[發明專利]基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010699338.6
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111796119B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 許高斌;王亞洲;馬淵明;陳興;張文晉;于永強;陳士榮
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 徐偉

1.一種基于納米壓電梁的諧振式加速度傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

備片：取一塊厚度為100μm的雙拋SOI硅片和兩塊厚度為30μm的100晶向N型單拋硅片；

一次光刻：使用標準半導體清洗工藝清洗雙拋SOI硅片，并在雙拋SOI硅片的表面旋涂光刻膠，光刻顯露出外框（21）和敏感質量塊（22），并在敏感質量塊（22）每個側邊的中部分別光刻蝕出凹槽；

二次光刻：對雙拋SOI硅片的頂面高溫加熱，使頂面生長出一層二氧化硅，在二氧化硅表面附上一層正性光刻膠并將其在第一層掩膜版下光刻，完成光刻后沖洗凈光刻膠，然后采用濕法刻蝕二氧化硅，在Y軸方向的凹槽表面對應著敏感質量塊（22）和外框（21）內側壁分別形成0.2μm厚的絕緣層即二氧化硅層（243）；

三次光刻：采用反應濺射的方式將氧化鋅沉積在二氧化硅層（243）的表面上，然后在氧化鋅表面上覆蓋一層正性光刻膠，并將其置于第二層掩膜版下進行光刻，完成光刻后沖洗凈光刻膠，然后通過濕法刻蝕氧化鋅，使得每個Y軸方向的凹槽表面的二氧化硅層（243）之間形成厚度為500nm的氧化鋅壓電層，從而形成一對氧化鋅諧振梁（241）；

沉積電極：使用電子束沉積法在二氧化硅層243的表面即一對氧化鋅諧振梁（241）的兩端分別沉積金屬電極（242），且厚度為0.1μm；

四次光刻：對雙拋SOI硅片的襯底整體減薄30μm后，通過反應離子刻蝕的方法刻蝕下方的硅層直至釋放出相互獨立的外框（21）和敏感質量塊（22），并通過深反應離子刻蝕的方法刻蝕敏感質量塊（22）的y軸方向上和x軸方向上的凹槽，使得對應y軸方向上的凹槽分別釋放形成雙端音叉諧振器（24），對應x軸方向上的凹槽上分別釋放形成支撐梁（23）；

五次光刻：在敏感質量塊（22）的底面中心光刻刻蝕出邊長為30μm、高為8μm的下限位柱；

六次光刻：第一塊厚度為30μm的100晶向N型單拋硅片的拋光面光刻出深為5μm的活動腔凹槽（11），并在活動腔凹槽（11）中心光刻出邊長為30μm、高度為5μm的下限位槽（12），使整體形成基底（1）；

一次硅-硅鍵合：分別對雙拋SOI硅片和上述加工形成的基底（1）外表面進行清洗，再進行

表面活化處理；在室溫條件下迅速將基底（1）頂面的拋光面與檢測結構層（2）的底面貼合在一起，使所述下限位槽（12）與下限位柱（211）相互適配，并一同置入純氧環境中進行高溫退火處理，直至鍵合并形成整體，即完成鍵合工藝；

七次光刻：將上述鍵合硅片頂面的中心光刻刻蝕出邊長為30μm、高為10μm的上限位柱（231）；

八次光刻：取第二塊厚度為30μm的100晶向N型單拋硅片，上層拋光面的中心光刻出邊長為30μm、深度為10μm的上限位槽（32），整體形成蓋板（3）；

二次硅-硅鍵合：將一次硅-硅鍵合成型的硅片與蓋板（3）的硅片進行清洗，再進行表面活化處理；在室溫條件下迅速將蓋板（3）底面的拋光面與檢測結構層（2）頂面貼合在一起，使所述上限位槽（32）與上限位柱（231）相互適配，并一同置入純氧環境中進行高溫退火處理，直至鍵合并形成整體，即完成鍵合工藝；

并在蓋板（3）上對應著每個雙端音叉諧振器（24）兩端的金屬電極（242）分別貫穿開設有接線引出孔（31），所述接線引出孔（31）內填充金屬銅；

上述方法制備得到的諧振式加速度傳感器包括基底（1）、檢測結構層（2）和蓋板（3）；

所述基底（1）以100晶向N型單拋硅片為基礎制成，基底（1）的頂面為拋光面，且開設活動腔凹槽（11），且活動腔凹槽（11）的中心設有下限位槽（12）；

所述檢測結構層（2）以方形雙拋SOI硅片為基礎制成，包括方形外框（21）和位于外框（21）中心的方形敏感質量塊（22），且敏感質量塊（22）的頂面和底面中心分別設有上限位柱（231）和下限位柱（211）；

所述敏感質量塊（22）中心為原點，敏感質量塊（22）的x軸方向的兩側分別通過支撐梁（23）和對應的外框（21）內側壁連接，敏感質量塊（22）的y軸方向的兩側分別通過雙端音叉諧振器（24）和對應的外框（21）內側壁連接，每個雙端音叉諧振器（24）包括一對氧化鋅諧振梁（241）；

所述蓋板（3）以100晶向N型單拋硅片為基礎制成，蓋板（3）的底面為拋光面，且拋光面的中心設有上限位槽（32），蓋板（3）對應每個雙端音叉諧振器（24）兩端的金屬電極（242）分別貫穿開設有接線引出孔（31）；

所述檢測結構層（2）的頂面和蓋板（3）的底面通過上限位柱（231）和上限位槽（32）的配合形成鍵槽連接，檢測結構層（2）的底面和所述基底（1）的頂面通過下限位柱（211）和下限位槽（12）的配合形成鍵槽連接，使得基底（1）、檢測結構層（2）和蓋板（3）形成內部封閉的加速度傳感器。