构片数，VtDta功输出总电压，Q功第i片压电拾振结构的电荷 量，Cl为第i片压电拾振结构的电容。
[0061] 在本实施例中假设压电拾振结构5在沿梁方向放置5片，每片形状、大小相同。每片 压电拾振结构可产生的电荷量可由如下公式表示：
[0062]
[0063] 其中，d3i为横向压电常数，Ep为压电层杨氏模量，Zp为压电层至中性轴距离，1为压 电结构长度，L为梁的长度WE为单片压电结构宽度，Ii为第i层材料对自身中性轴惯性矩，Ai 为第i层材料横截面积。Qind为单片压电拾振结构输出电荷量。
[0064] 多片串联结构的总电压与相同面积的整片结构电压比可用如下公式表示：
[00 化]
[0066] 可求得多片串联后输出电压相比于相同面积整片的压电结构提高了 5倍。其中， WE'为整片压电拾振结构宽度，Q'ind整片压电拾振结构电荷量，V'tDtal整片结构输出电压。
[0067] 带入尺寸数值计算了压电层在1、2、4、6、8、10片时输出总电压￥*。*31的数值，获得曲 线如图5所示，可见随着压电层的片数增加，输出总电压不断增大，成线性关系。
[0068] 压阻拾振结构6用离子注入等工艺设于悬臂梁固定端上表面，固定端表面受应力 最大，阻值变化大，输出电压大。
[0069] 压阻拾振结构6与外部电阻构成惠斯通电桥，其电阻的变化由输出电压测得：
[0070]
[0071] 其中，Vin为输入电压，Vnut为输出电压，AR为压阻拾振结构阻值的变化，R为压阻拾 振结构阻值。
[0072] T型梁2上各点应力如图6所示，由材料力学分析可知，T型梁2在固定端应力最大， 图6中的仿真结果亦可证实运一点。
[0073] 因电容为差动设计，电容的变化量AC为：
[0074] AC =打-C2
[0075] 其中，Cl为支撑结构下电极802与T型梁自由端下电极形801成的电容值，C2为支撑 结构上电极702与T型梁自由端上电极701形成的电容值。
[0076] T型梁自由端宽度为普通矩形梁宽度的2倍，因而差动式电容结构电容的变化是非 差动式矩形梁结构的2倍W上。利用差动电容不仅可W增大电容结构的灵敏度，提高传感器 的检测灵敏度，而且在一定程度上可W消除环境影响带来的误差。
[0077] 所述的Ξ种拾振结构均可W将谐振振幅及频率W电压信号输出，控制压电材料的 极化方向，使其在向下偏转时输出负电压，便可叠加 Ξ种拾振结构的输出电压，放大电压 值，从而进一步提高传感器的检测灵敏度。
【主权项】
1. 一种基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其特征在于:c型支撑 结构下部与压电激振结构固定连接，该C型支撑结构的中部与U型梁、T型梁、同步耦合梁相 连，T型梁的两侧与同步耦合梁相连，U型梁的内侧亦与同步耦合梁相连，T型梁上表面沉积 多片压电拾振结构，固定端表面设置有压阻拾振结构，T型梁自由端上表面沉积电极，与上 支撑部分表面电极共同组成上电容拾振结构，T型梁自由端下表面沉积电极，与下支撑部分 表面电极共同组成下电容拾振结构，两电容拾振结构组成差动式电容拾振结构。2. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁和C型支撑结构均由同一基底加工而成。3. 根据权利要求1或2所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器， 其特征在于:所述的U型梁、T型梁、同步耦合梁共同组成同步共振结构，根据同步共振物理 原理，若低频梁固有频率为ω :，高频梁固有频率为ω 2，其固有频率满足如下公式： πιω ι = η ω 2 其中，m、n均为整数，m/n即为频率的放大倍数，其中低频梁为U型梁，高频梁为Τ型梁。4. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的U型梁自由端处表面涂覆质量敏感薄膜用于选择性吸附物质分子。5. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的Τ型梁上表面通过氧化或其他工艺设计有上绝缘层，下表面通过氧化或其 他工艺设计有下绝缘层。6. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:压电拾振结构为上电极、压电层、下电极的三明治结构。7. 根据权利要求1所述的基于同步共振的高灵敏度压电压阻电容叠加力敏传感器，其 特征在于:所述的多片压电结构使用纵向、横向等不同的排布方式，各片上下电极依次串 联，形成压电拾振结构。
【文档编号】G01L1/00GK205449341SQ201620230947
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】王东方, 杜旭, 王昕 , 杨旭, 刘欣, 刘欢, 郑果文, 毛梦元
【申请人】吉林大学