一种“H”型单晶薄膜压电振动传感器及其制备方法

本发明属于半导体器件加工制造，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、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。

4、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：

5、步骤一、制备器件所需的键合片：

6、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；

7、步骤二、制备硬腌膜层：

8、将si-sio2-linbo3键合片的si侧表面生长一层sio2薄膜；

9、步骤三、金属标记物以及嵌入型电极沟道刻蚀：

10、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；

11、步骤四、金属电极的制备：

12、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；

13、步骤五、正面悬臂梁刻蚀：

14、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；

15、步骤六、背部空腔制备与器件释放：

16、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。

17、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。

18、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。

19、本发明具有如下优点：

20、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）。

21、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。

22、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。

23、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。

技术特征：

1.一种“h”型单晶薄膜压电振动传感器，包括si基片，其特征在于：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；

2.一种“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：

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：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。

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：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。

5.根据权利要求4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：步骤三具体为：

6.根据权利要求5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：步骤四具体为：

7.根据权利要求6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：步骤五具体为：

8.根据权利要求7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：步骤六具体为：

9.根据权利要求8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。

技术总结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LiNbO<subgt;3</subgt;晶片和双抛Si片的异质集成，利用电极掩膜版图案刻蚀LiNbO<subgt;3</subgt;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。技术研发人员：耿文平,乔骁骏,丑修建,张慧毅,李晓黄,韩树棋受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2024/1/12