CN110615402A - 一种简支悬臂梁结构mems压电矢量水听器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS压电矢量水听器及其制备方法，矢量水听器包括：多个压电传感芯片、对应的多个后置放大电路，以及灌封结构。压电传感芯片包括：质量块、悬臂梁和“回”形基底支撑结构；质量块与悬臂梁的一端相连；悬臂梁的另一端与“回”形基底支撑结构一侧内壁相连并设置有沟槽；“回”形基底支撑结构的另外三侧内壁与质量块、悬臂梁均不接触，形成U形狭缝；当有惯性力作用时，进行加速度电测得。本发明由于设置有沟槽结构，所以使原来的悬臂梁结构变成类简支结构，所以会明显提高水听器的灵敏度。压电复合简支弹性梁和质量块结构以及相应的灌封结构来构成MEMS压电矢量水听器，制备工艺相对简单，不需要微小气隙、灵敏度高、工作稳定、噪声低。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器及其制备方法。
背景技术
由于核潜艇的出现以及降噪技术的提高，对于水下目标的探测转为测试螺旋桨的低频噪声。矢量水听器能够测量声场中的矢量参数，如位移、速度、加速度等。相比于标量水听器，它的抗各向同性噪声能力得到了提高，可实现低频、远距离、多目标的识别。MEMS矢量水听器相比于传统矢量水听器具有体积小、低功耗、制造成本低、易成阵的优点。目前的MEMS矢量水听器有电阻式、电容式和压电式。电阻式矢量水听器虽然结构相对简单，但灵敏度较低，并且由于焦耳热的存在会有无法避免的热噪声。电容式矢量水听器虽然灵敏度较高，但易受寄生电容的影响，并且结构复杂，易粘连。压电式矢量水听器的工作温度性好、噪声低、工艺相对简单，并且不需要外界提供电源。但目前MEMS压电矢量水听器的灵敏度较低，不利于其的实用化。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、灵敏度高、工作稳定、噪声低且不需要微小气隙简支弹性梁结构MEMS压电矢量水听器及其制备方法。传统的MEMS压电矢量水听器的传感芯片采用悬臂梁、桥式结构等。为了提高传感芯片的灵敏度，进而提高MEMS压电矢量水听器的灵敏度，我们提出一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器，其传感芯片的核心部分由类简支结构的压电复合悬臂梁构成，从而提高了MEMS压电矢量水听器的灵敏度。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器，包括：多个压电传感芯片、对应的多个后置放大电路，以及灌封结构；其中，每个压电传感芯片粘贴并焊接在一个后置放大电路上，且分别沿灌封结构的X轴、Y轴、Z轴放置，并进内封。
优选地，每个压电传感芯片包括：质量块、悬臂梁和“回”形基底支撑结构；其中质量块与悬臂梁的一端相连；悬臂梁的另一端与“回”形基底支撑结构一侧内壁相连；其中，悬臂梁和“回”形基底支撑结构相连的一侧的上表面设置有沟槽；“回”形基底支撑结构的另外三侧内壁与质量块、悬臂梁均不接触，使得“回”形基底支撑结构的另外三侧内壁与质量块与悬臂梁组成U形狭缝；
具体地、沟槽使悬臂梁由固支结构状态变成类简支结构状态。
优选地，质量块包括SOI基底层；
悬臂梁包括复合层和压电单元，其中，复合层包括绝缘氧化层、SOI硅层和SOI氧化层；
“回”形基底支撑结构包括复合层和SOI基底层。
优选地、当有惯性力作用使“回”形基底支撑结构与质量块相对运动，导致悬臂梁产生形变，使悬臂梁上的压电单元产生电荷，实现加速度的电测得。
优选地，该MEMS压电矢量水听器的工作频率范围为10KHZ以下。
另一方面，本发明提供了一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器的制备方法，包括如下步骤：
制备多个如权利要求1的压电传感芯片(a)；将每个压电传感芯片(a)粘贴并焊接在一个后置放大电路(b)上，且分别沿灌封结构(c)的X轴、Y轴、Z轴放置，并进内封。
优选地，压电传感芯片通过以下步骤得到：
在基片上表面沉积绝缘氧化层下表面沉积氧化硅薄膜，基片自上至下包括SOI硅层、SOI氧化层和SOI基底层；
在绝缘氧化层上表面，自下至上制备下电极、压电层和上电极构成压电单元，其中，下电极和上电极为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，压电层为氧化锌压电膜、氮化铝薄膜、钙钛矿型压电膜或有机压电膜；
在氧化硅薄膜下表面沉积光刻胶复合膜；
对SOI基底层释放，得到第一U形孔和第二U形孔；
在第一U形孔和第二U形孔外表面沉积支撑层；
对第二U形孔对应区域的复合层进行刻蚀，形成U形狭缝，复合层包括绝缘氧化层、SOI硅层和SOI氧化层；对悬臂梁和“回”形基底支撑结构相连的一侧的上表面进行刻蚀，形成沟槽；
腐蚀支撑层、光刻胶复合膜、氧化硅薄膜和SOI氧化层并清洗。
优选地，第一U形孔和第二U形孔通过以下步骤得到：
在SOI基底层下表面沉积光刻胶复合膜，氧化硅薄膜与光刻胶复合膜组成体刻蚀掩膜，对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化；
对SOI基底层进行干法或湿法释放，形成第一U形孔和第二U形孔结构，使得第一U形孔与压电单元位置正对；第二U形孔与压电单元位置正对，第一U形孔和第二U形孔所包围的SOI基底层为质量块；
第一U形孔面积大于第二U形孔面积。
优选地，U形狭缝通过以下步骤得到：
得到第一U形孔和第二U形孔后，在基片背面镀一层狭缝刻蚀的支撑层；在基片正面涂光刻胶，曝光形成图形作为狭缝刻蚀的掩膜，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀基片正面的复合层，形成U形狭缝，U形狭缝宽度为0.1～50μm；U形狭缝位置与第二U形孔位置正对；
U形狭缝开口方向为压电单元所在位置，被U形狭缝包围的复合层部分为悬臂梁。
优选地，沟槽通过以下步骤得到：
在基片正面涂光刻胶，曝光形成图形作为狭缝刻蚀的掩膜，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀基片正面的复合层，形成沟槽，沟槽深度为1～200μm；沟槽宽度为1～3000μm。
优选地，支撑层为铝膜，厚度为0.1～5μm；在U形狭缝刻蚀完成后，在基片正面涂光刻胶，腐蚀基片背面剩余的支撑层、体刻蚀掩膜以及压电单元正下方的部分SOI氧化层。
优选地，压电层为氧化锌压电膜、氮化铝薄膜、钙钛矿型压电膜或有机压电膜；压电层的厚度为0.01～60μm。
优选地，SOI基底层厚度为100～500μm；SOI氧化层厚度为0.05～5μm；SOI硅层厚度为0.5～50μm；绝缘氧化层厚度为0.01～50μm。
优选地，下电极或上电极为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，铝厚度为0.01～1μm，铬层或钛层厚度为0.01～0.1μm，金层或铂层厚度为0.05～0.5μm。
优选地，体刻蚀掩膜对于湿法刻蚀为氮化硅与金/铬复合膜，对于干法刻蚀为氧化硅薄膜，氮化硅或者氧化硅薄膜厚度为0.01～10μm，金层厚度为0.05～0.5μm，铬层厚度为0.01～0.1μm。
本发明的优点在于：本发明中采用压电复合悬臂梁和质量块结构以及相应的灌封结构来构成MEMS压电矢量水听器。相对于目前的其它MEMS压电矢量水听器，本发明提供的MEMS压电矢量水听器在弹性梁固支端进行刻蚀，形成类简支的弹性梁结构，可明显提高水听器灵敏度。制备工艺相对简单，不需要微小气隙，具能够提高现有MEMS压电矢量水听器的灵敏度，同时具备无源器件，工作稳定、噪声低的优点。
附图说明
为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的MEMS压电矢量水听器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的MEMS压电矢量水听器的压电传感芯片的三维示意图；
图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图；
图4为沉积绝缘氧化层和氧化硅薄膜后的芯片剖面示意图；
图5为正面沉积下电极、压电层和上电极后的芯片剖面示意图；
图6为背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面示意图；
图7为体刻蚀后的芯片剖面示意图(以湿法体刻蚀为例)；
图8为沉积支撑层铝膜后的芯片剖面示意图；
图9为U形狭缝刻蚀后的芯片剖面示意图；
图10为沟槽刻蚀后的芯片剖面示意图；
图11为制备完成后压电传感器芯片的结构示意图。
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中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明。
图1为本发明实施例提供的MEMS压电矢量水听器的结构示意图，如图1所示，该压电矢量水听器包括：多个压电传感芯片a、对应的多个后置放大电路b，以及灌封结构c；其中，每个压电传感芯片a粘贴并焊接在一个后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置，并进内封。
图2为本发明实施例提供的MEMS压电矢量水听器的压电传感芯片的三维示意图，如图2所示，每个压电传感芯片包括：质量块3a、悬臂梁4a和“回”形基底支撑结构5a；其中质量块3a与悬臂梁4a的一端相连；悬臂梁4a的另一端与“回”形基底支撑结构5a一侧内壁相连；其中，悬臂梁4a和“回”形基底支撑结构5a相连的一侧的上表面设置有沟槽1b；“回”形基底支撑结构5a的另外三侧内壁与质量块3a、悬臂梁4a均不接触，使得“回”形基底支撑结构5a的另外三侧内壁与质量块3a与悬臂梁4a组成U形狭缝1a。其中，质量块3a包括SOI基底层3；悬臂梁4a包括复合层和压电单元，其中，复合层包括绝缘氧化层4、SOI硅层1和SOI氧化层2；压电单元包括下电极6、压电层7和上电极8；“回”形基底支撑结构包括复合层和SOI基底层3。压电单元对应的悬臂梁下方为第一U形孔10。其中，当有惯性力作用，使“回”形基底支撑结构5a与质量块3a相对运动，导致悬臂梁4a产生形变，使悬臂梁4a上的压电单元产生电荷，实现加速度的电测得。
该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。而且，该传感芯片在500HZ以下，还可以保持较高的灵敏度，可以很好的应用。
以下结合实施例1-10以及说明书附图，具体介绍该MEMS压电矢量水听器的制备方法。
实施例1
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI硅片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为100μm；SOI氧化层的厚度为3.5μm；SOI硅层的厚度为50μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积10μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积铂厚度为0.5μm，钛厚度为0.1μm的铂/钛复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的有机膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀有机膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使有机膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铂厚度为0.5μm，钛厚度为0.1μm的铂/钛复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积10μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为5μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为45μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例2
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为400μm；SOI氧化层的厚度为0.1μm；SOI硅层的厚度为0.5μm
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积0.1μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积0.1μm厚度的铝膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀铝膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使铝膜图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在所述下电极6的上表面制备0.01μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、10:1的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积0.1μm厚的铝，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积0.1μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为0.1μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12的材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为0.1μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例3
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为芯片的基片SOI硅片剖视图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为300μm；SOI氧化层的厚度为0.5μm；SOI硅层的厚度为5μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积1μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积5μm厚度的铝膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀铝膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使铝膜图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在所述下电极6的上表面制备0.1μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、10:1的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积0.5μm厚的铝，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积2μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为1μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为5μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例4
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为200μm；SOI氧化层的厚度为1μm；SOI硅层的厚度为15μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积2μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积1μm厚度的铝膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀铝膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使铝膜图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在所述下电极6的上表面制备5μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、10:1的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积1μm厚的铝，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积3μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为2μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为10μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例5
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为100μm；SOI氧化层的厚度为3μm；SOI硅层的厚度为20μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积3μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积金厚度为0.05μm，铬厚度为0.01μm的金/铬复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备10μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、10:1的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积金厚度为0.05μm，铬厚度为0.01μm的金/铬复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积4μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为2.5μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为15μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例6
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为500μm；SOI氧化层的厚度为5μm；SOI硅层的厚度为25μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积4μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积金厚度为0.1μm，铬厚度为0.05μm的金/铬复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的掺钒氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、10:1的磷酸：水腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积金厚度为0.1μm，铬厚度为0.05μm的金/铬复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积5μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为3μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为20μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例7
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为400μm；SOI氧化层的厚度为2μm；SOI硅层的厚度为30μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积6μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积金厚度为0.5μm，铬厚度为0.1μm的金/铬复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的氮化铝薄膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、氮化铝腐蚀液腐蚀氮化铝薄膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使氮化铝薄膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积金厚度为0.5μm，铬厚度为0.1μm的金/铬复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积6μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为3.5μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为25μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例8
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为300μm；SOI氧化层的厚度为4μm；SOI硅层的厚度为35μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积7μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积铂厚度为0.05μm，钛厚度为0.01μm的铂/钛复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的氧化锌膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铂厚度为0.05μm，钛厚度为0.01μm的铂/钛复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积7μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；
再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为4μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12的材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为35μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例9
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为200μm；SOI氧化层的厚度为2.5μm；SOI硅层的厚度为40μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积8μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积铂厚度为0.1μm，钛厚度为0.05μm的铂/钛复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的钙钛矿膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀掺钒氧化锌膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使掺钒氧化锌膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铂厚度为0.1μm，钛厚度为0.05μm的铂/钛复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积8μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；
其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为4.5μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12的材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为40μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
实施例10
1)清洗基片SOI硅片；
分别利用酸性清洗液和碱性清洗液对SOI硅片进行煮沸清洗，然后用去离子水进行去离子清洗，最后将SOI硅片用氮气吹干。图3为压电传感芯片的SOI基片剖面图，如图3所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；SOI基底层的厚度为100μm；SOI氧化层的厚度为3.5μm；SOI硅层的厚度为50μm。
2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5
在SOI硅层1的上表面和SOI基底层3的下表面利用热氧化炉分别沉积10μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，如图4所示。
3)制备下电极6
利用真空蒸镀方法在所述绝缘氧化层4的上表面沉积铂厚度为0.5μm，钛厚度为0.1μm的铂/钛复合层，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀复合层、丙酮去除光刻胶等工艺，使复合层图形化，形成下电极6。
4)制备压电层7
在下电极6的上表面制备30μm厚的有机膜，并依次进行涂覆光刻胶、曝光、显影、腐蚀液腐蚀有机膜、丙酮去除光刻胶等工艺，使有机膜图形化，形成压电层7。
5)采用剥离工艺制备上电极8
在硅基片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影后，在光刻胶上形成上电极的反图形，利用真空蒸镀设备沉积铂厚度为0.5μm，钛厚度为0.1μm的铂/钛复合层，最后用丙酮去除光刻胶，得到图形化的上电极8。
其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图5所示。
6)SOI基底层3的释放
对氧化硅薄膜5的下表面沉积10μm厚的光刻胶复合膜9，氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化，如图6所示；再进一步，对SOI基底层由外向内进行干法刻蚀，形成第一U形孔10和第二U形孔11；
其中，第一U形孔10的面积大于第二U形孔11的面积，第一U形孔10正对着压电单元，同时在第一U形孔10的和第二U形孔11之间形成质量块3a，如图7所示。
7)沉积支撑层12
利用电子束蒸发方法在第一U形孔10和第二U形孔11的外表面上镀有厚度为5μm的狭缝刻蚀的支撑层12，支撑层12的材质为铝，如图8所示。
8)U形狭缝1a的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对复合层正对第二U形孔11的部分进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成宽度为45μm的U形狭缝1a，如图9所示。
9)沟槽1b的刻蚀
在基片SOI硅片的上表面涂覆光刻胶并图形化，对基底支撑结构与悬臂梁相连的一端的进行高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀，形成深度1μm～200μm，宽度1μm～3000μm的沟槽1b，如图10所示。
在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12、氧化硅薄膜5、SOI氧化层2以及光刻胶复合膜9，如图11所示，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。
10)MEMS矢量水听器的封装
把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图11为制备完成后压电传感器芯片的示意图。使用环氧树脂以及电焊接将1-3个压电传感芯片a分别对应粘贴并焊接在相应的后置放大电路b上，且分别沿灌封结构c的X轴、Y轴、Z轴放置在由聚氨酯灌注而成的灌封结构c中，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。
需要说明的是，本发明实施例所用的压电层材料氧化锌压电膜、氮化铝薄膜、钙钛矿型压电膜或有机压电膜在各实施例中，是可以互换的。
本发明实施例提供的一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器，首先，在SOI基片正面形成硅层和热氧层所构成的复合振动膜，然后在复合振动膜之上先后淀积金属下电极、压电层以及上电极；在基片的反面沉积氮化硅和Au/Cr复合金属膜来构成湿法体硅刻蚀的掩膜(对于干法体刻蚀，掩膜为氧化硅)；对硅基片背面的体刻蚀掩膜层光刻、刻蚀，形成体刻蚀所需的掩膜图形；体刻蚀，释放出复合振动膜，并在硅基片的背面沉积铝膜，作为正面狭缝刻蚀时，对振动膜的支撑层；通过干法刻蚀技术在复合振动膜的上刻蚀出U形狭缝，使方形振动膜变成悬臂梁振动膜；并在悬臂梁的根部刻蚀沟槽，使悬臂梁由固支状态变成类简支状态，腐蚀背面的铝膜支撑层，完成传感芯片的制备。
将制备好的压电传感芯片粘接到后置放大电路板上，并完成相应电连接，把以上焊接好的1-3个压电传感芯片和后置放大电路相互垂直放置在灌封材料灌注的壳体中，完成MEMS压电矢量水听器的封装。采用本发明实施例的方法制备的MEMS压电矢量水听器结构，相对于MEMS压阻式可以明显提高灵敏度，并且制备工艺相对简单，同时，不需要MEMS电容式矢量水听器中的微小气隙，工作时不需要偏置电压，且是一种无源器件，因而噪声很低。由于采用类简支压电复合悬臂梁结构，所以相对于普通MEMS压电矢量水听器，其灵敏度将有大的提高。
本发明实施例提供的压电传感器芯片是由质量块和由压电层和硅基底层形成的复合弹性悬臂梁构成。在MEMS矢量水听器中，当有惯性力作用时，压电悬臂梁产生形变，使其压电薄膜表面产生电荷，经放大电路放大后，获取电压信号，可以实现对水中矢量信息的电气测量。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器，包括：多个压电传感芯片(a)、对应的多个后置放大电路(b)，以及灌封结构(c)；其中，每个压电传感芯片(a)粘贴并焊接在一个后置放大电路(b)上，且分别沿所述灌封结构(c)的X轴、Y轴、Z轴放置，并进内封；其特征在于，
所述每个压电传感芯片(a)包括：质量块(3a)、悬臂梁(4a)和“回”形基底支撑结构(5a)；其中所述质量块(3a)与所述悬臂梁(4a)的一端相连；所述悬臂梁(4a)的另一端与所述“回”形基底支撑结构(5a)一侧内壁相连；其中，悬臂梁(4a)和“回”形基底支撑结构(5a)相连的一侧的上表面设置有沟槽(1b)；所述“回”形基底支撑结构(5a)的另外三侧内壁与所述质量块(3a)、所述悬臂梁(4a)均不接触，使得所述“回”形基底支撑结构(5a)的另外三侧内壁与所述质量块(3a)与所述悬臂梁(4a)组成U形狭缝(1a)。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电矢量水听器，其特征在于，
所述质量块(3a)包括SOI基底层；
所述悬臂梁(4a)包括复合层和压电单元，其中，所述复合层包括绝缘氧化层(4)、SOI硅层(1)和SOI氧化层(2)；
所述“回”形基底支撑结构(5a)包括复合层和SOI基底层(3)。
3.根据权利要求1所述的MEMS压电矢量水听器，其特征在于，所述MEMS压电矢量水听器的工作频率范围为10KHZ以下。
4.根据权利要求1所述的MEMS压电矢量水听器，其特征在于，所述沟槽(1b)使悬臂梁(4a)由固支结构状态变成类简支结构状态。
5.一种简支悬臂梁结构MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备多个如权利要求1所述的压电传感芯片(a)；将每个压电传感芯片
(a)粘贴并焊接在一个后置放大电路(b)上，且分别沿灌封结构(c)的X 轴、Y轴、Z轴放置，并进内封。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述压电传感芯片(a)通过以下步骤得到：
在基片上表面沉积绝缘氧化层(4)下表面沉积氧化硅薄膜(5)，所述基片自上至下包括SOI硅层(1)、SOI氧化层(2)和SOI基底层(3)；
在所述绝缘氧化层(4)上表面，自下至上制备下电极(6)、压电层(7)和上电极(8)构成压电单元，其中，所述下电极(6)和上电极(8)为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，所述压电层(7)为氧化锌压电膜、氮化铝薄膜、钙钛矿型压电膜或有机压电膜；
在所述氧化硅薄膜(5)下表面沉积光刻胶复合膜(9)；
对所述SOI基底层(3)释放，得到第一U形孔(10)和第二U形孔(11)；
在第一U形孔(10)和第二U形孔(11)外表面沉积支撑层(12)；
对第二U形孔(11)对应区域的复合层进行刻蚀，形成U形狭缝(1a)，所述复合层包括绝缘氧化层(4)、SOI硅层(1)和SOI氧化层(2)；
对悬臂梁(4a)和“回”形基底支撑结构(5a)相连的一侧的上表面进行刻蚀，形成沟槽(1b)；
腐蚀支撑层(12)、光刻胶复合膜(9)、氧化硅薄膜(5)和SOI氧化层(2)并清洗。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一U形孔(10)和第二U形孔(11)通过以下步骤得到：
在所述SOI基底层(3)下表面沉积光刻胶复合膜(9)，所述氧化硅薄膜(5)与所述光刻胶复合膜(9)组成体刻蚀掩膜，对所述体刻蚀掩膜进行双面曝光图形化；
对所述SOI基底层(3)进行干法或湿法释放，形成第一U形孔(10)和第二U形孔(11)结构，使得所述第一U形孔(10)与压电单元位置正对；第二U形孔(11)与压电单元位置正对，所述第一U形孔(10)和第二U形孔(11)所包围的SOI基底层(3)为质量块(3a)；
所述第一U形孔(10)面积大于第二U形孔(11)面积。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述沟槽(1b)通过以下步骤得到：
在所述基片正面涂光刻胶，曝光形成图形作为狭缝刻蚀的掩膜，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀所述基片正面的复合层，形成沟槽(1b)，所述沟槽(1b)深度为1～200μm；所述沟槽(1b)宽度为1～3000μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述U形狭缝(1a)通过以下步骤得到：
得到所述第一U形孔(10)和第二U形孔(11)后，在所述基片背面镀一层狭缝刻蚀的支撑层(12)；在所述基片正面涂光刻胶，曝光形成图形作为狭缝刻蚀的掩膜，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀所述基片正面的复合层，形成U形狭缝(1a)，所述U形狭缝(1a)宽度为0.1～50μm；所述U形狭缝(1a)位置与所述第二U形孔(11)位置正对；
所述U形狭缝(1a)开口方向为所述压电单元所在位置，被所述U形狭缝(1a)包围的复合层部分为悬臂梁(4a)。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述支撑层(12)为铝膜，厚度为0.1～5μm；
在所述U形狭缝(1a)刻蚀完成后，在所述基片正面涂光刻胶，腐蚀所述基片背面剩余的支撑层(12)、体刻蚀掩膜以及压电单元正下方的部分SOI氧化层(2)。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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