Изготовление пьезоэлектрического акселерометра на основе поверхностной микрообработки

Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра основан на пьезоэлектрическом эффекте его конструктивных материалов, которые под действием внешнего ускорения генерируют заряд, который пропорционален приложенному ускорению [1;6]. В пьезоэлектрических материалах таких как оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN) и цирконат – титанат свинца (PZT), в результате отсутствия однородной симметрии в решетках данных материалов, происходит внутренняя поляризация, в ответ на приложенное внешнее давление. В отличие от пьезорезистивных акселерометров, пьезоэлектрические акселерометры являются активными устройствами, так как они генерируют свои собственные заряды, и теоретически они не должны быть подключены к питанию. На рисунке 1 представлен процесс образования зарядов в пьезоэлектрическом материале [6].

Рисунок 1. Образование зарядов в пьезоэлектрическом материале

Пьезоэлектрический материал, используемый в акселерометре испытывает давления, пропорциональное ускорению, которое вызывает деформацию пьезоэлектрического материала. И следовательно, разделение электрических зарядов по обе стороны от пьезоэлектрического кристалла. Заряды созданные по обе стороны пьезоэлектрического кристалла уходят к верхнему и нижнему электроду, следовательно, напряжение V, на пьезоэлектрическом слое пропорционально ускорению [6;7]. На рисунке 2 показан пьезоэлектрический акселерометр консольного типа. В пьезоэлектрическом акселерометре консольного типа, консольная балка служит в качестве чувствительной массы и чувствительного элемента [8]. Ускорение вдоль оси чувствительности данного акселерометра вызывает изгиб кантилеверной балки, и таким образом оказывает давления на пьезоэлектрический материал ZnO. Затем заряд образованный материалом ZnO усиливается воспринимающим устройством.

Далее рассмотрим технологический маршрут изготовления пьезоэлектрического акселерометра консольного типа рисунок 3. В таблице 1 представлено обозначения слоев материалов, используемых в изготовлении данного пьезоэлектрического акселерометра [6;8].

Рисунок 2. Пьезоэлектрический акселерометр, состоящий из пьезоэлектрической пленки (ZnO) осажденной на консольную балку

Таблица 1.

Обозначения слоев материалов, используемых при изготовлении пьезоэлектрического акселерометра

1)  Очистка подложки штатным методом RCA для удаления различных загрязнений перед осаждением слоев рисунок 3 (а) [3;4].

2)  Нанесения слоя SiO₂ с помощью метода PECVD используя такие газы как моносилан SiH₄ и закись азота N₂O. Также используем относительно высокий поток Ar, для разложения реакционных газов на активные радикалы рисунок 3 (б) [2;5].

Рисунок 3. Технологический маршрут изготовления пьезоэлектрического акселерометра

3)  Нанесения фоторезиста методом центрифугирования и поверх него наносим слой фотошаблона рисунок 3 (в, г).

4)  Фотолитография вскрытие якорной области для пьезоэлектрического акселерометра рисунок 3 (д).

5)  Механическая структура данного акселерометра изготавливается из легированного фосфором поликристаллического кремния, который выступает в качестве нижнего электрода рисунок 3 (е). Нанесения поликристаллического кремния используя метод PECVD при помощи таких газов как моносилан SiH₄, фосфин РН₃и относительно высокий поток Ar.

6)  Нанесения слоя Si₃N₄. Данный слой наносим с помощью метода PECVD с помощью одной из представленных ниже реакций рисунок 3 (ё).

3 SiH₄ + 4 NH₃ → Si₃N₄ + 24 H₂,

3SiH₄ + 2N₂→ Si₃N₄ +6H₂

Слой Si₃N₄, осаждают на верхнюю часть поликристаллического кремния, которая действует как компенсатор для слоя ZnO, который имеет высокую сжимающую нагрузку.

7)  Нанесением слоя ZnO различными методами рисунок 3 (ж).

8)  Нанесение тонкого контактного слоя Pt с помощью электронно-лучевого напыления рисунок 3 (з).

9)  Удаления слоя SiO₂ и реализация конструкции с помощью 49% плавиковой кислоты (при комнатной температуре) в течение 1.5–2 минут. За тем на несколько минут поместить в деионизованную воду, после этого в спирт, затем поместить в сушильный шкаф на 10 минут при температуре 110°С рисунок 3 (и).

Пьезоэлектрические акселерометры являются акселерометрами с низкой мощностью и имеют преимущественно монолитные интегрированные схемы считывания, они не обладают откликом на постоянный ток, так как заряд генерируемый на пьезоэлектрическом элементе рассасывается при постоянно приложенной силе. Таким образом, низкая частота операций с пьезоэлектрическими акселерометрами невозможна. Более того, пьезоэлектрические коэффициенты материалов, которые определяют чувствительность, зависят от температуры. Температурное равновесие является необходимым для пьезоэлектрического акселерометра [6;8].

Такие акселерометры могут эффективно применяются для измерения различного рода колебаний высокой частоты.