CN115711693A - 压电传感器及其驱动方法、振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种压电传感器及其驱动方法、振动装置，本发明通过将厚度大于衬底基板厚度的压电层分成至少两个子压电层，在驱动压电层振动时，可以驱动不同的子压电层处于相反的驱动状态，使各子压电层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种压电传感器及其驱动方法、振动装置。
背景技术
锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)因具有优良的压电性能、热释电性能、铁电性能和介电性能而被广泛地应用在微电子机械***(MEMS)中，使用PZT薄膜作为力学侦测器被广泛研究。近期开发的热点为使用PZT薄膜做为执行器(Actuator)，可用于PMUT(压电式微加工超声换能器)、薄膜低频振动器、超声触觉器件等方向使用，其结构为使用PZT薄膜带动结构体产生变形，进而实现各种功能。
发明内容
本发明实施例提供了一种压电传感器及其驱动方法、振动装置，用以提高压电传感器的性能。
本发明实施例提供的一种压电传感器，包括：衬底基板，以及位于所述衬底基板上依次层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层；其中，
所述压电层包括层叠设置的至少两个子压电层，全部所述子压电层的厚度之和大于所述衬底基板的厚度；
相邻所述子压电层之间具有公共电极层，所述第一电极层、所述第二电极层分别与相互独立的交流信号端电连接，所述公共电极层接地。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电传感器中，所述至少两个子压电层包括层叠设置的第一子压电层和第二子压电层，所述第一子压电层和所述第二子压电层之间具有所述公共电极层。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电传感器中，所述压电层振动变形产生的应力中性层位于所述第一子压电层和所述第二子压电层之间的公共电极层内。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电传感器中，所述第一子压电层靠近所述第一电极层；
所述压电传感器还包括：位于所述第一电极层和所述第一子压电层之间的第一晶格缓冲层，以及位于所述公共电极层和所述第二子压电层之间的第二晶格缓冲层。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电传感器中，所述第一晶格缓冲层的材料为HfO2或LiNbO3，所述第二晶格缓冲层的材料为HfO2或LiNbO3。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的压电传感器中，所述子压电层的厚度大于或等于400nm。
相应地，本发明实施例还提供了一种振动装置，包括上述任一项所述的压电传感器。
相应地，本发明实施例还提供了一种用于驱动上述任一项所述的压电传感器的驱动方法，包括：
向所述公共电极层输入接地信号，分别向所述第一电极层、所述第二电极层输入相应的交流电压，使得不同的所述子压电层处于反向驱动状态。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的驱动方法中，所述第一子压电层的极化方向和所述第二子压电层的极化方向相反，向所述第一电极层和所述第二电极层输入的交流电压均为正电压或均为负电压。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的驱动方法中，所述第一子压电层的极化方向和所述第二子压电层的极化方向相同，向所述第一电极层和所述第二电极层中的一个电极层输入的交流电压为正电压，向另一个电极层输入的交流电压为负电压。
本发明实施例的有益效果如下：
本发明实施例提供了一种压电传感器及其驱动方法、振动装置，本发明通过将厚度大于衬底基板厚度的压电层分成至少两个子压电层，在驱动压电层振动时，可以驱动不同的子压电层处于相反的驱动状态，使各子压电层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
附图说明
图1为相关技术中提供的一种压电传感器的结构示意图；
图2为图1所示的压电传感器在不同振动频率下温度随时间变化的曲线；
图3为本发明实施例提供的一种压电传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种压电传感器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种压电传感器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“内”、“外”、“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
传统PZT薄膜在应用时，若基板的厚度远大于PZT薄膜的厚度，则应力中性层落于基板中，若PZT薄膜的厚度远大于基板的厚度，此时应力中性层落于薄膜内部，如图1所示，图1为示意的一种传统压电传感器的结构，该压电传感器包括衬底基板1以及位于衬底基板1上依次层叠设置的第一电极层2、压电层3和第二电极层4，利用逆压电效应，将第一电极层2接地，通过向第二电极层4加载高频交流电压信号，实现对压电层3的高频交流电压信号的施加，从而产生高频振动，压电层3振动带动衬底基板1弯曲变形，材料发生弯曲变形时，其内部切向应力为零的所有位置所形成的面称为应力中性层。图1中的压电层3的厚度大于衬底基板1的厚度，虚线L为应力中性层，落于压电层3内部，压电层3内会形成张应力区与压应力区，但压电层3一般极化方向(箭头A)产生的逆压电效应力学方向为一致，若压电层3内部存在此应力中性层，则压电层3内部存在一半的应力与促使压电层3振动的力方向相反，即压电层3内部产生反向应力降低能效，将导致压电器件的振动性能大幅下降，且有发热问题，近而导致谐振锋偏。如图2所示，图2为不同振动频率下温度(Temperature)随振动时间(Vibration time)的变化曲线示意图，可以看出，随着振动时间的变化，压电传感器的温度先不断上升然后迟于平缓，即压电传感器存在发热问题。综上，传统压电传感器由于应力中性层位于压电层内部，导致压电器件的振动性能大幅下降，且有发热问题。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种压电传感器，如图3所示，包括：衬底基板1，以及位于衬底基板1上依次层叠设置的第一电极层2、压电层3和第二电极层4；其中，
压电层3包括层叠设置的至少两个子压电层(以两个子压电层31和32为例)，全部子压电层(31和32)的厚度之和大于衬底基板1的厚度；
相邻子压电层(31和32)之间具有公共电极层5，第一电极层2、第二电极层4分别与相互独立的交流信号端(图3未示出)电连接，公共电极层5接地(图3未示出)。
本发明实施例提供的上述压电传感器，通过将厚度大于衬底基板厚度的压电层分成至少两个子压电层，在驱动压电层振动时，可以驱动不同的子压电层处于相反的驱动状态，使各子压电层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层(虚线所示)上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
在具体实施过时，利用逆压电效应，将公共电极层5接地，通过向第一电极层2和第二电极层4加载相应的高频交流电压信号(VAC)，实现对各子压电层的高频交流电压信号的施加，从而产生高频振动。
需要说明的是，本发明实施例提供的压电传感器中的衬底基板1、第一电极层2、压电层3和第二电极层4均为面状结构，当本发明实施例提供的压电传感器应用到振动装置中时，振动装置包括呈阵列分布的多个本发明实施例提供的压电传感器。
在具体实施过程中，上述衬底基板可以为由玻璃制成的基板，还可以为由硅或二氧化硅(SiO2)制成的基板，还可以为由蓝宝石制成的基板，还可以为由金属晶圆制成的基板，在此不做限定，本领域技术人员可以根据实际应用需要来设置上述衬底基板。
在具体实施过程中，上述各电极层可以是由氧化铟锡(ITO)制成，还可以是由氧化铟锌(IZO)制成，还可以是由钛金(Ti-Au)合金、钛铝钛(Ti-Al-Ti)合金、钛钼(Ti-Mo)合金中的一种制成，此外，还可以是由铂金(Pt)、钛(Ti)、金(Au)、银(Ag)、钼(Mo)、铜(Cu)、钨(W)、铬(Cr)中的一种制成，本领域技术人员可以根据实际应用需要来设置上述各电极层，在此不做限定。
在具体实施时，本发明实施例中的压电层不限于锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3，PZT)，还可以是氮化铝(AlN)、ZnO(氧化锌)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、铌酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)中的至少一种，具体可以根据本领域技术人员的实际使用需要来选择制作压电层的材料，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，如图3所示，至少两个子压电层(31和32)包括层叠设置的第一子压电层31和第二子压电层32，第一子压电层31和第二子压电层32之间具有公共电极层5。具体地，压电层3的切分层数可以>2层，在驱动压电层3时，可采用分层驱动，例如第一层→第二层→第一层→第二层，或是第一层加载驱动电压0-10V，第二层加载驱动电压-10-0V的波形激励。若压电层3的切分层数更多，则排列组合亦多，可以避免热量累积在压电层3内部，从而提高器件性能。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，如图3所示，压电层3振动变形产生的应力中性层(虚线所示)位于第一子压电层31和第二子压电层32之间的公共电极层5内，在此结构下，可形成中性层(虚线所示)上方与下方反向位移输出，因此可避免压电层3内部产生反向应力降低效能的问题。
本发明实施例图3所示的压电传感器，通过向公共电极层输入接地信号，分别向第一电极层31、第二电极层32输入相应的交流电压，使得不同的子压电层(31和32)处于反向驱动状态，可形成中性层上方与下方反向位移输出，避免压电层3内部产生反向应力降低效能的问题。下面对采用本发明实施例图3所示的压电传感器能够实现避免压电层3内部产生反向应力降低效能的问题的具体驱动方式进行说明：
如图4所示，第一子压电层31的极化方向为箭头B所示，第二子压电层32的极化方向为箭头C所示，第一子压电层31的极化方向和第二子压电层32的极化方向相反，可以向第一电极层31和第二电极层32输入交流电压均为正电压或均为负电压的信号，从而使得第一电极层31和第二电极层32处于相反的驱动状态，使第一电极层31和第二电极层32振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层(虚线所示)上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
如图5所示，第一子压电层31的极化方向为箭头D所示，第二子压电层32的极化方向为箭头E所示，第一子压电层31的极化方向和第二子压电层32的极化方向相同，可以向第一电极层31和第二电极层32中的一个电极层(例如第一电极层31)输入交流电压为正电压的信号，向另一个电极层(例如第二电极层32)输入交流电压为负电压的信号，从而也可以使第一电极层31和第二电极层32处于相反的驱动状态，使第一电极层31和第二电极层32振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层(虚线所示)上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，如图3所示，第一子压电层31靠近第一电极层2；
压电传感器具有晶体特性，以压电层3的材料为PZT，第一电极层2和第二电极层4的材料为ITO为例，PZT的晶格常数为0.389nm，ITO的晶格常数为1.022nm，若直接在ITO上形成PZT，由于二者的晶格常数相差较大，ITO和PZT界面的晶格适配性较差，影响PZT的性能，因此为了形成性能较佳的PZT膜层，本发明实施例提供的压电传感器还包括：位于第一电极层2和第一子压电层31之间的第一晶格缓冲层6，以及位于公共电极层5和第二子压电层32之间的第二晶格缓冲层7。通过选择与压电层3的晶格常数相匹配的晶格缓冲层，有利于压电层3的形成(结晶性较好)，提高压电层3的压电性能。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，如图3所示，第一晶格缓冲层6的材料可以为但不限于HfO2或LiNbO3，第二晶格缓冲层7的材料可以为但不限于HfO2或LiNbO3。具体地，以第一晶格缓冲层6的材料和第二晶格缓冲层7的材料均为LiNbO3(简称LNO)为例，PZT的晶格常数为0.389nm，LNO的晶格常数为0.384nm，ITO的晶格常数为1.022nm，PZT的晶格常数和LNO的晶格常数接近，因此使用LNO作为晶格缓冲层，有利于压电层的形成(结晶性较好)，从而提高压电层的压电性能。
另外，由于LNO本身导电，相比于HfO2，可以进一步提升导电度。
在具体实施时，虽然在各电极层和子压电层之间设置对应的晶格缓冲层，对于单层子压电层厚度较薄的话，仍然存在晶格适配问题，即子压电层的形变效果不佳。子压电层的形变量越大，压电性能越好。因此本案的发明人对采用不同厚度的子压电层的压电传感器进行的压电常数测试(d33测试)，发明人发现当各子压电层的厚度大于或等于400nm时，子压电层的形变量较大，因此在本发明实施例提供的上述压电传感器中，如图3所示，各子压电层(31和32)的厚度大于或等于400nm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种用于驱动上述任一项的压电传感器的驱动方法，包括：
向公共电极层输入接地信号，分别向第一电极层、第二电极层输入相应的交流电压，使得不同的子压电层处于反向驱动状态。
本发明实施例提供的上述压电传感器的驱动方法，通过在驱动压电层振动时，可以驱动不同的子压电层处于相反的驱动状态，使各子压电层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
在一种可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，第一子压电层的极化方向和第二子压电层的极化方向相反，向第一电极层和第二电极层输入的交流电压均为正电压或均为负电压，从而使得第一电极层和第二电极层处于相反的驱动状态，使第一电极层和第二电极层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
在一种可能的实施方式中，在本发明实施例提供的上述压电传感器中，第一子压电层的极化方向和第二子压电层的极化方向相同，向第一电极层和第二电极层中的一个电极层输入的交流电压为正电压，向另一个电极层输入的交流电压为负电压，从而使得第一电极层和第二电极层处于相反的驱动状态，使第一电极层和第二电极层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
具体地，压电传感器的驱动方法可以参见前述一种压电传感器的实施方式，在此不做赘述。
当然，该压电传感器除了上述提及的各种膜层之外，还可以根据实际应用设置其它膜层。
本发明实施例提供的压电传感器可应用于医疗，汽车电子，运动追踪***等领域。尤其适用于可穿戴设备领域，医疗体外或植入人体内部的监测及治疗使用，或者应用于人工智能的电子皮肤等领域。具体地，可以将压电传感器应用于刹车片、键盘、移动终端、游戏手柄、车载等可产生振动和力学特性的装置中。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种振动装置，包括本发明实施例提供的上述压电传感器。由于该振动装置解决问题的原理与前述一种压电传感器相似，因此该振动装置的实施可以参见前述压电传感器的实施，重复之处不再赘述。
在具体实施时，可以将振动装置与触控屏在一起，通过触控屏可以确定人体触控的位置，从而产生对应的振动波形、振幅和频率，可以实现人机交互。再比如，还可以将振动装置复用为压电体，通过压电传感器确定人体触控的位置，从而产生对应的振动波形、振幅和频率，可以实现人机交互。当然，还可以根据实际需要将振动装置应用在医疗，汽车电子，运动追踪***等领域，在此不再详述。
本发明实施例提供的一种压电传感器及其驱动方法、振动装置，本发明通过将厚度大于衬底基板厚度的压电层分成至少两个子压电层，在驱动压电层振动时，可以驱动不同的子压电层处于相反的驱动状态，使各子压电层振动时力学输出具有180°相位差，这样可形成中性线层上方与下方反向位移输出，即每一子压电层内部的应力反向与促使压电层振动的力方向相同，因此可避免压电层内部产生反向应力降低能效的问题，并且可以避免热量积累在压电层内部，从而提升压电传感器的振动性能。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种压电传感器，其特征在于，包括：衬底基板，以及位于所述衬底基板上依次层叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层；其中，
所述压电层包括层叠设置的至少两个子压电层，全部所述子压电层的厚度之和大于所述衬底基板的厚度；
相邻所述子压电层之间具有公共电极层，所述第一电极层、所述第二电极层分别与相互独立的交流信号端电连接，所述公共电极层接地。
2.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述至少两个子压电层包括层叠设置的第一子压电层和第二子压电层，所述第一子压电层和所述第二子压电层之间具有所述公共电极层。
3.如权利要求2所述的压电传感器，其特征在于，所述压电层振动变形产生的应力中性层位于所述第一子压电层和所述第二子压电层之间的公共电极层内。
4.如权利要求2所述的压电传感器，其特征在于，所述第一子压电层靠近所述第一电极层；
所述压电传感器还包括：位于所述第一电极层和所述第一子压电层之间的第一晶格缓冲层，以及位于所述公共电极层和所述第二子压电层之间的第二晶格缓冲层。
5.如权利要求4所述的压电传感器，其特征在于，所述第一晶格缓冲层的材料为HfO2或LiNbO3，所述第二晶格缓冲层的材料为HfO2或LiNbO3。
6.如权利要求1-5任一项所述的压电传感器，其特征在于，所述子压电层的厚度大于或等于400nm。
7.一种振动装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的压电传感器。
8.一种用于驱动如权利要求1-6任一项所述的压电传感器的驱动方法，其特征在于，包括：
向所述公共电极层输入接地信号，分别向所述第一电极层、所述第二电极层输入相应的交流电压，使得不同的所述子压电层处于反向驱动状态。
9.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述第一子压电层的极化方向和所述第二子压电层的极化方向相反，向所述第一电极层和所述第二电极层输入的交流电压均为正电压或均为负电压。
10.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述第一子压电层的极化方向和所述第二子压电层的极化方向相同，向所述第一电极层和所述第二电极层中的一个电极层输入的交流电压为正电压，向另一个电极层输入的交流电压为负电压。
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|---|---|---|---|---|
| CN116412941A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-11 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems压电式压力传感器及其制备方法 |
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2021
- 2021-08-19 CN CN202110953439.6A patent/CN115711693A/zh active Pending
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| CN116412941A (zh) * | 2023-06-12 | 2023-07-11 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems压电式压力传感器及其制备方法 |
| CN116412941B (zh) * | 2023-06-12 | 2023-09-05 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems压电式压力传感器及其制备方法 |
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