晶硅片，单晶硅片规格为η型，（100)晶面；
[0046] b)清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化Si02层；
[0047] c)在已氧化的单晶硅片的双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶 硅片背面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块4;
[0048] d)在单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏 感梁2和补充梁3结构；
[0049] e)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极7图形;溅射、正胶 剥离，形成Ti-Pt金属层作为下电极7,溅射过程中没有衬底加热；
[0050] f)采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜5,并用光刻板 作为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜2进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶 处理；
[0051] g)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成绝缘质11图形;溅射、正胶 剥离，形成绝缘质11;
[0052] h)在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极8图形;溅射、正胶 剥离，形成Pt金属层作为上电极8;
[0053] i)在硼玻璃6的正面刻蚀出5~12μπι的微小空间，保证悬空质量块4有足够的振动 空间；
[0054] j)在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层;通过阳极键合技 术在硅质基底1的背面粘结硼玻璃6;
[0055] k)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘10上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘， 最后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
[0056] 其中，压电薄膜的具体制备方法如下：
[0057] a)采用硝酸锆、醋酸铅和钛酸正丁脂为原料合成锆钛酸前驱液，并以乙二醇甲醚 和乙酰丙酮分别作为溶剂和稳定剂，前驱体溶胶的锆、钛摩尔比为1:1;由于属醇烷氧化物 的粘度较大，需极性溶液以增加反应的均匀性，所以采用强极性的乙二醇甲醚(高蒸汽压、 较低的表面张力、易于挥发、干燥)作为溶剂;而不同醇盐的水解和聚合速度不同，就会形成 不均匀的凝胶，必须用具有鳌合作用的有机基团控制醇盐的水解速度，采用乙酰丙酮作为 螯合剂，可稳定锆和钛的金属离子；
[0058] b)采用旋转涂覆法，先将胶体滴在基片表面，待其均匀铺展后，利用旋转的方式使 胶体涂覆均匀在衬底表面，匀胶速度3000~4000r/min，匀胶30~40s;
[0059] c)每次旋涂完毕后，需对胶体进行热处理，在200~250°C下烘烤5~6min，以去除 有机成分;如果溶剂未去除干净，则在高温下会剧烈燃烧，使薄膜作废甚至危及实验设备的 安全;如果有机物未排除干净，则燃烧后会在薄膜中留下孔洞，影响薄膜性能。
[0060] d)在600~650°C下退火30~60min，并将上述旋涂和热处理进行若干次重复直至 达到所需求的压电薄膜厚度。
[0061] 对单悬臂梁结构、双悬臂梁结构、四敏感梁结构、双敏感梁-双补充梁结构和本发 明的四岛-四梁结构进行灵敏度、最大应变量以及谐振频率分析(加载加速度800m/s 2)，得 到的结果如图1所示：
[0062] 图1单悬臂梁结构、双敏感梁结构、四敏感梁结构、双敏感梁-双补充梁结构以及本 发明的四岛-四梁结构比较结果：
[0063]
[0064]横向效应系数等于横向的应变量与纵向的应变量之比，横向效应系数越小越好。 通过结果可以看出，单悬臂梁结构的压电加速度传感器芯片灵敏度最高，但横向效应系数 大，特别是X方向的横向效应系数很大，且谐振频率低;双悬臂梁结构的压电加速度传感器 芯片的谐振频率和灵敏度较大，但是横向效应系数大，特别是X方向的横向效应系数很大， 在使用过程中容易受此方向的加速度影响；四敏感梁结构的压电加速度传感器芯片的谐振 频率高，横向效应系数小，但灵敏度低;双敏感梁-双补充梁结构的压电加速度传感器芯片 谐振频率较高，横向效应系数很小，灵敏度比四敏感梁结构稍高;本发明芯片灵敏度高，横 向效应系数很小，且谐振频率也较低，能满足高灵敏度低侧向效应的要求，且也能改进因为 加工工艺条件及加工精度低而造成灵敏度低的问题。根据比较可得出结论:本发明微压电 加速度传感器芯片能满足高灵敏度低侧向效应的要求。
【主权项】
1. 微压电加速度传感器芯片，包括硅质基底（1)，硅质基底（1)的背面与硼玻璃（6)键 合，硅质基底（1)的中心空腔内配置有悬空质量块(4 )，其特征在于:两根相同敏感梁(2)分 别与悬空质量块(4)的一组对边相连，两根相同补充梁（3)则分别与悬空质量块(4)的另一 组对边相连，两根敏感梁(2)和两根相同补充梁(3)共同支撑悬空质量块(4)，使其保持悬空 状态，硼玻璃(6)与悬空质量块(4)下底面预留有工作间隙； 两根相同敏感梁（2)末端布置了两个压电薄膜(5)，通过芯片上的上电极(8)及下电极 (7)将产生的电压输出。2. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于:所述的敏感梁(2)的 宽度比补充梁(3)宽度大10~ΙΙΟμπι。3. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于:补充梁(3)的长度比 敏感梁(2)长度大100~600μπι。4. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：敏感梁(2)与补充梁 (3) 的厚度相同。5. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于:所述的两根相同的敏 感梁(2)、两根相同的补充梁(3)以及悬空质量块(4)处于同一水平高度。6. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的悬空质量块 (4) 与敏感梁（2)、补充梁(3)以及硅质基底（1)的框架有200~350μπι的间隙，保证悬空质量 块(4)受振动时不影响敏感梁(2)及补充梁(3)的运动。7. 根据权利要求1所述的微压电加速度传感器芯片，其特征在于：所述的悬空质量块 (4)与硼玻璃(6)存在着5~12μπι的间隙。8. 微压电加速度传感器芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤： a) 用氟化氢HF酸溶液清洗双面抛光的单晶硅片，单晶硅片规格为η型，（100)晶面； b) 清洗后脱水烘干，通过干法热氧化法在单晶硅片表面双面氧化Si02层； c) 在已氧化的单晶硅片双面涂覆光刻胶，单晶硅片正面保护，用光刻板在单晶硅片背 面采用干法刻蚀，刻蚀出质量块(4); d) 在单晶硅片正面光刻，用光刻板在硅晶圆上用等离子体刻蚀ICP法刻蚀形成敏感梁 (2)和补充梁(3)结构； e) 在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成下电极(7)图形；溅射、正胶剥 离，形成Ti-Pt金属层作为下电极(7)，溅射过程中没有衬底加热； f) 采用改性的溶胶-凝胶Sol-Gel工艺在Ti-Pt电极上制备压电薄膜(5)，并用光刻板作 为掩膜采用湿法对未结晶的压电薄膜(2)进行微图形化，然后放入热处理炉中进行再结晶 处理； g) 在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成绝缘质（11)图形;溅射、正胶剥 离，形成绝缘质（11); h) 在单晶硅片正面涂剥离胶，用光刻板光刻、显影，形成上电极(8)图形；溅射、正胶剥 离，形成Pt金属层作为上电极(8); i) 在硼玻璃（6)的正面刻蚀出5~12μπι的微小空间，保证悬空质量块(4)有足够的振动 空间； j) 在单晶硅片背面光刻去除之前工艺步骤中留下的二氧化硅层;通过阳极键合技术在 硅质基底(1)的背面粘结硼玻璃(6); k)在单晶硅片正面光刻，去除芯片中焊盘（10)上覆盖的残余遮蔽层，暴露芯片焊盘，最 后经过划片得到压电微加速度传感器芯片。
【专利摘要】本发明公开了一种微压电加速度传感器芯片及其制作方法，芯片由一对敏感梁与一对补充梁共同支撑悬空质量块并使其悬空，质量块与敏感梁、补充梁及边框间有一定距离，使其保证质量块振动时不影响敏感梁及补充梁的运动，充分利用空间，增加质量块质量，从而增加了结构的灵敏度，敏感梁上布置了压电薄膜，压电薄膜的上下表面都布置有上下电极，其中芯片的制作方法是通过干法刻蚀以及光刻得到硅基底中的由悬空质量块、敏感梁和补充梁组成的可动结构，正面光刻并溅射形成芯片的上下电极，在硅质基底的背面粘结硼玻璃，硼玻璃与悬空质量块预留有一工作间隙，最后得到芯片，该芯片能够满足高灵敏度、低侧向效应的要求。
【IPC分类】B81B3/00, G01P15/09, B81C1/00
【公开号】CN105540527
【申请号】CN201510919806
【发明人】田边, 刘汉月, 杨宁
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月10日