压电膜，形成所需图形的压电膜，去除残余光刻胶，完成图形化的压电膜7制备。
[0269]6)在压电膜7上制备上电极8
[0270]在硅基片正面上涂光刻胶，光刻曝光，形成上电极反图形，再用真空蒸镀设备沉积厚度为0.2μπι的Al，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。如图5所示。
[0271]7) SOI基底层3的释放
[0272]在背面金膜上涂正性光刻胶，利用Karl Suss双面曝光机进行双面曝光，形成体刻蚀掩膜光刻图形。分别利用Au和Cr腐蚀液对Au/Cr复合膜9进行腐蚀。腐蚀完成后，再利用缓释HF腐蚀氮化硅薄膜5，去除光刻胶，完成体刻蚀掩膜层的图形化。如图6所示。
[0273]用体刻蚀夹具将硅片密封固定，放入一定浓度的KOH溶液进行体刻蚀，溶液温度85°C进行SOI基底层3的湿法释放。如图7所示。
[0274]8)支撑层铝膜10的沉积
[0275]利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为0.5μπι的Al膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜10。如图8所示。
[0276]9)狭缝Ia的刻蚀
[0277]在正面涂正性光刻胶，利用标准光刻技术光刻曝光，形成狭缝光刻图形，作为狭缝刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面Si02/Si，刻蚀气体SF6，完成U形狭缝Ia的刻蚀，狭缝宽度为20μπι，去除光刻胶。在硅片正面涂正性光刻胶，利用磷酸腐蚀背面Al膜、氧化硅薄膜5、Au/Cr复合膜9以及压电单元正下方的部分SOI氧化层2。
[0278]把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。如图9及图10所示。该传感芯片的工作频率范围为1KHz以下。
[0279]10)MEMS矢量水听器的封装
[0280]把传感器芯片划片后，形成单个芯片a。如图10所示。使用环氧树脂把芯片a粘到后置放大电路b上，并完成相应电焊接，把以上焊接好的1-3个MEMS压电传感器芯片a和后置放大电路b相互垂直放置在灌封材料聚氨酯灌注而成的壳体结构c中，如图1所示。完成MEMS矢量水听器的制备。
[0281]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、锆钛酸铅压电膜、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。
[0282]本发明实施例提供的一种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Al层，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;腐蚀背面的Al层支撑层，完成传感芯片的制备。
[0283]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。
[0284]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，压电复合弹性梁产生形变，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。
[0285]以上所述的【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，以上所述仅为本发明的【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。
【主权项】
1.一种MEMS压电矢量水听器，其特征在于，包括:1-3个后置放大电路(b)、灌封结构(C)以及1-3个压电传感芯片(a); 所述1-3后置放大电路(b)被相互垂直放置在灌封结构(c)，其中，每个后置放大电路(b)上粘贴并焊接一个压电传感芯片(a)。2.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述压电传感芯片(a)包括:质量块(3a)、压电单元和复合弹性梁;其中，当有惯性力作用时，所述复合弹性梁产生形变，使与复合弹性梁相连的压电单元产生电荷。3.根据权利要求2所述的矢量水听器，其特征在于，所述压电传感芯片(a)包括:复合层，该复合层包括绝缘氧化层(4)、SOI硅层(I)和SOI氧化层(2)，所述复合层设有U形狭缝(Ia)，被所述U形狭缝(Ia)所包围的复合层部分为复合弹性梁。4.根据权利要求3所述的矢量水听器，其特征在于，所述压电传感芯片(a)包括设有回形孔(11)的SOI基底层(3)，被所述回形孔(11)包围的SOI基底层(3)部分为质量块(3a); 所述回形孔(11)外围的SOI基底层(3)支撑与所述复合弹性梁相连接的复合层部分； 所述质量块(3a)在复合弹性梁的下方，所述压电单元在复合弹性梁的上方；当有惯性力作用时，所述回形孔(11)外围的SOI基底层(3)与质量块(3a)相对运动，导致复合弹性梁产生形变，使与复合弹性梁相连的压电单元产生电荷。5.根据权利要求2所述的矢量水听器，其特征在于，所述U形狭缝(Ia)的开口方向为所述压电单元所在位置;所述压电单元包括:下电极(6)、压电层(7)和上电极(8)。6.根据权利要求1所述的矢量水听器，其特征在于，所述矢量水听器的工作频率范围为10KHZ以下。7.一种MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: 制备压电传感芯片(a); 将1-3个后置放大电路(b)上相互垂直放置在灌封结构(c)，完成MEMS压电矢量水听器的封装，其中，每个后置放大电路(b)粘贴并焊接一个压电传感芯片(a)。8.根据权利要求7所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述压电传感芯片(a)通过以下步骤得到: 在基片上沉积绝缘氧化层(4)，所述基片包括SOI硅层(1)、S0I氧化层(2)和SOI基底层(3)； 在所述绝缘氧化层(4)上制备下电极(6)、压电层(7)和上电极(8)构成压电单元； 对所述SOI基底层(3)释放，得到回形孔(11)，被所述回形孔(11)包围的SOI基底层(3)部分为质量块(3a); 对压电层(7)和质量块(3a)对应区域外的复合层进行刻蚀，形成U形狭缝(Ia)，该复合层包括绝缘氧化层(4)、S0I硅层(I)以及SOI氧化层(2)，被所述U形狭缝(Ia)包围的复合层部分为复合弹性梁。9.根据权利要求8所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述回形孔(11)通过以下步骤得到: 在所述SOI基底层(3)背面沉积体刻蚀掩膜，对所述体刻蚀掩膜双面曝光图形化，以使得所述回形孔(11)与压电单元位置正对； 对所述SOI基底层(3)进行干法或湿法释放，形成回形孔(11)结构，所述回形孔(11)所包围的SOI基底层(3)为质量块(3a)。10.根据权利要求8所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述U形狭缝(Ia)通过以下步骤得到: 得到所述回形孔(11)后，在所述基片背面镀一层狭缝刻蚀的支撑膜(10); 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(Ia)，所述U形狭缝(Ia)宽度为0.1?50μπι;所述U形狭缝(Ia)位置与所述回形孔(11)位置正对； 所述U形狭缝(Ia)开口方向为所述压电单元所在位置。11.根据权利要求10所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述支撑膜(10)为Al膜，厚度为0.1?5μπι; 在所述U形狭缝(Ia)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膜(10)、体刻蚀掩膜以及压电单元正下方的部分SOI氧化层(2)。12.根据权利要求8所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述压电层(7)为氧化锌压电膜、氮化铝薄膜、锆钛酸铅压电膜、钙钛矿型压电膜或有机压电膜;所述压电层(7)的厚度为0.01?60μπι。13.根据权利要求8所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述SOI基底层(3)厚度为100?500μπι;所述SOI氧化层(2)厚度为0.05?5μπι;所述SOI硅层(I)厚度为0.5?50μηι;所述绝缘氧化层(4)厚度为0.01?50μηι。14.根据权利要求8所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述下电极(6)或上电极(8)为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，所述铝厚度为0.01?Ιμπι，所述铬层或钛层厚度为0.01?0.Ιμπι，所述金层或铀层厚度为0.05?0.5μηι。15.根据权利要求9所述的MEMS压电矢量水听器的制备方法，其特征在于，所述体刻蚀掩膜对于湿法刻蚀为氮化硅(5)与金/铬复合膜(9)，对于干法刻蚀为氧化硅薄膜(5)，所述氮化硅或者氧化硅薄膜(5)厚度为0.01?ΙΟμπι，所述金层厚度为0.05?0.5μπι，所述铬层厚度为0.01 ?0.Ιμ??。
【专利摘要】本发明涉及一种MEMS压电矢量水听器及其制备方法，MEMS压电矢量水听器包括：1-3个后置放大电路、灌封结构以及1-3个压电传感芯片。1-3个后置放大电路被相互垂直放置在灌封结构，其中，每个后置放大电路上粘贴并焊接一个压电传感芯片。其中的压电传感芯片包括：质量块、压电单元和复合弹性梁；当有惯性力作用时，复合弹性梁产生形变，使与复合弹性梁相连的压电单元产生电荷。本发明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，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。
【IPC分类】B81B7/02, B81C3/00, G01H11/08
【公开号】CN105509872
【申请号】CN201610007166
【发明人】李俊红, 汪承灏, 魏建辉, 马军, 任伟
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年1月6日