一种基于振动微球的加速度传感器及制备方法

1.本发明属于半导体器件mems结构工艺技术领域，涉及加速度传感器，具体为一种基于振动微球的加速度传感器及制备方法。


背景技术：

2.目前，车辆工程与航空航天等领域中，对加速度进行检测与控制已经变得尤为普遍。但在提升检测效率与监测精度上，现在的传感器仍然面临着巨大考验。未来的一个发展趋势是对基于压电效应的加速度传感器进行性能优化。常用压电材料有pzt薄膜、氮化铝（aluminumnitride，aln）以及铌酸锂（ln）。pzt的性能优势在于其压电系数高，d
33
可以达到300pc/n，d
31
可以达到200pc/n以上。但pzt的劣势也十分明显，pzt中含铅，铅会污染水源和影响环境，不符合绿色发展理念。由于氮化铝的相对介电常数非常低，因此aln的特点是低损耗和高灵敏度，普遍应用于传感器和谐振器中。但是aln也有着明显缺点，它的压电系数低，d
33
只有5pc/n左右。这说明aln在电能量与机械能量互相转换方面能力不足。ln是一种耐高温铁电材料，其居里温度可以达到1210℃。所以ln可以适应大多数的mems工艺温度。因此，在设计基于ln的器件时几乎可以不用考虑工艺温度变化导致的退极化问题。mems器件体积小，通常来说mems传感器的尺寸是以毫米甚至微米为计量单位，有着重量轻、能耗低的特点。部件微型化以后具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。mems的表面体积比高则传感器的敏感程度也高。加速度与振动强度关系紧密，所以需要设计一种高灵敏度的压电振动传感器来提升传感器的性能以及实现对加速度的精准测量。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种基于振动微球的加速度传感器的新型结构设计，在悬臂梁的基础上设计制造振动微球结构，旨在增加中心质量块的重量，通过改变悬臂梁设计结构增加约束与牵引，减小偏摆和扭转位移，降低横向效应使其有更大的变形刚度和稳定性，提高传感器的输出性能和灵敏度。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于振动微球的加速度传感器，包括si基底，所述si基底表面生长一层sio2薄膜并与linbo3晶片键合后构成硅基铌酸锂键合片。所述硅基铌酸锂键合片经mems工艺形成边框、中心质量环及四条复合悬臂梁；每条复合悬臂梁由垂直布置的横梁和纵梁构成，即复合悬臂梁具有三个连接端，其中两个连接端与边框连接、另一个连接端与中心质量环连接；四条复合悬臂梁则两两对称布置于中心质量环两侧；所述横梁和纵梁上均布置有电极；所述中心质量环上固定有微球。
5.进一步优选的，所述中心质量环的外周为正方形、内周为圆形。所述微球通过紫外光固化胶固定于中心质量环上；微球使用pa材料，pa材料相比其他材料耐磨性较好抗冲击性能优异，具有低密度和高热稳定性的优点。
6.上述基于振动微球的加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤s1：制备硅基铌酸锂键合片对y切铌酸锂晶片和硅基底进行清洗，在硅基底表面采用pecvd法生长二氧化硅层，将带有氧化层的硅基底与铌酸锂单晶薄膜在低温下进行键合，之后通过减薄、抛光工艺，制得硅基铌酸锂键合片；步骤s2：制备标记图案和表面电极清洗硅基铌酸锂键合片，采用磁控溅射和刻蚀工艺在传感器的复合悬臂梁上制备对准标记及表面电极；步骤s3：采用ibe工艺刻蚀铌酸锂单晶薄膜，以及采用rie工艺刻蚀二氧化硅薄膜层，使铌酸锂薄膜层与二氧化硅薄膜层图形化；步骤s4：在硅基铌酸锂键合片正表面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺制备悬臂梁与中心质量环；在硅基铌酸锂键合片背面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺完成复合悬臂梁和中心质量环的释放；步骤s5：微球表面涂上紫外光固化胶粘剂后将其放在中心质量环的内周圆处并用紫外线灯照射使紫外光固化胶固化；最终制得基于振动微球的加速度传感器。
7.进一步优选的，步骤s1具体为，将y切铌酸锂晶片和硅基底先在150℃环境温度下进行酸洗，再用双氧水和氨水进行碱洗，之后依次使用丙酮、无水乙醇超声清洗，之后用去离子水超声清洗冲洗表面杂质和有机物，并用氮气吹干表面；在硅基底表面采用pecvd法生长一层1～3μm的二氧化硅层；y切铌酸锂晶片与硅基底在80～120℃键合温度下以1000n～3000n键合压力键合，之后在120～150℃温度下退火3h；将硅基铌酸锂键合片进行减薄和抛光，其中铌酸锂层的厚度为5μm。
8.进一步优选的，步骤s2具体为，将设计好的对准标记图案与金属电极图形事先定制到一块掩膜板上，再对硅基铌酸锂采用磁控溅射的方法溅射一层铬/金，之后使用光刻胶az6130，匀胶机低速500r/min匀胶10秒，高速3000r/min匀胶30秒，100℃热板下前烘60s，光刻设备采用evg610光刻机，曝光剂量为100j/cm2，之后用显影液az400k与水1:4配比进行显影，显影后用等离子水冲洗片子并用氮气吹干，之后用氧等离子体去胶机去胶后，120℃热板下后烘15min；之后用ibe刻蚀去除不需要的金属层。其中，采用磁控溅射制作的表面电极与对准标记使用铬/金的厚度比均为10nm/50nm。
9.进一步优选的，步骤s3具体为，设置匀胶机转速为1000r/min匀胶，光刻胶使用az4620，之后热板烘180s，采用光刻机evg610进行光刻，曝光剂量设置为400mj/cm2，显影液az400k与水1:3混合显影，图形显影后用氧等离子体去除显影之后残留的底胶，最后在120℃热板上坚膜15分钟；采用ibe工艺刻蚀，每半小时查看刻蚀情况直到铌酸锂单晶薄膜的图形化完成。之后采用rie工艺刻蚀完成二氧化硅层图形化。
10.进一步优选的，步骤s4具体为，用深硅刻蚀工艺，在键合片刻蚀制备出硅基悬臂梁与中心质量环，刻蚀厚度为100μm；刻蚀后的键合片用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声，之后用去离子水清洗表面，用氮气吹干表面。在键合片背面通过喷胶机喷涂正胶az4620，喷胶16圈，厚度为60μm，之后100℃前烘2min，继而进行光刻工艺，曝光剂量为800mj/cm2，之后用显影液az400k与水1:3混合使用进行显影，等图形完全显影之后用氧等离子体去除残余
底胶，去胶之后在120℃热板上坚膜20min；采用泵油将键合片正面与硅片进行键合，深硅刻蚀厚度为400μm，使复合悬臂梁与中心质量环释放；用无水乙醇泡洗结构表面的泵油，之后用去离子水冲洗多次，待水自然蒸发。
11.综上所述，本发明提供的基于振动微球的加速度传感器的新型结构设计及其制备方法，通过将铌酸锂与带有二氧化硅层的硅基底低温键合，在铌酸锂薄膜上采用溅射、刻蚀和ibe刻蚀等办法制备对准标记与表面电极，采用ibe刻蚀铌酸锂单晶薄膜使其图形化，采用rie完成氧化硅层图形化，并采用深硅刻蚀工艺刻蚀硅基正面制备中心质量环与悬臂梁以及从硅基背面对其进行刻蚀，微球表面涂上微量的紫外光固化胶粘剂后将其放在中间连接处并用紫外线灯照射使紫外光固化胶固化，制得基于微球的加速度传感器。本发明所述的复合梁微球传感器与四悬臂梁传感器相比有更高的输出且拓宽了频带宽度。本发明中传感器的中心微球结构与质量块结构相比在谐振频率下有更高的输出电荷以及更高的灵敏度，能够满足中低频微振动环境下的测试要求。
12.本发明设计合理，采用复合悬臂梁微球结构，此类结构能够降低横向效应，提高传感器输出电荷灵敏度，具有很好的实际应用及推广价值。
附图说明
13.为了更加清楚地说明本技术实施例或现有技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
14.图1表示本发明中基于铌酸锂铁电薄膜的振动微球加速度传感器的制备方法流程图。
15.图2表示本发明中键合工艺后得到的带有二氧化硅层的硅基铌酸锂铁电单晶薄膜结构示意图。
16.图3表示传感器对准标记以及金属电极制备流程图。
17.图4表示传感器功能层以及氧化层图形化流程图。
18.图5表示本发明中振动微球加速度传感器的悬臂梁制备工艺流程图。
19.图6表示本发明所述的复合梁微球传感器与四梁微球传感器、四梁质量块传感器、复合梁质量块传感器在comsol软件的同一设置仿真下的输出电荷对比图。
20.图7表示本发明所述的复合梁微球传感器结构示意图。
21.图7中标号：1-边框，2-中心质量环，3-复合悬臂梁，301-横梁，302-纵梁，4-电极，5-微球。
22.图8表示本发明所述的复合梁微球传感器的可用频段模拟分析数据图。
23.图9表示本发明所述的复合梁微球传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。
24.图10表示复合梁质量块传感器结构示意图。
25.图10中标号：1-边框，3-复合悬臂梁，4-电极，6-质量块。
26.图11表示复合梁质量块传感器的可用频段模拟分析数据图。
27.图12表示复合梁质量块传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布
情况。
28.图13表示四梁微球传感器结构示意图。
29.图13中标号：1-边框，2-中心质量环，4-电极，7-单悬臂梁。
30.图14表示四梁微球传感器的可用频段模拟分析数据图。
31.图15表示四梁微球传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。
32.图16表示四梁质量块传感器结构示意图。
33.图16中标号：1-边框，4-电极，6-质量块，7-单悬臂梁。
34.图17表示四梁质量块传感器的可用频段模拟分析数据图。
35.图18表示四梁质量块传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。
具体实施方式
36.参照图1，为本发明实施例中振动微球加速度传感器的制备方法流程图。
37.本发明中基于mems工艺的新型结构设计的振动微球加速度传感器的制备具体步骤如下：步骤s1：制备硅基铌酸锂键合片如图2所示，对y切铌酸锂晶片和硅基底进行清洗，在硅基底表面采用pecvd法生长二氧化硅层，将带有氧化层的硅基底与铌酸锂单晶薄膜在低温下进行键合，之后通过减薄、抛光工艺，制得硅基铌酸锂键合片。
38.其中，清洗溶液有丙酮、异丙醇、无水乙醇、浓硫酸、双氧水和氨水。键合压力1000～3000n，键合温度为80～120℃。
39.步骤s2：制备标记图案和表面电极如图3所示，清洗硅基铌酸锂键合片，采用磁控溅射和刻蚀工艺在传感器的复合悬臂梁上制备对准标记及表面电极。
40.其中，清洗硅基铌酸锂薄膜是为了去除表面有机物以及其他杂质，为后面对准标记和表面电极的制备做准备。磁控溅射功率为300～600w，表面电极为铬/金。
41.步骤s3：如图4所示，采用ibe工艺刻蚀铌酸锂单晶薄膜，以及采用rie工艺刻蚀二氧化硅薄膜层，使铌酸锂薄膜层与二氧化硅薄膜层图形化。
42.其中，ibe和rie工艺需用光刻胶az4620来充当掩膜，掩膜厚度为8μm～15μm，显影液az400k与水1:3为比例混合进行显影。
43.步骤s4：如图5所示，在硅基铌酸锂键合片正面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺制备复合悬臂梁与中心质量环。
44.如图5所示，在硅基铌酸锂键合片背面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺完成复合悬臂梁和中心质量环的释放。
45.其中，喷胶为光刻胶az4620胶，喷涂厚度为30μm～60μm，采用显影液az400k与水1:3混合进行显影。
46.步骤s5：微球表面涂上紫外光固化胶粘剂后将其放在中心质量环的内周圆处，并用紫外线灯照射使紫外光固化胶固化。
47.其中，微球的材质为pa（聚酰胺），微球半径为2000μm，放置微球的中心质量环的内圆半径为1321μm。
48.本发明中铁电单晶铌酸锂薄膜与带二氧化硅层的硅基片键合工艺技术成熟，能够很好完成宽频带、强信号输出元器件的制备。最终制得的基于振动微球的加速度传感器，linbo3薄膜的厚度为5μm，二氧化硅层厚度为1～3μm，硅基底厚度为500μm，表面电极厚度为100～350nm，中心质量环与复合悬臂梁厚度为60～100μm。
49.为使得本发明中目的、特征、优点能够更加明显和易懂，对本发明实施例中技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中实施例，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所有其它实施例，都属于本发明保护范围。本发明实施例所使用试剂和原料均为市售或自制。
实施例1
50.一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，如下：步骤1、制备硅基铌酸锂键合片1a、将y切铌酸锂晶片和硅基底先在150℃环境温度下进行酸洗，再用双氧水和氨水进行碱洗，之后依次使用丙酮、无水乙醇超声清洗5min，之后用去离子水超声清洗5min冲洗表面杂质和有机物，并用氮气吹干表面。
51.1b、在硅基底表面采用pecvd法生长一层2μm厚二氧化硅层。
52.1c、铌酸锂晶片与硅基底在80℃键合温度下以1000n键合压力键合，之后在120℃温度下退火3h。
53.1d、将硅基铌酸锂键合片进行减薄和抛光，使其厚度为5μm。
54.步骤2、重复步骤1a中清洗硅基铌酸锂键合片，并制备对准标记和金属电极，具体如下：2a、将设计好的对准标记图案与金属电极图形预先定制到一块掩膜板上，再对硅基铌酸锂采用磁控溅射的方法溅射一层铬/金，之后使用光刻胶az6130，匀胶机低速500r/min匀胶10秒，高速3000r/min匀胶30秒，100℃热板下前烘60s，光刻设备采用evg610光刻机，曝光剂量为100j/cm2，之后用显影液az400k与水1:4配比进行显影，显影后用等离子水冲洗片子并用氮气吹干，之后用氧等离子体去胶机去胶2分钟后120℃热板下后烘15min。之后采用ibe工艺刻蚀去除不需要的金属层。
55.其中，采用磁控溅射制作的表面电极与对准标记使用铬/金的厚度比均为10nm/50nm，金属铬的作用是使作为黏附层使金电极能够很好黏附在铌酸锂晶片上。
56.2b、刻蚀完成后用丙酮、乙醇、去离子水去除表面的光刻胶。
57.2c、制备工艺结束后用显微镜观察，每个复合悬臂梁的横梁和纵梁上都有一组电极。
58.步骤3、硅基铌酸锂刻蚀与图形化，具体如下：3a、重复1a清洗键合片表面的工作。
59.3b、设置匀胶机转速为1000r/min匀胶，光刻胶使用az4620，之后热板烘180s，采用光刻机evg610进行光刻，曝光剂量设置为400mj/cm2，显影液az400k与水1:3混合显影，图形
显影后用氧等离子体去除显影之后残留的底胶，最后在120℃热板上坚膜15分钟。
60.3c、用ibe工艺刻蚀，每半小时查看刻蚀情况直到铌酸锂单晶薄膜的图形化完成。
61.3d、采用rie工艺刻蚀完成二氧化硅层图形化。
62.步骤4、硅基悬臂梁、硅基中心质量环的制备与器件释放，具体如下：4a、用深硅刻蚀工艺，在键合片正面刻蚀制备出硅基悬臂梁与中心质量环，刻蚀厚度为100μm。
63.4b、刻蚀后的键合片用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声5分钟，之后用去离子水清洗表面，用氮气吹干表面。
64.4c、在键合片背面通过喷胶机喷涂正胶az4620，喷胶16圈，厚度为60μm，之后100℃前烘2min，继而进行光刻工艺，曝光剂量为800mj/cm2，之后用显影液az400k与水1:3混合使用进行显影，等图形完全显影之后用氧等离子体去除残余底胶，去胶之后在120℃热板上坚膜20min。
65.4d、采用泵油将键合片正面与硅片进行键合，深硅刻蚀厚度为400μm，使复合悬臂梁与中心质量环释放。
66.4e、用无水乙醇泡洗结构表面的泵油，之后用去离子水冲洗多次，待水自然蒸发。
67.步骤5、中心微球的粘连安装，具体为：微球表面涂上微量的紫外光固化胶粘剂后，将其放在中心质量环的连接处，并用紫外线灯照射5min使紫外光固化胶固化，制得所述压电振动传感器。其中微球的材质为pa（聚酰胺），微球半径为2000μm，放置微球的质量环半径为1321μm。
68.经过以上步骤制备出加速度传感器（复合梁微球传感器）结构如图7所示，硅基铌酸锂键合片经mems工艺形成边框1、中心质量环2及四条复合悬臂梁3，中心质量环2的外周为正方形、内周为圆形。每条复合悬臂梁3由垂直布置的横梁301和纵梁302构成，即复合悬臂梁3具有三个连接端，其中两个连接端与边框1连接、另一个连接端与中心质量环2连接（即：纵梁302的两个连接端分别与边框1和中心质量环2连接，横梁301的一个连接端与边框1连接）；四条复合悬臂梁3则两两对称布置于中心质量环2上下两侧（当然也可以对称布置于中心质量环的左右两侧，均可）；横梁301和纵梁302上均布置有一组电极4；中心质量环2上固定有微球5。其中，硅基底厚度为500μm，二氧化硅层厚度为3μm，linbo3薄膜的厚度为5μm，电极的厚度为100～350nm，中心质量环和复合悬臂梁的厚度均为70μm。微球半径为2000μm，中心质量环的内周半径为1321μm。
69.如图6所示，通过对复合梁微球（本发明）、四梁微球、四梁质量块、复合梁质量块等四种不同结构的传感器仿真。通过分析比较不同加速度下的每种结构的最大输出电荷绘制出如图6数据图。其中各结构的静电场，固体力学场的参数设置都相同，只改变加速度来仿真不同结构的输出。如图6所示，在中心结构相同的条件下，复合结构的悬臂梁传感器比四悬臂梁传感器的电荷输出值大，且随着加速度的增加，输出电荷的增量也更大。相比之下在悬臂梁的结构相同时，中心结构为微球的传感器同样比中心质量块结构的传感器有着更高的输出电荷和灵敏度。
70.本发明检测了实施例1制备的复合梁微球传感器（如图7所示）在谐振频率处（前三阶）的应力分布；其中：一阶固有频率为f
osc1
=1533.1hz，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
=2513hz和f
osc3
=4228.1hz，其表现出扭曲模
态，具有悬臂梁翻转趋势。
71.如图8所示，该复合梁微球传感器的可用频段模拟分析数据图，本技术实施例1制备的器件产生的最大位移在f=1533.1hz，此时悬臂梁的最大位移最大，可用于中低频范围内的振动信号检测。
72.如图9所示，该复合梁微球传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。在横截面处，研究了不同频率激励信号下的位移分布，其振动位移在所测频带范围内的位移值远小于固有频率下的位移值。其横向振动位移变化平缓，在保证有较大输出电荷的情况下，能够提高传感器的使用寿命。
73.现有复合梁质量块传感器结构如图10所示，四条复合悬臂梁3则两两对称布置于质量块6两侧，并与边框1连接；横梁301和纵梁302上均布置有一组电极4。本发明检测了该复合梁质量块传感器在谐振频率处（前三阶）的应力分布；其中：一阶固有频率为f
osc1
=3533.8hz，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
=2513hz和f
osc3
=4228.1hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
74.如图11所示，该复合梁质量块传感器的可用频段模拟分析数据图，该复合梁质量块传感器作为本技术实施例1中的对照组器件，其产生的最大位移在f=3533.8hz，此时悬臂梁的最大位移最大，但相比图8振动位移值较小，由于压电效应，较小的位移值使压电晶体上的应力也小由此带来的输出电荷也小。
75.如图12所示，该复合梁质量块传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。在横截面处，研究了不同频率激励信号下的位移分布，其振动位移在所测频带范围内的位移值远小于固有频率下的位移值。其横向振动位移变化相对平缓，但是位移值相对本技术实施例1的位移值较小，相应的输出信号也较小。
76.四梁微球传感器结构如图13所示，四条单悬臂梁7对称布置于中心质量环2四个方向，并与边框1连接，中心质量环2上固定微球5；每条单悬臂梁7上均布置有一组电极4。本发明检测了该四梁微球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
=1400.6hz，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
=3301.3hz和f
osc3
=3307.1hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
77.如图14所示，该四梁微球传感器的可用频段模拟分析数据图，该四梁微球传感器作为本技术实施例1中的对照组器件，其产生的最大位移在f=1400.6hz，此时悬臂梁的最大位移最大，但相比图8可用频带较窄，只能用在一些低频环境下的测试。
78.如图15所示，该四梁微球传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。在横截面处，研究了不同频率激励信号下的位移分布，其振动位移在所测频带范围内的位移值远小于固有频率下的位移值。其横向振动位移变化很快，在输出电荷不及本技术实施例1的情况下，还会降低传感器的使用寿命。
79.现有四梁质量块传感器结构如图16所示，四条单悬臂梁7对称布置于质量块6四个方向，并与边框1连接，每条单悬臂梁7上均布置有一组电极4。本发明检测了该四梁质量块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
=3363.3hz，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
=8427.7hz和f
osc3
=8432.5hz，其表现出扭曲模态，具有悬臂梁翻转趋势。
80.如图17所示，该四梁质量块传感器的可用频段模拟分析数据图，该四梁质量块传
感器作为本技术实施例1中的对照组器件，其产生的最大位移在f=3363.3hz，此时悬臂梁的最大位移最大，但相比图8振动位移值较小，由于压电效应，较小的位移值使压电晶体上的应力也小由此带来的输出电荷也小。
81.如图18所示，该四梁质量块传感器在输入激励加速度信号下，横截面处器件位移分布情况。在横截面处，研究了不同频率激励信号下的位移分布，其振动位移在所测频带范围内的位移值远小于固有频率下的位移值。其横向振动位移变化较快，在输出电荷很小的情况下，也会降低传感器的使用寿命。
实施例2
82.一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，如下：步骤1、制备硅基铌酸锂键合片，具体如下：1a、将铌酸锂晶片和硅基底酸洗和碱洗，先在150℃环境温度下进行酸洗，再用双氧水和氨水进行碱洗，之后依次使用丙酮、无水乙醇超声清洗5min，之后用去离子水超声清洗5min冲洗表面杂质和有机物，并用氮气吹干表面。
83.1b、在硅基底表面采用pecvd法生长一层1μm厚二氧化硅层。
84.1c、铌酸锂晶片与硅基底在120℃键合温度下以2000n键合压力键合，之后在150℃温度下退火3h。
85.1d、将硅基铌酸锂键合片进行减薄和抛光，使其厚度为1μm。
86.步骤2、重复步骤1a中清洗硅基铌酸锂键合片，并制备对准标记和金属电极，具体如下：2a、将设计好的对准标记图案与金属电极图形预先定制到一块掩膜板上，再对硅基铌酸锂采用磁控溅射的方法溅射一层铬/金，之后使用光刻胶az6130，匀胶机低速500r/min匀胶10秒，高速3000r/min匀胶30秒，100℃热板下前烘60s，光刻设备采用evg610光刻机，曝光剂量为100j/cm2，之后用显影液az400k与水1:4配比进行显影，显影后用等离子水冲洗片子并用氮气吹干，之后用氧等离子体去胶机去胶2分钟后120℃热板下后烘15min；之后用ibe工艺刻蚀去除不需要的金属层。
87.其中，采用磁控溅射制作的表面电极与对准标记使用铬/金的厚度均比为10nm/50nm，金属铬的作用是使作为黏附层使金电极能够很好黏附在铌酸锂晶片上。
88.2b、刻蚀完成后用丙酮、乙醇、去离子水去除表面的光刻胶。
89.2c、制备工艺结束后用显微镜观察，每个复合悬臂梁的横梁和纵梁上都有一组电极。
90.步骤3、硅基铌酸锂的刻蚀与图形化，具体如下：3a、重复1a清洗键合片表面的工作。
91.3b、设置匀胶机转速为1000r/min匀胶，光刻胶使用az4620，之后热板烘180s，采用光刻机evg610进行光刻，曝光剂量设置为400mj/cm2，显影液az400k与水1:3混合显影，图形显影后用氧等离子体去除显影之后残留的底胶，最后在120℃热板上坚膜15分钟。
92.3c、用ibe工艺刻蚀，每半小时查看刻蚀情况直到铌酸锂单晶薄膜的图形化完成。
93.3d、采用rie工艺刻蚀完成二氧化硅层图形化。
94.步骤4、硅基悬臂梁、硅基中心质量环的制备与器件释放工艺，具体如下：
4a、用深硅刻蚀工艺，在键合片正面刻蚀制备出硅基悬臂梁与中心质量环，刻蚀厚度为80μm。
95.4b、刻蚀后的键合片用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声5分钟，之后用去离子水清洗表面，用氮气吹干表面。
96.4c、在键合片背面通过喷胶机喷涂正胶az4620，喷胶8圈，厚度为30μm，之后100℃前烘2min，继而进行光刻工艺，曝光剂量为800mj/cm2，之后用显影液az400k与水1:3混合使用进行显影，等图形完全显影之后用氧等离子体去除残余底胶，去胶之后在120℃热板上坚膜20min。
97.4d、采用泵油将键合片与硅片进行键合，深硅刻蚀厚度为420μm，使悬梁与中心质量环释放。
98.4e、用无水乙醇泡洗结构表面泵油，之后用去离子水冲洗多次，待水自然蒸发。
99.步骤5、中心微球的粘连安装，具体为：微球表面涂上微量的紫外光固化胶粘剂后，将其放在中心质量环的连接处，并用紫外线灯照射5min使紫外光固化胶固化，制得所述压电振动传感器。其中微球的材质为pa（聚酰胺），微球半径为2000μm，放置微球的质量环半径为1321μm。
100.经过以上步骤制备出加速度传感器（复合梁微球传感器），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，固有频率与实施例1基本一致，也具有更大的电荷输出值。
101.总之，本发明制备的复合梁微球传感器相较于复合梁质量块传感器、四梁微球传感器、四梁质量块传感器，拓宽了器件的应用频段，降低了横向灵敏度，提高了在z轴方向上的振动信号收集的灵敏度。
102.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。

技术特征：
1.一种基于振动微球的加速度传感器，包括si基底，所述si基底表面生长一层sio2薄膜并与linbo3晶片键合后构成硅基铌酸锂键合片；其特征在于：所述硅基铌酸锂键合片经mems工艺形成边框（1）、中心质量环（2）及四条复合悬臂梁（3）；每条复合悬臂梁（3）由垂直布置的横梁（301）和纵梁（302）构成，即复合悬臂梁（3）具有三个连接端，其中两个连接端与边框（1）连接、另一个连接端与中心质量环（2）连接；四条复合悬臂梁（3）则两两对称布置于中心质量环（2）两侧；所述横梁（301）和纵梁（302）上均布置有电极（4）；所述中心质量环（2）上固定有微球（5）。2.根据权利要求1所述的一种基于振动微球的加速度传感器，其特征在于：所述中心质量环（2）的外周为正方形、内周为圆形。3.根据权利要求1或2所述的一种基于振动微球的加速度传感器，其特征在于：硅基底厚度为500μm，二氧化硅层厚度为1～3μm，linbo3薄膜的厚度为5μm，电极的厚度为100～350nm，中心质量环和复合悬臂梁的厚度均为60～100μm。4.根据权利要求3所述的一种基于振动微球的加速度传感器，其特征在于：所述微球（5）半径为2000μm，中心质量环的内周半径为1321μm。5.根据权利要求4所述的一种基于振动微球的加速度传感器，其特征在于：所述微球（5）的材质为pa；所述微球通过紫外光固化胶固定于中心质量环（2）上。6.一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1：制备硅基铌酸锂键合片对y切铌酸锂晶片和硅基底进行清洗，在硅基底表面采用pecvd法生长二氧化硅层，将带有氧化层的硅基底与铌酸锂单晶薄膜在低温下进行键合，之后通过减薄、抛光工艺，制得硅基铌酸锂键合片；步骤s2：制备标记图案和表面电极清洗硅基铌酸锂键合片，采用磁控溅射和刻蚀工艺在传感器的复合悬臂梁上制备对准标记及表面电极；步骤s3：采用ibe工艺刻蚀铌酸锂单晶薄膜，以及采用rie工艺刻蚀二氧化硅薄膜层，使铌酸锂薄膜层与二氧化硅薄膜层图形化；步骤s4：在硅基铌酸锂键合片正表面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺制备悬臂梁与中心质量环；在硅基铌酸锂键合片背面通过喷胶、光刻、显影、后烘、深硅刻蚀工艺完成复合悬臂梁和中心质量环的释放；步骤s5：微球表面涂上紫外光固化胶粘剂后将其放在中心质量环的内周圆处并用紫外线灯照射使紫外光固化胶固化。7.根据权利要求6所述的一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s1具体为，将y切铌酸锂晶片和硅基底先在150℃环境温度下进行酸洗，再用双氧水和氨水进行碱洗，之后依次使用丙酮、无水乙醇超声清洗，之后用去离子水超声清洗冲洗表面杂质和有机物，并用氮气吹干表面；在硅基底表面采用pecvd法生长一层1～3μm的二氧化硅
层；y切铌酸锂晶片与硅基底在80～120℃键合温度下以1000n～3000n键合压力键合，之后在120～150℃温度下退火3h；将硅基铌酸锂键合片进行减薄和抛光，使铌酸锂层厚度为5μm。8.根据权利要求7所述的一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s2具体为，将设计好的对准标记图案与金属电极图形事先定制到一块掩膜板上，再对硅基铌酸锂采用磁控溅射的方法溅射一层铬/金，之后使用光刻胶az6130，匀胶机低速500r/min匀胶10秒，高速3000r/min匀胶30秒，100℃热板下前烘60s，光刻设备采用evg610光刻机，曝光剂量为100j/cm2，之后用显影液az400k与水1:4配比进行显影，显影后用等离子水冲洗片子并用氮气吹干，之后用氧等离子体去胶机去胶后，120℃热板下后烘15min；之后用ibe工艺刻蚀去除不需要的金属层；其中，采用磁控溅射制作的表面电极与对准标记使用铬/金的厚度比均为10nm/50nm。9.根据权利要求8所述的一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s3具体为，设置匀胶机转速为1000r/min匀胶，光刻胶使用az4620，之后热板烘180s，采用光刻机evg610进行光刻，曝光剂量设置为400mj/cm2，显影液az400k与水1:3混合显影，图形显影后用氧等离子体去除显影之后残留的底胶，最后在120℃热板上坚膜15分钟；采用ibe工艺刻蚀，每半小时查看刻蚀情况直到铌酸锂单晶薄膜的图形化完成；之后采用rie工艺刻蚀完成二氧化硅层图形化。10.根据权利要求9所述的一种基于振动微球的加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤s4具体为，用深硅刻蚀工艺，刻蚀制备出硅基悬臂梁与中心质量环，刻蚀厚度为100μm；刻蚀后的键合片用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声，之后用去离子水清洗表面，用氮气吹干表面；在硅基底背面通过喷胶机喷涂正胶az4620，喷胶16圈，厚度为60μm，之后100℃前烘2min，继而进行光刻工艺，曝光剂量为800mj/cm2，之后用显影液az400k与水1:3混合使用进行显影，等图形完全显影之后用氧等离子体去除残余底胶，去胶之后在120℃热板上坚膜20min；采用泵油将键合片正面与硅片进行键合，深硅刻蚀厚度为400μm，使悬梁与中心质量环释放；用无水乙醇泡洗结构表面的泵油，之后用去离子水冲洗多次，待水自然蒸发。

技术总结
本发明属于半导体器件MEMS结构工艺技术领域，涉及加速度传感器，具体为一种基于振动微球的加速度传感器及制备方法。传感器是通过键合工艺将铌酸锂晶片与硅基片低温键合并进行减薄和抛光，在铌酸锂表面通过溅射工艺和IBE刻蚀工艺制备电极，在硅基片背面进行深硅刻蚀工艺实现中心质量环与复合结构悬臂梁释放再通过紫外光固化胶粘剂将微球固定在器件中心，从而完成压电振动传感器件的制备。本发明制备的振动微球加速度传感器，与四悬臂梁的传感器相比有更高的输出且拓宽了频带宽度，与质量块结构的加速度传感器相比在谐振频率下有更高的输出电荷以及更高的灵敏度，能够满足中低频微振动环境下的测试要求。中低频微振动环境下的测试要求。中低频微振动环境下的测试要求。


技术研发人员：耿文平 丑修建 乔骁骏 李晓黄 李稼禾 汪子涵 杨凌霄 张慧毅 武晓慧 余楠鑫
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/8/13