CN115697016B - 基于d15和d22的叉指型压电振动传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体器件加工制造技术领域，具体为一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器及制备方法，通过将铌酸锂和硅基片在低温条件下键合在一起，再进行减薄和抛光工艺；在铌酸锂表面通过溅射和剥离工艺制备叉指电极；此后，在铌酸锂表面刻蚀压电悬臂梁和质量块；在硅基片背面进行空腔和器件释放从而完成压电振动传感器件的制备。本发明制备的压电振动传感器通过差分电荷的形式进行电荷采集，极大地改善了矩形悬臂梁应力分布不均匀导致的的电荷分布不均匀问题，制造工艺简单，成品率高和重复性好，适用于宽频高加速度的测试环境中，对于极端环境中振动信号采集具有很好的应用价值。

Description

基于d15和d22的叉指型压电振动传感器及制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件加工制造技术领域，具体为一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器及制备方法，并对该传感器进行性能测试。

背景技术

如何在高频环境中对振动信号提取和测量，是当今世界对传统振动传感器提出的严峻挑战，基于压电式的振动传感器成为未来解决振动信号测量的一个主要方向点。常见的压电材料可以分为压电单晶体（石英）和多晶体压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸锂系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等）。

压电系数的大小决定了压电振动传感器性能的好坏。目前，压电振动传感器的制备常使用PZT薄膜、铌镁酸铅（PMN-PT）和铌酸锂。PZT薄膜和驰豫铁电PMN-PT作为压电材料具有很高的能量密度，压电系数较大，居里温度在300℃以上和易于工艺制备等优势，但其性能相对不稳定，且存在铅元素和制备过程中存在MEMS工艺不兼容的问题。铌酸锂是一种无铅铁电单晶，居里温度高，本身具备力电耦合性能并且其压电常数非常稳定，其压电系数对温度的依赖性较小，在极端环境，尤其是在低温、辐照等恶劣环境中具有巨大应用潜力。

基于铌酸锂铁电薄膜的压电振动传感器有d₁₅（68pC/N），d₃₁（-1pC/N），d₂₂（22pC/N）和d₃₃（6pC/N）工作模式，而机电耦合系数、输出电荷灵敏度和线性度是衡量压电传感器件的重要指标。虽然传统悬臂梁在梁与基座相交处和梁与质量块交界处存在较大的应力，但是同一悬臂梁所受到的应力并不是恒正或者恒负的电荷状态，因此在采用方块电极进行电荷采集时，会造成正负输出电荷的抵消，从而降低电荷的采集效率和压电性能。

发明内容

本发明目的是提供一种基于d₁₅和d₂₂工作模式的叉指电极型压电振动传感器及制备方法，制备过程中采用的是Y切铌酸锂晶片，对于此类晶片制备的传感器在纵向振动时利用d₁₅和d₂₂工作模式产生较多的输出电荷，旨在通过两个相互交叉的梳齿状电极采集电荷后进行差分输出，提高传感器的输出电荷性能。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、制备LiNbO₃/SiO₂/Si层键合片：对Y切铌酸锂晶片和双抛硅基片进行酸洗和碱洗，在抛光硅基片表面采用PECVD生长一层二氧化硅薄膜，然后与Y切铌酸锂晶片进行低温键合；

步骤二、将硅基铌酸锂键合片进行清洗，采用磁控溅射、光刻和剥离工艺在传感器的悬臂梁上制备标记图案和叉指电极；位于传感器的每个悬臂梁上布置一组叉指电极，该一组叉指电极为两个相互咬合交叉的梳齿状电极；

步骤三、采用IBE刻蚀铌酸锂薄膜，以及采用RIE刻蚀二氧化硅薄膜；在铌酸锂正面旋涂光刻胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成硅基压电悬臂梁和质量块的制备；

步骤四、在硅基背部喷胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成背部空腔和器件的释放。

制得所述d₁₅和d₂₂工作模式叉指电极型压电振动传感器，然后进行引线键合和封装工艺，使用振动台进行振动环境下的电荷测试。

进一步优选的，制备的传感器中，Si基底的厚度为450~500μm；SiO₂的厚度为1~3μm；LiNbO₃的厚度为4~6μm；叉指电极的厚度为200~300nm，叉指电极的指宽和指间距均为15μm；悬臂梁和质量块的厚度为50~80μm。

进一步优选的，步骤一中，在进行低温键合时，键合压力为1000~2000N，键合的温度条件为80~120℃，在120~150℃条件下进行3h退火处理。

进一步优选的，步骤二中，制备标记图案和叉指电极使用AZ 5214反转胶进行图案掩膜，使用参数为：热板95℃前烘2min，曝光剂量为45mJ/cm²，热板110℃中烘90s，泛曝剂量为540mJ/cm²，并用AZ 238显影液进行显影。

标记图案为10nm铬和50nm金，叉指电极为20nm铬和200nm金，具体步骤为：光刻标记图案后，磁控溅射Cr/Au，剥离标记图案，再光刻叉指电极，磁控溅射Cr/Au，剥离叉指电极。

进一步优选的，步骤三中，IBE刻蚀和RIE刻蚀采用AZ 4620光刻胶掩膜，旋涂胶厚为15μm，显影液采用AZ 400 K与水配比为1:3。

其中，IBE刻蚀采用的气体为Ar，气体通量设置为5，因为气体通量设置较大会导致腔体内温度急剧升高，铌酸锂晶体会因导热性差而裂开。

进一步优选的，步骤四中，喷胶采用AZ 4620光刻胶，旋涂16圈，胶厚为60μm，在进行显影时采用AZ 400K与水配比为1:2，深硅刻蚀速率为1.5~2Loop/μm。

本发明制备的传感器上每个悬臂梁的两个叉指型电极全部接入PCB的焊盘连接头，与差分电荷电路两端相连接，最终输出电荷为两叉指电极采集电荷值的差值。传统的矩形电极采用单端输出，并且所受应力分布不均匀，会导致输出电荷量与叉指电极输出电荷量相比而大幅减少。对振动测试后的数据通过origin和excel软件进行同一加速度值不同振动频率的电荷比较和同一振动频率下的不同加速度值下的电荷比较。

本发明所述的基于d₁₅和d₂₂工作模式的叉指电极压电振动传感器的制备方法，通过将铌酸锂晶片和带氧化层的硅基键合，在铌酸锂薄膜表面溅射、刻蚀、剥离等工艺制备标记图案和叉指电极，并用IBE和RIE对铌酸锂薄膜和氧化硅层图形化，最后从正面采用深硅刻蚀悬臂梁和质量块，背部深硅刻蚀空腔以及完成器件释放，最后对封装后的器件采用差分电荷输出的方式测试压电传感器的压电性能。本发明的制备方法可以很好的将铌酸锂薄膜和带氧化层的硅基键合在一起，完成了宽频带，高加速度值和高电荷输出的传感器件制备，工艺制备可行性好和抗疲劳特性强。本发明采用的铌酸锂压电材料极化方向和受力方向一致，同垂直于电极方向。通过MATLAB软件对切型与压电常数仿真得出Y切铌酸锂晶片在纵向振动时可由压电系数d₁₅和d₂₂共同决定压电性能的好坏。

本发明方法设计合理，制造工艺简单，成品率高和重复性好，制备的压电振动传感器通过差分电荷的形式进行电荷采集，极大地改善了矩形悬臂梁应力分布不均匀导致的电荷分布不均匀问题，减小干扰的同时，更有利远距离信号传输，适用于宽频高加速度的测试环境中，对于恶劣环境中振动信号检测和采集具有良好的应用价值。

附图说明

为了更加清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1表示基于铌酸锂铁电薄膜的压电振动传感器的工作模式示意图；其中：（a）表示压电系数d₂₂工作模式，（b）表示压电系数d₁₅工作模式。

图2表示本申请中d₁₅和d₂₂工作模式叉指型悬臂梁压电振动传感器的制备方法流程图。

图3表示本申请中铌酸锂和硅基片所得的键合片结构示意图。

图4表示本申请中MEMS压电振动传感器的工艺流程图。

图5表示本申请中d₁₅和d₂₂工作模式叉指型悬臂梁压电振动传感器的结构示意图。其中：（a）表示传感器整体结构示意图，（b）表示悬臂梁上叉指型结构的放大示意图。

图6表示COMSOL软件仿真器件位移值与激光多普勒测试实验位移测试曲线对比图。

图7表示施加加速度为10g，频率为500Hz时，叉指型和矩形电极型压电振动传感器输出电荷性能的分析示意图。

图8表示本申请实施例1中MEMS压电振动传感器在20~2400Hz 频段内，输入5~25g激励时的输出电荷曲线。

图9表示压电传感器的振动测试原理图。

图9中：1-PC端，2-函数发生器，3-功率放大器，4-电压源，5-校准传感器，6-被测传感器，7-振动台，8-电荷放大器，9-示波器。

图10表示PCB设计版图和压电振动传感器的实物封装图；其中：（a）表示完成器件制备之后的PCB电路板设计版图，（b）表示传感器的接线，（c）表示封装设计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图2所示，本申请实施例中基于d₁₅和d₂₂工作模式的叉指型压电振动传感器的制备方法，具体步骤如下：

步骤S1：选择基材（Y切铌酸锂晶片和全抛光硅基片），对基材进行清洗。在硅基片表面采用PECVD生长一层SiO₂薄膜，并将其与铌酸锂在低温环境下进行键合、研磨和抛光等工艺，形成硅基铌酸锂键合片。

本步骤中所使用化学试剂溶液清洗主要是为了去掉铌酸锂晶片和硅基片表面残留的有机物和杂质，确保后续氧化硅生长的平整度和键合工艺顺利进行。

步骤S2：制备标记图案和叉指电极

在铌酸锂薄膜表面先进行标记图案的制备，通过旋涂AZ 5214光刻胶，转速设置为低速1000r，时间为15s，高速3000r，时间为40s，光刻胶厚度为2~3μm，使用EVG 610光刻机接近式光刻技术（i-line类型，曝光剂量为45mJ/cm²，泛曝剂量为540mJ/cm²）。

该步骤中使用现有光刻工艺对标记图案和金属电极进行制备，包括：前烘、光刻、磁控溅射和剥离。

其中磁控溅射功率为500W，溅射Cr/Au金属电极，先制备标记图案，在此基础上再进行叉指电极的制备。

步骤S3：采用IBE刻蚀铌酸锂薄膜，以及采用RIE刻蚀二氧化硅薄膜；在铌酸锂正面旋涂光刻胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成硅基压电悬臂梁和质量块的制备。

正面旋涂光刻胶AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r，胶厚为15μm，显影液采用AZ400 K与水配比为1:3。采用IBE刻蚀铌酸锂，刻蚀速率为1.25μm/h，当观察到出现彩环时停止刻蚀，此时完成压电（铌酸锂）悬臂梁和压电（铌酸锂）质量块的刻蚀，通入的气体为氩气，气体通量设置为5，因为气体通量设置较大会导致腔体内温度急剧升高，铌酸锂晶体会因导热性差而裂开。

采用RIE刻蚀对SiO₂进行刻蚀，通入的气体为四氟甲烷，刻蚀速率为1μm/h，当彩环完全消失后停止刻蚀，需要刻蚀2h。

步骤S4：在硅基背部喷胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成背部空腔和器件的释放。

喷胶采用AZ 4620光刻胶，旋涂16圈，胶厚为60μm，在进行显影时采用AZ 400K与水配比为1:2。

步骤S3和S4中，利用深硅刻蚀技术进行正面刻蚀制备硅基梁和硅基质量块，深硅刻蚀速率为1.5~2Loop/μm，实现了梁的悬空与器件的释放，并对样品进行封装。

根据本申请实施例，制备的传感器中，Si基底的厚度为450~500μm；SiO₂的厚度为1~3μm；LiNbO₃的厚度为4~6μm；叉指电极的厚度为200~300nm，叉指电极的指宽和指间距均为15μm；悬臂梁和质量块的厚度为50~80μm。

图3为本申请实施例中在进行低温键合工艺后的键合片示意图； 图4为本申请实施例中键合工艺和器件制备工艺示意图，通过传统的剥离工艺完成标记图案和叉指电极的制备，然后通过刻蚀工艺完成器件悬臂梁和质量块的制作，最后深硅刻蚀工艺完成器件释放并进行器件封装，最终完成悬臂梁结构的传感器制备。图5为本申请实施例中最终设计的叉指型悬臂梁压电振动传感器，叉指电极分布在铌酸锂材料的上表面。图10（a）为完成器件制备之后的PCB电路板设计版图，图10（b，c）为传感器的接线与封装设计。

根据本申请实施例，步骤S1中清洗所用到的试剂溶液有丙酮、无水乙醇、浓硫酸、双氧水和氨水。键合时压力为1000~2000N，所需要的键合温度为80~120℃。需要说明的是本申请实施例中的键合工艺是在低温环境下进行，很好的实现了铌酸锂单晶与硅基的结合，解决了热失配等引起解键合和结构破坏等键合问题，能够提高铌酸锂晶片和硅基片键合后的使用效果，并在此键合片的基础上完成了后续压电振动传感器的制备，工艺可行性高且易于制备。

根据本申请实施例，步骤S2中所制备标记和叉指电极采用AZ 5214反转胶，热板95℃前烘2min，曝光剂量为45mJ/cm²，110℃热板中烘90s，泛曝剂量为540mJ/cm²，随后进行等离子去胶，为了方便后续剥离工艺，不进行坚膜工艺。需要说明的是采用AZ 5214反转胶很好的解决了金属无法完全剥离，提高了剥离精度。同时使用AZ 5214进行显影时，形成的光刻保护层是倒梯形，更有利于金属的剥离。此种MEMS工艺制备的金属电极具有较高的成品率，可以很好的改善传感器的电荷性能。

需要说明的是，本申请实施例中的铌酸锂晶片采用Y切型，在轴向振动时可以直观的表现出纵向压电系数d₂₂和剪切压电系数d₁₅的压电特性。本申请实施例所制得的压电振动传感器具有很高的机电转换效率和输出压电特性，由于铌酸锂在高温环境下可以保持很好的压电特性，使用高温环境下的场景。

为使得本申请的目的、特点和优点能够更加明显的表现出来和易于理解，对本申请实施例中所采取的技术方案进行了更加清晰和详细的说明，下面所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并非全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。本申请实施例中所使用的试剂和原料均为市售或自制。

实施例1

一种基于d₁₅和d₂₂工作模式的叉指型压电振动传感器的制备方法，如下：

步骤1、制备LiNbO₃/SiO₂/Si层键合片，具体如下：

1a、将铌酸锂晶片和硅基片放置在酸洗溶液中，在150℃水浴加热的条件下进行酸洗，再使用双氧水和氨水进行碱洗，之后依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声5min并用氮气进行吹干，除去基片表面的杂质和有机物；

1b、在硅基片的抛光面采用PECVD沉积一层厚度为2μm的二氧化硅层；

1c、将铌酸锂晶片和硅基片进行键合，采用的键合压力为1000N，键合温度为80℃，随后在120℃条件下进行3h退火处理，完成键合；

1d、将步骤1c的键合片进行减薄和抛光工艺，直至铌酸锂的厚度为5μm；

1e 重复步骤1a中清洗操作，对键合片进行清洗。

步骤2、制备铌酸锂晶片的对准标记、叉指电极，具体如下：

2a、使用只含标记结构的掩膜版，采用AZ 5214反转胶特性。设置匀胶低速1000r，时间15s，高速4000r，时间40s，在95℃热板前烘2min，然后采用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设计为45mJ/cm²，待曝光结束后，在110℃热板中烘90s，然后进行泛曝，剂量设置为540mJ/cm²，光刻工艺结束后使用AZ 238显影液进行显影，用氧等离子体去胶机去除显影残留表面的胶状物质；

2b、采用磁控溅射表面金属，铬/金厚度为10nm/50nm，铬金属作为粘附层，增强电极金与铌酸锂晶片的粘附能力；

2c、在丙酮溶液中浸泡，进行剥离工艺。待表面无结构处的金属层脱落完全后，超声5min去除残留的金属物质，对剥离后的基片进行清洗；

2d、在步骤2c工艺之后得到的键合片的基础上，使用含有叉指电极版图的掩膜版，采用AZ 5214反转胶特性。设置匀胶低速1000r，时间15s，高速4000r，时间40s，在95℃热板前烘2 min，然后采用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设计为45mJ/cm²，待曝光结束后，在110℃热板中烘90s，然后进行泛曝，剂量设置为540mJ/cm²，光刻工艺结束后使用AZ 238显影液进行显影，用氧等离子体去胶机去除显影残留表面的胶状物质；

2e、溅射20nm的铬和200nm的金，随后进行剥离，在每个悬臂梁上得到一组叉指电极，即两个具有14对指数的梳齿状电极进行相互咬合交叉。

步骤3、正面刻蚀与图形化，具体如下：

3a、在步骤2e的基础上，使用匀胶机匀涂AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r，前烘270s后进行光刻，曝光剂量设置为400mJ/cm²，然后使用AZ 400K与水配比为1:3的显影液进行显影，待图形完全显影之后使用氧等离子体将表面残留的胶状物质去除，在120℃温度下进行15min的坚膜；

3b、进行IBE刻蚀工艺，将硅基键合片放置在涂有硅脂的托盘上，使用通入氩气进行铌酸锂晶体刻蚀，每隔一个小时查看刻蚀的情况，待开始出现彩色光环，停止刻蚀；

3c、进行RIE刻蚀，待彩色光环完全消失，停止刻蚀；

3d、进行深硅刻蚀工艺，刻蚀60μm，制备出硅基悬臂梁和硅基质量块；

3e、将步骤3d刻蚀完成后的硅基键合片依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声5min，用氮气吹干。

步骤4、硅基键合片背部制备空腔和器件释放工艺，具体如下：

4a、在硅基背面通过喷胶机喷胶16圈，胶厚为60μm，之后进行光刻工艺，曝光剂量设置为800mJ/cm²，光刻完成后使用AZ 400 K与水配比为1:3的显影液进行显影，待图形完全显影之后进行氧等离子体去残胶和1h的120℃坚膜工艺；

4b、利用泵油将硅基键合片正面与硅片键合，进行深硅刻蚀，刻蚀厚度为440μm，直至器件完全释放；

4c、对器件进行酸洗和碱洗，用去离子水冲洗若干次，待水分蒸干，完成压电振动传感器件的制备。

步骤5、对器件进行封装

5a、将器件与PCB板用导电银浆粘在一起，用引线键合机借助直径为10μm的金线将器件和PCB板连接导通；

5b、将叉指电极的两个端口分别与GM5的两端连线。

步骤6、测试器件固有频率和电荷性能测试

6a、将器件固定在激光多普勒测振仪的载物台上；

6b、将GM5两端通过BNC转接线与信号发生器连接，信号发生器输出8V电压施加在叉指电极两端；

6c、运行软件对器件固有频率进行测试，测试结果如图6所示；

6d、将器件固定在铝合金封装壳中并进行密封；

6e、器件固定在中元振动台上，分别施加频率为20~2500Hz，加速度为5~25g的振动正弦信号；

6f、通过示波器来观察波形，并保存测试数据；

6g、对测试数据进行处理并分析压电特性。

振动台型号为中元振动台（ACT 2000），测试频率为20~2400 Hz，输入的加速度为5~25g，电荷采集选用同轴电缆线，叉指电极一侧接电荷放大电路正极，一侧接负极，进行电荷采集，如图9所示为传感器的振动测试示意图。

本实施例1得到的传感器经激光多普勒测试得到固有频率为6564Hz，如图6所示为COMSOL软件仿真器件位移值与激光多普勒测试实验位移测试曲线。经振动测试，在频率范围为20~2400Hz频带内，由于压电振动传感器在f=2400Hz时，输出电荷最大且不同输入激励下的相对电荷增长值最大（不同加速度值下的电荷曲线密度在f=2400最稀疏），由此可以得出，压电振动传感器在f=2400Hz时存在最大的输出电荷灵敏度，通过拟合输入加速度与输出电荷值之间的关系，可以得出器件的输出电荷灵敏度为6pC/g。施加加速度峰值为10g的振动信号，选取对比了振动频率为500Hz时，叉指型压电振动传感器和矩形压电传感器输出电荷的差异，如图7所示，通过示波器将不同型电极输出电荷波形数据记录，后经数据处理分析叉指型振动传感器的输出电荷峰值为31.2pC，比矩形电极型的传感器输出电荷峰值（21.6pC）大，这一实验结论验证了基于叉指型压电振动传感器的输出电荷性能要优于矩形电极压电振动传感器的性能。如图8表示叉指型压电振动传感器在特定频段内输入加速度为5~25g时的输出电荷曲线图，输出电荷随着加速度值的增加而增加，这是因为当输出激励变大时，压电振动悬臂梁所受应力值增大，从而使输出电荷值增大。压电振动传感器在20~2400Hz频段内均有输出电荷响应，这使得传感器可以在较宽频段范围内进行振动信号测试。

实施例2

一种基于d₁₅和d₂₂工作模式的叉指型压电振动传感器的制备方法，如下：

步骤1、制备LiNbO₃/SiO₂/Si层键合片，具体如下：

1a、将铌酸锂晶片和硅基片先进行酸洗和碱洗，用去离子水冲洗若干次，再依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水超声5min并用氮气进行吹干，除去基片表面的杂质和有机物；

1b、在硅基片的抛光面采用PECVD沉积一层厚度为1μm的二氧化硅层；

1c、进行键合，采用的键合压力为2000N，键合温度为120℃，随后在150℃条件下进行3h退火处理，完成键合；

1d、将步骤1c的键合片进行减薄和抛光工艺，直至铌酸锂的厚度为1μm；

1e、重复1a清洗操作。

步骤2、制备铌酸锂晶片的对准标记、叉指电极，具体如下：

2a、使用只含标记结构的掩膜版，采用AZ 5214反转胶特性。设置匀胶低速1000r，时间15s，高速4000r，时间40s，在95℃热板前烘2min，然后采用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设计为45mJ/cm²，待曝光结束后，在110℃热板中烘90s，然后进行泛曝，剂量设置为540mJ/cm²，光刻工艺结束后使用AZ 238显影液进行显影，用氧等离子体去胶机去除显影残留表面的胶状物质；

2b、采用磁控溅射表面金属，铬/金厚度为10nm/50nm，铬金属作为粘附层，增强电极金与铌酸锂晶片的粘附能力；

2c、在丙酮溶液中浸泡，进行剥离工艺。待表面无结构处的金属层脱落完全后，超声5min去除残留的金属物质，最后使用纯净的丙酮、无水乙醇和去离子水溶液对键合片进行清洗；

2d、在步骤2c工艺之后得到的键合片的基础上，使用含有叉指电极版图的掩膜版，采用AZ 5214反转胶特性。设置匀胶低速1000r，时间15s，高速4000r，时间40s，在95℃热板前烘2 min，然后采用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设计为45mJ/cm²，待曝光结束后，在110℃热板中烘90s，然后进行泛曝，剂量设置为540mJ/cm²，光刻工艺结束后使用AZ 238显影液进行显影，用氧等离子体去胶机去除显影残留表面的胶状物质；

2e、溅射20nm的铬和100nm的金，随后进行剥离工艺，在每个悬臂梁上得到一组叉指电极，即两个具有18对指数的梳齿状电极进行相互咬合交叉。

步骤3、正面刻蚀与图形化，具体如下：

3a、在步骤2e的基础上，使用匀胶机匀涂AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r，前烘270s后进行光刻，曝光剂量设置为400mJ/cm²，然后使用AZ 400K与水配比为1:3的显影液进行显影，待图形完全显影之后使用氧等离子体将表面残留的胶状物质去除，在120℃温度下进行15min的坚膜；

3b、进行IBE刻蚀工艺，将硅基键合片放置在涂有硅脂的托盘上，使用通入氩气（氩通量设置为5）进行铌酸锂晶体刻蚀，每隔15min查看刻蚀的情况，待开始出现彩色光环，停止刻蚀；

3c、进行RIE刻蚀，刻蚀1h，待彩色光环完全消失，停止刻蚀；

3d、进行深硅刻蚀工艺，刻蚀80μm，制备出硅基悬臂梁和硅基质量块；

3e、将步骤3d刻蚀完成后的硅基键合片依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声5min，用氮气吹干。

步骤4、硅基键合片背部制备空腔和器件释放工艺，具体如下：

4a、在硅基背面通过喷胶机喷胶8圈，胶厚为30μm，之后进行光刻工艺，曝光剂量设置为800mJ/cm²，光刻完成后使用AZ 400 K与水配比为1:3的显影液进行显影，待图形完全显影之后进行氧等离子体去残胶和1h的120℃坚膜工艺；

4b、利用泵油将硅基键合片正面与硅片键合，进行深硅刻蚀，刻蚀厚度为420μm，直至器件完全释放；

4c、对器件进行酸洗和碱洗，用去离子水冲洗若干次，待水分蒸干，完成压电振动传感器件的制备。

步骤5、对器件进行封装

5a、将器件与PCB板用导电银浆粘在一起，用引线键合机借助直径为10μm的金线将器件和PCB板连接导通；

5b、将叉指电极的两个端口分别与GM 5的两端连线。

步骤6、测试器件固有频率和电荷性能测试

6a、将器件固定在激光多普勒测振仪的载物台上；

6b、将GM 5两端通过BNC转接线与信号发生器连接，信号发生器输出8V电压施加在叉指电极两端；

6c、运行软件对器件固有频率进行测试；

6d、将器件固定在铝合金封装壳中并进行密封；

6e、器件固定在中元振动台上，分别施加频率为20~2500Hz，加速度为5~25g的振动正弦信号；

6f、通过示波器来观察波形，并保存测试数据；

6g、对测试数据进行处理并分析压电特性。

本实施例2得到的传感器与实施例1制得的器件性能无明显差异性。

综上所述，本申请实施例的制备方法可以很好的将Y切铌酸锂晶片和硅基片键合在一起，同时经过实施例的MEMS工艺制备的器件具有宽频，高加速环境下的振动信号测量，解决了现有材料目前应用低频低加速度微弱信号测量的不足。本申请实施例制得的压电振动传感器具有很好的电荷输出能力和较高的电荷灵敏度，能够适用于高频和高加速环境中，并且在高温环境下仍能保持较为优良的压电性能，对恶劣环境下的振动检测具有非常重要的科学意义和应用价值。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；问这些修改或者替换，并不能使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、制备LiNbO₃/SiO₂/Si层键合片：对Y切铌酸锂晶片和双抛硅基片进行酸洗和碱洗，在抛光硅基片表面采用PECVD生长一层二氧化硅薄膜，然后与Y切铌酸锂晶片进行低温键合；其中，在进行低温键合时，键合压力为1000~2000N，键合的温度条件为80~120℃，在120~150℃条件下进行3h退火处理；

步骤二、将硅基铌酸锂键合片进行清洗，采用光刻、磁控溅射和剥离工艺在传感器的悬臂梁上制备标记图案和叉指电极；其中，制备标记图案和叉指电极使用AZ 5214反转胶进行图案掩膜，使用参数为：热板95℃前烘2 min，曝光剂量为45mJ/cm²，热板110℃中烘90s，泛曝剂量为540mJ/cm²，并用AZ 238显影液进行显影；光刻标记图案后，磁控溅射10nm Cr/50nm Au，剥离标记图案，再光刻叉指电极，磁控溅射20nm Cr/200nm Au，剥离叉指电极；

位于传感器的每个悬臂梁上布置一组叉指电极，该一组叉指电极为两个相互咬合交叉的梳齿状电极；其中，叉指电极的厚度为200~300nm，叉指电极的指宽和指间距均为15μm；

步骤三、采用IBE刻蚀铌酸锂薄膜，以及采用RIE刻蚀二氧化硅层使其图形化；在铌酸锂正面旋涂光刻胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成硅基压电悬臂梁和质量块的制备；

其中，IBE刻蚀和RIE刻蚀采用AZ 4620光刻胶掩膜，旋涂胶厚为15μm，显影液采用AZ400 K与水配比为1:3；IBE刻蚀采用的气体为Ar，气体通量设置为5；

步骤四、在硅基背部喷胶、光刻、前烘、显影、深硅刻蚀完成背部空腔和器件的释放。

2.根据权利要求1所述的一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器的制备方法，其特征在于：制备的传感器中，Si基底的厚度为450~500μm；SiO₂的厚度为1~3μm；LiNbO₃的厚度为4~6μm；悬臂梁和质量块的厚度为50~80μm。

3.根据权利要求2所述的一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器的制备方法，其特征在于：步骤三中，深硅刻蚀速率为1.5~2 Loop/μm。

4.根据权利要求3所述的一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器的制备方法，其特征在于：步骤四中，喷胶采用AZ 4620 光刻胶，旋涂16圈，胶厚为60μm，在进行显影时采用AZ400K与水配比为1:2。

5.一种基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器，其特征在于：采用权利要求1至4任一所述的方法制备。

6.根据权利要求5所述的基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器，其特征在于：传感器上每个悬臂梁的两个叉指型电极全部接入PCB的焊盘连接头，与差分电荷电路两端相连接，最终输出电荷为两电极采集电荷值的差值。

7.根据权利要求6所述的基于d₁₅和d₂₂的叉指型压电振动传感器，其特征在于：对振动测试后的数据通过origin和excel软件进行同一加速度值不同振动频率的电荷比较和同一振动频率下的不同加速度值下的电荷比较。