CN116143062B - 一种“h”型单晶薄膜压电振动传感器及其制备方法 - Google Patents

一种“h”型单晶薄膜压电振动传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体器件加工制造技术领域，涉及压电振动传感器，具体为一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器及其制备方法，通过在低温环境下实现LiNbO3晶片和双抛Si片的异质集成，利用电极掩膜版图案刻蚀LiNbO3形成沟道结构，随后通过光刻、显影、磁控溅射和剥离工艺完成电极制备，此后在键合片正面完成“H”型悬臂梁和质量块刻蚀，最后在键合片背面完成空腔刻蚀和器件释放。本发明在理论与计算的基础上，设计传感器固有频率为10888Hz和15328Hz，并通过仿真对振动传感器的可行性进行了验证，“H”型结构减小了器件振动过程的横向效应，提高了单轴振动的输出电荷信号精度，同时较高的固有频率拓宽了传感器的可用频段。

Description

一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件加工制造技术领域，涉及压电振动传感器，具体为一种基于MEMS工艺加工的“H”型单晶薄膜压电振动传感器及制备方法。
背景技术
深空探测技术的快速发展对于开展空间科学、空间技术和空间利用等方面具有至关重要的作用，深空探测是新世纪人类发展的重要领域，关系到人类可持续发展的空间与资源。随着高新科技的快速发展，对太空系统中电子器件稳定性的要求也愈发强烈，因此对于开展轻型、微型以及功能多元化且可靠性强的传感器，是各国空间技术发展的重要目标。
航天器在空间环境中运行过程中难以避免会受到高频振动干扰，如何有效对高频信号进行提取与监测，是传统振动传感器所面临的严峻问题。振动传感器根据原理可以分为电容式MEMS振动传感器、压阻式MEMS振动传感器、光学式MEMS振动传感器和压电式MEMS振动传感器。压电式MEMS振动传感器因其灵敏度高、结构简单、测量范围大并且体积小而常被用于解决振动信号传感与监测。
发明内容
本发明目的是提供一种基于MEMS工艺加工的“H”型单晶薄膜压电振动传感器，采用X切型的LiNbO3晶片，设计“H”型四悬臂结构相较于单梁型结构、四悬臂梁结构和八悬臂梁结构，能够降低横向效应，提高传感器输出电荷灵敏度；同时制备的“H”型四悬臂结构振动传感器具有较宽的测试频段，有利于恶劣环境下的振动信号检测。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器，包括Si基片，所述Si基片表面生长一层SiO2薄膜后与LiNbO3晶片键合后构成键合片；所述键合片经MEMS工艺形成边框、质量块及悬臂梁，所述质量块的每边与相应的边框之间平行连接有两根悬臂梁，两根悬臂梁之间连接有短横梁；所述质量块、悬臂梁及短横梁上相应位置设置有电极。
上述“H”型单晶薄膜压电振动传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备器件所需的键合片：
对X切型的LiNbO3基片和Si基片进行清洗，在Si基片表面生长一层SiO2薄膜，随后与LiNbO3晶片进行键合；
步骤二、制备硬掩膜层：
将Si-SiO2-LiNbO3键合片的Si侧表面生长一层SiO2薄膜；
步骤三、金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀：
将键合片进行清洗，采用光刻、离子束刻蚀、磁控溅射和剥离工艺完成对标记图案的剥离和电极沟道刻蚀；
步骤四、金属电极的制备：
将键合片清洗干净后进行光刻、磁控溅射和剥离工艺，完成对金属电极的制备；
步骤五、正面悬臂梁刻蚀：
采用IBE刻蚀工艺完成LiNbO3压电薄膜悬臂梁刻蚀，以及采用RIE刻蚀SiO2薄膜使其图案化；在LiNbO3正面喷胶、光刻、显影和深反应离子刻蚀，完成正面悬臂梁的刻蚀；其中，质量块的每边与相应的边框之间平行连接有两根悬臂梁，两根悬臂梁之间连接有短横梁；
步骤六、背部空腔制备与器件释放：
在背面通过喷胶、光刻和深反应离子刻蚀工艺完成背部空腔制备和器件释放。
进一步优选的，制备的传感器中，Si基片的厚度为480~520μm；SiO2薄膜的厚度为1~3μm；LiNbO3薄膜的厚度为4~6μm；电极的厚度为200~280nm；悬臂梁以及中心质量块的厚度为70~100μm；悬臂梁的宽度为500μm。
本发明基于MEMS工艺加工制备的“H”型单晶薄膜压电振动传感器，首先将LiNbO3晶片与生长了SiO2薄膜的硅基片进行键合工艺，并在键合后的背面生长5μm厚度的SiO2薄膜层作为硬腌膜层，在键合片正面上通过剥离工艺制备电极标记，在LiNbO3表面通过光刻-离子束刻蚀-光刻-磁控溅射-剥离工艺制备嵌入型电极，随后在LiNbO3晶片表面通过光刻-IBE刻蚀-RIE刻蚀-DRIE刻蚀工艺完成正面“H”型悬臂梁的制备，最后对基片背面的Si层进行深硅刻蚀，完成背部空腔的制备以及器件的释放。
本发明具有如下优点：
1、本发明背面深硅采用硬腌膜的方式，极大地改善了光刻胶腌膜的缺点（铌酸锂层热稳定性差，光刻胶腌膜容易产生胶糊，从而导致腌膜层失效）。
2、本发明所设计的“H”型悬臂结构压电振动传感器的固有频率较高，拓宽了器件应用的频带范围，对于极端环境下的振动检测与实时检测具有较好的应用价值。
3、本发明设计基于单悬臂梁进行改进，设计为“H”型四悬臂结构的压电振动传感器，减少了横向效应，提高振动传感器件的电荷输出性能。
本发明方法设计合理，制造工艺简单，具有很好的实际应用价值。
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表示本发明所述“H”型四悬臂结构的单晶薄膜压电振动传感器的制备方法流程图。
图2表示本发明制备的“H”型四悬臂结构的单晶薄膜压电振动传感器的示意图。
图2中附图标记：1-边框，2-质量块，3-悬臂梁，4-短横梁，5-电极。
图3表示本发明所述“H”型四悬臂结构的单晶薄膜压电振动传感器的制备方法工艺流程图。
图4表示本发明实施例1制备的“H”型四悬臂结构的单晶薄膜压电振动传感器可用频段模拟分析数据图。
图5表示本发明实施例1制备的“H”型四悬臂结构压电振动传感器的横向效应分析图。
图6表示现有八悬臂梁结构压电振动传感器的横向效应分析图。
图7表示“H”型双悬臂结构压电振动传感器的横向效应分析图。
图8表示本发明实施例1制备的传感器件在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。
图9表示本发明实施例1制备的传感器件在输入激励加速度信号下，横截面处器件应力分布情况。
图10表示本发明实施例2制备的传感器件在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。
图11表示本发明实施例2制备的传感器件在输入激励加速度信号下，横截面处器件应力分布情况。
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。
一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器，如图2所示，包括Si基片，Si基片表面生长一层SiO2薄膜后与LiNbO3晶片键合后构成键合片；键合片经MEMS工艺形成边框1、质量块2及悬臂梁3，质量块2的每边与相应的边框之间平行连接有两根悬臂梁3，两根悬臂梁3之间连接有短横梁4；质量块2、悬臂梁3及短横梁4上相应位置设置有电极5。
本实施例所设计的传感器总体尺寸为1cm×1cm；Si基片的厚度为480~520μm；SiO2薄膜的厚度为1~3μm；LiNbO3薄膜的厚度为4~6μm；电极的厚度为200~280nm；悬臂梁以及中心质量块的厚度为70~100μm；悬臂梁的宽度为500μm。
本申请实施例记载的基于MEMS工艺加工的“H”型单晶薄膜压电振动传感器的制备方法，如图3所示，如下：
步骤一、制备器件所需的键合片：
将LiNbO3晶片与Si基片在无尘环境中取出，并在去离子水环境中进行若干次清洗，随后在Si片表面采用等离子体增强型化学气相沉积法完成SiO2薄膜的生长，将生长SiO2薄膜一侧的硅片与铌酸锂键合在一起，形成硅基铌酸锂键合片（Si-SiO2-LiNbO3），备用。
本步骤中采用去离子水对铌酸锂晶片和硅片进行清洗，是为了去掉晶片和硅片上的灰尘等杂质，使其在进行低温键合时不存在气泡以及具有较高的键合强度，保证后续工艺的顺利进行。
步骤二、制备硬掩膜层：
将Si-SiO2-LiNbO3晶片Si侧采用步骤一所示的方法完成SiO2薄膜的生长。
该步骤主要是采用硬掩膜的方式进行背部深硅刻蚀，但是在进行正面图案化刻蚀时，正面不平整无法保证硬腌膜的生长，因此需要在正面刻蚀前完成对于硬腌膜层的制备。
步骤三、金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀：
将键合片进行清洗，采用光刻、离子束刻蚀、磁控溅射和剥离工艺完成对标记图案的剥离和电极沟道刻蚀；其中磁控溅射功率为500W。
步骤四、金属电极的制备：
将键合片清洗干净后进行光刻、磁控溅射和剥离工艺，完成对金属电极的制备。
步骤五、正面悬臂梁刻蚀：
采用IBE刻蚀工艺完成LiNbO3压电薄膜悬臂梁刻蚀，以及采用RIE刻蚀SiO2薄膜使其图案化；在LiNbO3正面喷胶、光刻、显影和深反应离子刻蚀，完成正面悬臂梁的刻蚀；其中，质量块的每边与相应的边框之间平行连接有两根悬臂梁，两根悬臂梁之间连接有短横梁。
步骤六、背部空腔制备与器件释放：
在背面通过喷胶、光刻和深反应离子刻蚀工艺完成背部空腔制备和器件释放。
根据本发明实施例，步骤一中需要使用丙酮、无水乙醇、浓硫酸、去离子水和双氧水对基片以及键合片进行清洗。
根据本发明实施例，步骤四中在硅基铌酸锂晶片表面进行金属电极的制备，需要先采用光刻胶腌膜，进行图案保护，采用IBE离子束刻蚀，直至将LiNbO3晶片刻蚀完全。随后在光刻胶的保护作用下，进行金属电极的沉积工艺。
根据本发明实施例，步骤四中所制备的嵌入型电极采用AZ 7133光刻胶进行剥离工艺制备，匀胶完成后进行前烘（110℃，90s），随后进行曝光，曝光剂量为150mJ/cm2，中烘时间为160s。曝光完成后不需要进行后续坚膜工艺，便于剥离工艺的顺利进行。这样形成的电极具有较高的成品率。
需要说明的是，本发明实施例中采用的LiNbO3晶片为X切型，通过在低温环境下实现LiNbO3晶片和双抛Si片的异质集成；利用电极掩膜版图案刻蚀LiNbO3形成沟道结构，随后通过光刻、显影、磁控溅射和剥离工艺完成Cr/Au电极的制备；此后在键合片正面完成“H”型悬臂梁和质量块的刻蚀；最后在键合片背面完成空腔刻蚀和器件释放，从而完成整个“H”型压电振动传感器的制备。本发明在理论与计算的基础上，实施例1和实施例2分别设计了传感器固有频率为10888Hz和15328Hz，并通过仿真对振动传感器的可行性进行了验证，“H”型结构减小了器件振动过程的横向效应，提高了单轴振动的输出电荷信号精度，同时较高的固有频率拓宽了传感器的可用频段。本发明制造工艺简单，适用于宽频高加速度的测试环境中，对于恶劣环境中的振动信号监测和采集具有重要的应用价值。
为使得本发明的目的、特点和优点能够更加明显的表现出来和易于理解，对本发明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发明的一部分实施例，并非全部的实施例。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。本发明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MEMS工艺加工的“H”型四悬臂结构单晶薄膜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LiNbO3晶片和Si基片放置在稀释后的浓H2SO4洗溶液中，在150℃水浴加热的条件下对基片进行清洗，随后在碱性环境中进行清洗，除去表面的杂质以及残留的酸性物质，在去离子水中循坏清洗20次，用氮气枪吹干；
1b、在Si基片表面采用化学气相沉积法沉积一层SiO2薄膜作为绝缘层，沉积厚度为2μm；
1c、将LiNbO3晶片和Si基片键合，在80℃的键合环境下进行1000N预键合操作，随后进行退火操作，退火温度为120℃，时间为3h；
1d、将步骤1c中键合完成的基片进行减薄和抛光工艺，将边缘磨至平整，且铌酸锂的厚度为5μm；
1e、对键合片进行丙酮和去离子水清洗，保证后续工艺的顺利进行。
步骤2、制备硬腌膜层，具体如下：
将Si-SiO2-LiNbO3晶片Si侧采用化学气相沉积法完成SiO2薄膜的生长，厚度5μm。
步骤3、制备LiNbO3晶片的金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀，具体如下：
3a、使用只含有标记的掩膜版对LiNbO3晶片进行金属标记图案制备，采用AZ 7133光刻胶；设置匀胶低速转速500r/min、时间25s，高速转速3000r/min、时间64s，最终旋涂的光刻胶的厚度为2μm，在110℃热板前烘90s，然后利用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设置为150mJ/cm2，待曝光完成后进行中烘，中烘设置温度为110℃，时间为160s；使用AZ 400K显影液与水配比为1:4进行显影，随后用氧等离子体将残留的胶状物去除；
3b、磁控溅射金属Cr（10nm）和金属Au（50nm），溅射Cr层的目的是为了增强Au和LiNbO3表面的粘附性；
3c、将溅射完成的键合片在丙酮溶液中浸泡2h，随后进行5min超声，观察标记剥离是否完全，若不完全，重复此操作，直至标记完全显现；
3d、进行嵌入型电极沟道的刻蚀；在LiNbO3表面旋涂AZ 4620光刻胶；设置匀胶机转速为1000r/min，胶厚为8μm，前烘270s进行光刻工艺；使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影，显影时间为1min45s；
3e、进行IBE离子束刻蚀，刻蚀时间约为5h，刻蚀厚度为5μm，刻蚀气体的Ar，气体通量设置为5，缓慢通入气体，保证刻蚀气体与LiNbO3晶体的充分接触；
3f、对刻蚀完成的键合片用无水乙醇和去离子进行清洗，并用氮气枪将其表面吹干。
步骤4、进行金属电极的制备，具体如下：
4a、使用只含有金属电极的腌膜版进行电极制备，旋涂AZ 7133光刻胶；设置匀胶机低速转速500r/min、时间25s，高速转速3000r/min、时间64s，随后在110℃的热板上进行90s前烘，将冷却后的键合片进行紫外光线曝光，曝光剂量设置为150mJ/cm2，然后在110℃的热板上进行160s的中烘，最后在AZ 400K与水配比为1:4的溶液中进行15s显影操作，直至图案显现完全，用氮气枪吹干；
4b、磁控溅射金属Cr（20nm）和金属Au（200nm）；
4c、将溅射完成的键合片在丙酮溶液中浸泡2h，随后进行5min超声，观察电极剥离是否完全，若不完全，重复此操作，直至电极完全显现；
4d、将剥离完成的键合片用无水乙醇和去离子进行清洗，并用氮气枪将其表面吹干。
步骤5、正面悬臂梁刻蚀，具体如下：
5a、在LiNbO3表面匀涂AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r/min，前烘270s，曝光剂量设置为400mJ/cm2，然后使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影，待图案全部显现出来，用去离子水进行清洗，随后利用等离子去胶机去除浮胶；
5b、进行LiNbO3压电晶体刻蚀；利用离子束刻蚀，设置刻蚀气体为Ar，气体通量为5，每隔半个小时查看刻蚀情况，若LiNbO3表面出现彩环即为LiNbO3晶体刻蚀完成；
5c、进行SiO2薄膜刻蚀；利用反应离子进行刻蚀，刻蚀速率为1μm/h，当看到彩环消失时，即为SiO2刻蚀完成；
5d、将步骤5c完成的键合片清洗干净，在其上表面进行喷胶工艺，旋涂AZ 4620光刻胶，旋涂8圈，胶厚约为15μm，前烘时间为270s，随后进行光刻工艺，曝光剂量设置为400mJ/cm2，随后使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影；
5e、进行深硅刻蚀工艺，深硅刻蚀速率为1.5~2Loop/μm，刻蚀厚度为70μm，从而完成正面梁的刻蚀；
5f、将步骤5e刻蚀完成的键合片进行丙酮、无水乙醇以及去离子水进行清洗，并用氮气枪吹干。
步骤6、背部空腔制备与器件释放，具体如下：
6a、在键合片背部进行喷胶工艺，喷胶16圈，胶厚设置为30μm，之后进行光刻工艺，光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，光刻完成后使用AZ 400K与水配比为1:2的显影液进行显影，待基底图案显影完成，进行氧等离子体去除残胶，并进行1h的120℃的坚膜工艺；
6b、将键合片上表面通过泵油与硅片键合，进行深反应离子刻蚀，缓慢刻蚀，直至刻蚀厚度为430μm，完成背面深硅刻蚀以及器件释放工艺。
经过以上步骤制备出基于“H”型的嵌入式压电振动传感器件，所设计的振动传感器在COMSOL理论仿真的基础上，所设计尺寸较小，固有频率为10888Hz，具有更宽的测试频段。相较于传统的单梁、双梁以及四梁传感器件，拓宽了器件的应用频段，降低了横向灵敏度。提高了压电振动传感器件对于高频振动环境信号提取的精度。
实施例2
一种基于MEMS工艺加工的“H”型四悬臂结构单晶薄膜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LiNbO3晶片和Si基片放置在稀释的浓H2SO4溶液中，在150℃水浴加热的条件下进行基片清洗，随后在碱性环境中进行清洗，除去表面的杂质以及残留的酸性溶液，在去离子水中循坏清洗20次，用氮气枪吹干；
1b、在Si基片表面采用化学气相沉积法沉积一层SiO2薄膜作为绝缘层，沉积厚度为1μm；
1c、将LiNbO3晶片和Si基片键合，在100℃的键合环境下进行2000N预键合操作，随后进行退火操作，退火温度为100℃，时间为3h；
1d、将步骤1c中键合完成的键合片进行减薄和抛光工艺，将边缘磨至平整，且LiNbO3的厚度为2μm；
1e、对键合片分别放入丙酮溶液和去离子水中进行清洗，保证后续工艺的顺利进行。
步骤2、制备硬腌膜层，具体如下：
将Si-SiO2-LiNbO3晶片Si侧采用化学气相沉积法完成SiO2薄膜的生长，厚度5μm。
步骤3、制备LiNbO3晶片金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀，具体如下：
3a、使用只含有标记的掩膜版对LiNbO3晶片进行金属标记图案制备，采用AZ 7133光刻胶；设置匀胶低速转速500r/min、时间25s，高速转速3000r/min、时间65s，最终旋涂的光刻胶的厚度为2μm，在110℃热板前烘90s，然后利用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设置为150mJ/cm2，待曝光完成后进行中烘，中烘设置温度为110℃，时间为160s；用AZ 400K显影液与水配比为1:4的溶液进行显影，用氧等离子体将残留的胶状物去除；
3b、磁控溅射金属Cr（20nm）和金属Au（60nm），溅射Cr层的目的是为了增强Au和LiNbO3表面的粘附性；
3c、将溅射完成的键合片放置在丙酮溶液中浸泡1h，随后进行超声清洗工作，每隔30s取出来观察标记是否剥离完成，若不完全，重复此操作，直至标记完全显现；
3d、进行嵌入型电极沟道的刻蚀；在LiNbO3表面旋涂AZ 4620光刻胶，设置匀胶机转速为1000r/min，胶厚为8μm，前烘270s进行光刻工艺，使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影，显影时间为1min45s；
3e、进行IBE离子束刻蚀，刻蚀时间约为2h，刻蚀厚度为2μm，刻蚀气体的Ar，气体通量设置5，缓慢通入气体，保证刻蚀气体与LiNbO3晶体的充分接触；
3f、对刻蚀完成的键合片用无水乙醇和去离子进行清洗，并用氮气枪将其表面吹干。
步骤4、进行金属电极的制备，具体如下：
4a、使用只含有金属电极的腌膜版进行电极制备；旋涂AZ 7133光刻胶，设置匀胶机低速转速500r/min、时间25s，高速转速3000r/min、时间64s，随后在110℃的热板上进行90s前烘，将冷却后的键合片进行紫外光线曝光，曝光剂量设置为150mJ/cm2，然后在110℃的热板上进行160s的中烘工艺，最后在AZ 400K与水配比为1:4的溶液中进行15s显影操作，直至图案显现完全，用氮气枪将键合片吹干；
4b、磁控溅射金属Cr（20nm）和金属Au（200nm）；
4c、将溅射完成的键合片在丙酮溶液中浸泡2h，随后进行5min超声，观察电极剥离是否完全，若不完全，重复此操作，直至电极完全显现；
4d、将剥离完成的键合片用无水乙醇和去离子进行清洗，并用氮气枪将其表面吹干。
步骤5、正面悬臂梁刻蚀，具体如下：
5a、在铌酸锂表面匀涂AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r/min，前烘270s，曝光剂量设置为400mJ/cm2，然后使用AZ 400K与水配比为1:3的溶液进行显影，待图案全部显现出来，用去离子水进行清洗，随后利用氧等离子去胶机去除浮胶；
5b、进行LiNbO3晶体刻蚀；利用离子束刻蚀，设置刻蚀气体为氩气，气体通量为5，刻蚀时间约为2h，每隔半个小时查看刻蚀情况，若LiNbO3表面出现彩环即为晶体刻蚀完成；
5c、进行SiO2薄膜刻蚀；利用反应离子进行刻蚀，刻蚀速率为1μm/h，刻蚀时间为1h，当看到彩环消失时，即为SiO2刻蚀完成；
5d、将步骤5c完成的键合片清洗干净，在其上表面进行喷胶，旋涂AZ 4620光刻胶，旋涂8圈，胶厚约为15μm，前烘时间为270s，随后进行光刻工艺，曝光剂量设置为400mJ/cm2，随后使用AZ 400K与水配比为1:3的溶液进行显影；
5e、进行深硅刻蚀工艺，深硅刻蚀速率为1.5~2Loop/μm，刻蚀厚度为100μm，从而完成正面悬臂梁的刻蚀；
5f、将步骤5e刻蚀完成的键合片进行丙酮、无水乙醇以及去离子水进行清洗，并用氮气枪吹干。
步骤6、背部空腔制备与器件释放，具体如下：
6a、在键合片背部进行喷胶工艺，喷胶16圈，胶厚设置为30μm，之后进行光刻工艺，光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，光刻完成后使用AZ 400K与水配比为1:2的显影液进行显影，待基底图案显影完成，进行等离子体去除残胶，并进行1h的120℃的坚膜工艺；
6b、将键合片的LiNbO3片通过泵油与硅片键合在一起，进行深反应离子刻蚀，缓慢刻蚀，直至刻蚀厚度为400μm，完成背面深硅刻蚀以及器件释放工艺。
经过以上步骤制备出“H”型的嵌入式压电悬臂梁振动传感器件，所设计的振动传感器在COMSOL理论仿真的基础上，所设计尺寸较小，固有频率为15328Hz，具有更宽的测试频段。相较于传统的双梁、四梁以及八悬臂结构传感器件，拓宽了器件的应用频段，降低了横向灵敏度，提高了压电振动传感器件对于高频振动环境信号提取的精度。
本发明检测了实施例1制备的基于“H”型四悬臂结构压电振动传感器在谐振频率处（前三阶）的应力分布云图；其中：一阶固有频率为f osc1 =10888Hz，其表现出弯曲模态，具有上下振幅运动的趋势；二阶和三阶的固有频率分别为f osc2 =25862Hz和f osc3 =25921Hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
本发明检测了实施例2制备的基于“H”型四悬臂结构压电振动传感器在谐振频率处（前三阶）的应力分布云图；其中：一阶固有频率为f osc1 =15328Hz，其表现出弯曲模态，具有上下振幅运动的趋势；二阶和三阶的固有频率分别为f osc2 =36353Hz和f osc3 =36420Hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
本发明也检测了现有八悬臂结构压电振动传感器在谐振频率处（前三阶）的应力分布云图；其中：一阶固有频率为f osc1 =10291Hz，其表现出弯曲模态，具有上下振幅运动的趋势；二阶和三阶的固有频率分别为f osc2 =24495Hz和f osc3 =24547Hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
本发明还检测了“H”型二悬臂压电振动传感器在谐振频率处（前三阶）的应力分布云图；其中：一阶固有频率为f osc1 =8072Hz，其表现出弯曲模态，具有上下振幅运动的趋势；二阶和三阶的固有频率分别为f osc2 =17892Hz和f osc3 =24132Hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
相较于现有八悬臂梁结构和“H”型二悬臂梁结构的运动模态，本发明实施例1和实施例2所设计的“H”型四悬臂梁结构在各阶固有频率下的运动模态变化，具有更高的一阶固有频率，说明其可以适用于更宽频领域振动信号的测试环境。
根据有限元分析方法得，在相同厚度条件下的基于“H”型四悬臂结构（实施例1）的一阶固有频率为10888Hz，要高于基于“H”型二悬臂梁结构的一阶固有频率值8072Hz。并结合图4关于不同频率下的压电振动传感器的位移特性，可以得出基于“H”型四悬臂结构的压电振动传感器具有更宽的可用测试频段。本发明实施例1制备的器件产生的最大位移在f=10888Hz，此时悬臂梁的最大位移为0.5μm，可用于宽频范围内的振动信号检测。
图5、图6、图7分别表示“H”型四悬臂结构（实施例1）、八悬臂结构与“H”型二悬臂结构的输出横向效应。“H”型四悬臂结构的横向占比分布于：0.39%~0.418%，要优于双悬臂结构横向占比（0.4064%~0.4384%）以及“H”型二悬臂结构的横向占比（0.5575%~0.5885%），这一仿真结构表明，本发明所设计的基于“H”型四悬臂结构单晶薄膜压电振动传感器在用于振动信号测试时可以有效减小横向效应所带来的测试误差。具体原因为：横向效应为压电传感器在Z轴向振动时，因受扭曲力翻转而转化成的X轴和Y轴方向的振动输出分量，其值越小，代表着Z轴振动输出损失量最少，此时传感器具备高性能输出的能力。根据图5、图6和图7对不同结构的横向效应分析得，所制备的“H”型四悬臂梁结构单晶薄膜压电振动传感器具有较小的横向占比，在振动信号环境测试中具备较高的性能输出能力。
图8、图9、图10和图11表示本发明中所制备的传感器件在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移和应力分布之间的关系。研究了不同频率激励信号下的位移与应力分布，其振动位移与所受应力在所测宽频范围内的位移值和应力值远小于固有频率下的位移值和应力值，为宽领域应用提供了理论基础。当悬臂梁振动处于位移（图8，图10）或者所受应力（图9，图11）较大时，会使器件永久性损伤或失效，因此为了提高器件的工作效率以及使用寿命，本发明所设计的传感器可以实现在20Hz~10000Hz（实施例1）以及20Hz~14000Hz（实施例2）宽频内的振动输出信号提取与分析。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (4)

1.一种“H”型单晶薄膜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、制备器件所需的键合片：
对LiNbO3基片和Si基片进行清洗，在Si基片表面生长一层SiO2薄膜，随后与LiNbO3晶片进行键合；
步骤二、制备硬掩膜层：
将Si-SiO2-LiNbO3键合片的Si侧表面生长一层SiO2薄膜；
步骤三、金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀：
将键合片进行清洗，采用光刻、离子束刻蚀、磁控溅射和剥离工艺完成对标记图案的剥离和电极沟道刻蚀；
具体为：
3a、使用只含有标记的掩膜版对LiNbO3晶片进行金属标记图案制备，采用AZ 7133光刻胶；设置匀胶：低速500r/min、时间25s，高速3000r、时间64s，在110℃热板前烘90s，然后利用光刻机EVG 610进行光刻，曝光剂量设置为150mJ/cm2，待曝光完成后进行中烘，中烘设置温度为110℃，时间为160s；使用AZ 400K显影液与水配比为1:4进行显影，随后用氧等离子体将残留的胶状物去除；
3b、磁控溅射金属Cr、厚度10~20nm，磁控溅射金属Au、厚度50~60nm；
3c、将溅射完成的基片在丙酮溶液中浸泡1~2h，随后进行超声清洗，观察标记剥离是否完全，若不完全，重复此操作，直至标记完全显现；
3d、嵌入型电极沟道的刻蚀；在LiNbO3表面旋涂AZ 4620光刻胶；设置匀胶机转速为1000r/min，胶厚为8μm，前烘270s进行光刻；使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影；
3e、进行IBE离子束刻蚀，刻蚀时间为2~5h，刻蚀厚度为2~5μm，刻蚀气体的Ar，气体通量设置为5，缓慢通入气体，保证刻蚀气体与LiNbO3晶体的充分接触；
3f、对刻蚀完成的基片进行清洗工作；
步骤四、金属电极的制备：
将键合片清洗干净后进行光刻、磁控溅射和剥离工艺，完成对金属电极的制备；
具体为：
4a、使用只含有金属电极的掩膜版进行电极制备；旋涂AZ 7133光刻胶，设置匀胶机：低速转速500r/min、时间25s，高速转速为3000r/min、时间64s，随后在110℃的热板上进行90s前烘，将冷却后的键合片进行紫外光线曝光，曝光剂量设置为150mJ/cm2，然后在110℃的热板上进行160s的中烘，最后在AZ 400K与水配比为1:4的溶液中进行15s显影操作，直至图案显现完全，用氮气枪吹干；
4b、磁控溅射金属Cr、厚度20nm，磁控溅射金属Au、厚度200nm；
4c、将溅射完成的基片在丙酮溶液中浸泡2h，随后进行5min超声，观察电极剥离是否完全，若不完全，重复此操作，直至电极完全显现；
4d、将剥离完成的基片用无水乙醇和去离子进行清洗，并用氮气枪将其表面吹干；
步骤五、正面悬臂梁刻蚀：
采用IBE刻蚀工艺完成LiNbO3压电薄膜悬臂梁刻蚀，以及采用RIE刻蚀SiO2薄膜使其图案化；在LiNbO3正面喷胶、光刻、显影和深反应离子刻蚀，完成正面悬臂梁的刻蚀；其中，质量块的每边与相应的边框之间平行连接有两根悬臂梁，两根悬臂梁之间连接有短横梁；
具体为：
5a、在LiNbO3表面匀涂AZ 4620光刻胶，转速设置为1000r/min，前烘270s，曝光剂量设置为400mJ/cm2，然后使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影，待图案全部显现出来，用去离子水进行清洗，随后利用等离子去胶机去除浮胶；
5b、进行LiNbO3压电晶体刻蚀；利用离子束刻蚀，设置刻蚀气体为Ar，气体通量为5，每隔半个小时查看刻蚀情况，若LiNbO3表面出现彩环即为LiNbO3晶体刻蚀完成；
5c、进行SiO2薄膜刻蚀；利用反应离子进行刻蚀，刻蚀速率为1μm/h，当看到彩环消失时，即为SiO2刻蚀完成；
5d、将步骤4c完成的键合片清洗干净，在其上表面进行喷胶工艺，旋涂AZ 4620光刻胶，旋涂8圈，胶厚为15μm，前烘时间为270s，随后进行光刻工艺，曝光剂量设置为400mJ/cm2，随后使用AZ 400K与水配比为1:3进行显影；
5e、进行深硅刻蚀工艺，深硅刻蚀速率为1.5~2Loop/μm，刻蚀厚度为70~100μm，从而完成正面梁的刻蚀；
5f、将步骤5e刻蚀完成的键合片进行丙酮、无水乙醇以及去离子水进行清洗，并用氮气枪吹干；
步骤六、背部空腔制备与器件释放：
在背面通过喷胶、光刻和深反应离子刻蚀工艺完成背部空腔制备和器件释放；
具体为：
6a、在键合片背部进行喷胶工艺，喷胶16圈，胶厚设置为30μm，之后进行光刻工艺，光刻设置曝光剂量为800mJ/cm2，光刻完成后使用AZ 400K与水配比为1:2的显影液进行显影，待基底图案显影完成，进行氧等离子体去除残胶，并进行1h的120℃的坚膜工艺；
6b、将键合片上表面通过泵油与硅片键合，进行深反应离子刻蚀，缓慢刻蚀，直至刻蚀厚度为400~430μm，完成背面深硅刻蚀以及器件释放。
2.根据权利要求1所述的一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器的制备方法，其特征在于：所制备的传感器中，Si基片的厚度为480~520μm；SiO2薄膜的厚度为1~3μm；LiNbO3薄膜的厚度为4~6μm；电极的厚度为200~280nm；悬臂梁以及中心质量块的厚度为70~100μm；悬臂梁的宽度为500μm。
3.根据权利要求2所述的一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器的制备方法，其特征在于：步骤一中，低温预键合环境为：键合压力为1000~2000N，键合温度为80~120℃，随后在120℃~150℃的环境中进行3h退火处理。
4.根据权利要求3所述的一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器的制备方法，其特征在于：制备的传感器，固有频率为10888Hz~15328Hz。
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