一種簡支懸臂梁結構MEMS壓電矢量水聽器及制備方法與流程
本發明涉及傳感技術領域，尤其涉及一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器及其制備方法。
背景技術：
由于核潛艇的出現以及降噪技術的提高，對于水下目標的探測轉為測試螺旋槳的低頻噪聲。矢量水聽器能夠測量聲場中的矢量參數，如位移、速度、加速度等。相比于標量水聽器，它的抗各向同性噪聲能力得到了提高，可實現低頻、遠距離、多目標的識別。mems矢量水聽器相比于傳統矢量水聽器具有體積小、低功耗、制造成本低、易成陣的優點。目前的mems矢量水聽器有電阻式、電容式和壓電式。電阻式矢量水聽器雖然結構相對簡單，但靈敏度較低，并且由于焦耳熱的存在會有無法避免的熱噪聲。電容式矢量水聽器雖然靈敏度較高，但易受寄生電容的影響，并且結構復雜，易粘連。壓電式矢量水聽器的工作溫度性好、噪聲低、工藝相對簡單，并且不需要外界提供電源。但目前mems壓電矢量水聽器的靈敏度較低，不利于其的實用化。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種工藝簡單、靈敏度高、工作穩定、噪聲低且不需要微小氣隙簡支彈性梁結構mems壓電矢量水聽器及其制備方法。傳統的mems壓電矢量水聽器的傳感芯片采用懸臂梁、橋式結構等。為了提高傳感芯片的靈敏度，進而提高mems壓電矢量水聽器的靈敏度，我們提出一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器，其傳感芯片的核心部分由類簡支結構的壓電復合懸臂梁構成，從而提高了mems壓電矢量水聽器的靈敏度。
為實現上述目的，一方面，本發明提供了一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器，包括：多個壓電傳感芯片、對應的多個后置放大電路，以及灌封結構；其中，每個壓電傳感芯片粘貼并焊接在一個后置放大電路上，且分別沿灌封結構的x軸、y軸、z軸放置，并進內封。
優選地，每個壓電傳感芯片包括：質量塊、懸臂梁和“回”形基底支撐結構；其中質量塊與懸臂梁的一端相連；懸臂梁的另一端與“回”形基底支撐結構一側內壁相連；其中，懸臂梁和“回”形基底支撐結構相連的一側的上表面設置有溝槽；“回”形基底支撐結構的另外三側內壁與質量塊、懸臂梁均不接觸，使得“回”形基底支撐結構的另外三側內壁與質量塊與懸臂梁組成u形狹縫；
具體地、溝槽使懸臂梁由固支結構狀態變成類簡支結構狀態。
優選地，質量塊包括soi基底層；
懸臂梁包括復合層和壓電單元，其中，復合層包括絕緣氧化層、soi硅層和soi氧化層；
“回”形基底支撐結構包括復合層和soi基底層。
優選地、當有慣性力作用使“回”形基底支撐結構與質量塊相對運動，導致懸臂梁產生形變，使懸臂梁上的壓電單元產生電荷，實現加速度的電測得。
優選地，該mems壓電矢量水聽器的工作頻率范圍為10khz以下。
另一方面，本發明提供了一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器的制備方法，包括如下步驟：
制備多個如權利要求1的壓電傳感芯片(a)；將每個壓電傳感芯片(a)粘貼并焊接在一個后置放大電路(b)上，且分別沿灌封結構(c)的x軸、y軸、z軸放置，并進內封。
優選地，壓電傳感芯片通過以下步驟得到：
在基片上表面沉積絕緣氧化層下表面沉積氧化硅薄膜，基片自上至下包括soi硅層、soi氧化層和soi基底層；
在絕緣氧化層上表面，自下至上制備下電極、壓電層和上電極構成壓電單元，其中，下電極和上電極為鋁、金/鉻復合層或者鉑/鈦復合層，壓電層為氧化鋅壓電膜、氮化鋁薄膜、鈣鈦礦型壓電膜或有機壓電膜；
在氧化硅薄膜下表面沉積光刻膠復合膜；
對soi基底層釋放，得到第一u形孔和第二u形孔；
在第一u形孔和第二u形孔外表面沉積支撐層；
對第二u形孔對應區域的復合層進行刻蝕，形成u形狹縫，復合層包括絕緣氧化層、soi硅層和soi氧化層；對懸臂梁和“回”形基底支撐結構相連的一側的上表面進行刻蝕，形成溝槽；
腐蝕支撐層、光刻膠復合膜、氧化硅薄膜和soi氧化層并清洗。
優選地，第一u形孔和第二u形孔通過以下步驟得到：
在soi基底層下表面沉積光刻膠復合膜，氧化硅薄膜與光刻膠復合膜組成體刻蝕掩膜，對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化；
對soi基底層進行干法或濕法釋放，形成第一u形孔和第二u形孔結構，使得第一u形孔與壓電單元位置正對；第二u形孔與壓電單元位置正對，第一u形孔和第二u形孔所包圍的soi基底層為質量塊；
第一u形孔面積大于第二u形孔面積。
優選地，u形狹縫通過以下步驟得到：
得到第一u形孔和第二u形孔后，在基片背面鍍一層狹縫刻蝕的支撐層；在基片正面涂光刻膠，曝光形成圖形作為狹縫刻蝕的掩膜，利用高密度電感耦合等離子體icp刻蝕基片正面的復合層，形成u形狹縫，u形狹縫寬度為0.1～50μm；u形狹縫位置與第二u形孔位置正對；
u形狹縫開口方向為壓電單元所在位置，被u形狹縫包圍的復合層部分為懸臂梁。
優選地，溝槽通過以下步驟得到：
在基片正面涂光刻膠，曝光形成圖形作為狹縫刻蝕的掩膜，利用高密度電感耦合等離子體icp刻蝕基片正面的復合層，形成溝槽，溝槽深度為1～200μm；溝槽寬度為1～3000μm。
優選地，支撐層為鋁膜，厚度為0.1～5μm；在u形狹縫刻蝕完成后，在基片正面涂光刻膠，腐蝕基片背面剩余的支撐層、體刻蝕掩膜以及壓電單元正下方的部分soi氧化層。
優選地，壓電層為氧化鋅壓電膜、氮化鋁薄膜、鈣鈦礦型壓電膜或有機壓電膜；壓電層的厚度為0.01～60μm。
優選地，soi基底層厚度為100～500μm；soi氧化層厚度為0.05～5μm；soi硅層厚度為0.5～50μm；絕緣氧化層厚度為0.01～50μm。
優選地，下電極或上電極為鋁、金/鉻復合層或者鉑/鈦復合層，鋁厚度為0.01～1μm，鉻層或鈦層厚度為0.01～0.1μm，金層或鉑層厚度為0.05～0.5μm。
優選地，體刻蝕掩膜對于濕法刻蝕為氮化硅與金/鉻復合膜，對于干法刻蝕為氧化硅薄膜，氮化硅或者氧化硅薄膜厚度為0.01～10μm，金層厚度為0.05～0.5μm，鉻層厚度為0.01～0.1μm。
本發明的優點在于：本發明中采用壓電復合懸臂梁和質量塊結構以及相應的灌封結構來構成mems壓電矢量水聽器。相對于目前的其它mems壓電矢量水聽器，本發明提供的mems壓電矢量水聽器在彈性梁固支端進行刻蝕，形成類簡支的彈性梁結構，可明顯提高水聽器靈敏度。制備工藝相對簡單，不需要微小氣隙，具能夠提高現有mems壓電矢量水聽器的靈敏度，同時具備無源器件，工作穩定、噪聲低的優點。
附圖說明
為了更清楚說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的mems壓電矢量水聽器的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的mems壓電矢量水聽器的壓電傳感芯片的三維示意圖；
圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖；
圖4為沉積絕緣氧化層和氧化硅薄膜后的芯片剖面示意圖；
圖5為正面沉積下電極、壓電層和上電極后的芯片剖面示意圖；
圖6為背面體刻蝕掩膜圖形化后的芯片剖面示意圖；
圖7為體刻蝕后的芯片剖面示意圖(以濕法體刻蝕為例)；
圖8為沉積支撐層鋁膜后的芯片剖面示意圖；
圖9為u形狹縫刻蝕后的芯片剖面示意圖；
圖10為溝槽刻蝕后的芯片剖面示意圖；
圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例做進一步的解釋說明。
圖1為本發明實施例提供的mems壓電矢量水聽器的結構示意圖，如圖1所示，該壓電矢量水聽器包括：多個壓電傳感芯片a、對應的多個后置放大電路b，以及灌封結構c；其中，每個壓電傳感芯片a粘貼并焊接在一個后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置，并進內封。
圖2為本發明實施例提供的mems壓電矢量水聽器的壓電傳感芯片的三維示意圖，如圖2所示，每個壓電傳感芯片包括：質量塊3a、懸臂梁4a和“回”形基底支撐結構5a；其中質量塊3a與懸臂梁4a的一端相連；懸臂梁4a的另一端與“回”形基底支撐結構5a一側內壁相連；其中，懸臂梁4a和“回”形基底支撐結構5a相連的一側的上表面設置有溝槽1b；“回”形基底支撐結構5a的另外三側內壁與質量塊3a、懸臂梁4a均不接觸，使得“回”形基底支撐結構5a的另外三側內壁與質量塊3a與懸臂梁4a組成u形狹縫1a。其中，質量塊3a包括soi基底層3；懸臂梁4a包括復合層和壓電單元，其中，復合層包括絕緣氧化層4、soi硅層1和soi氧化層2；壓電單元包括下電極6、壓電層7和上電極8；“回”形基底支撐結構包括復合層和soi基底層3。壓電單元對應的懸臂梁下方為第一u形孔10。其中，當有慣性力作用，使“回”形基底支撐結構5a與質量塊3a相對運動，導致懸臂梁4a產生形變，使懸臂梁4a上的壓電單元產生電荷，實現加速度的電測得。
該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。而且，該傳感芯片在500hz以下，還可以保持較高的靈敏度，可以很好的應用。
以下結合實施例1-10以及說明書附圖，具體介紹該mems壓電矢量水聽器的制備方法。
實施例1
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi硅片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為100μm；soi氧化層的厚度為3.5μm；soi硅層的厚度為50μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積10μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積鉑厚度為0.5μm，鈦厚度為0.1μm的鉑/鈦復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的有機膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕有機膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使有機膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積鉑厚度為0.5μm，鈦厚度為0.1μm的鉑/鈦復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積10μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為5μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為45μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例2
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為400μm；soi氧化層的厚度為0.1μm；soi硅層的厚度為0.5μm
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積0.1μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積0.1μm厚度的鋁膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕鋁膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使鋁膜圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在所述下電極6的上表面制備0.01μm厚的摻釩氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、10:1的磷酸：水腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積0.1μm厚的鋁，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積0.1μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為0.1μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12的材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為0.1μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例3
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為芯片的基片soi硅片剖視圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為300μm；soi氧化層的厚度為0.5μm；soi硅層的厚度為5μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積1μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積5μm厚度的鋁膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕鋁膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使鋁膜圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在所述下電極6的上表面制備0.1μm厚的摻釩氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、10:1的磷酸：水腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積0.5μm厚的鋁，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積2μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為1μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為5μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例4
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為200μm；soi氧化層的厚度為1μm；soi硅層的厚度為15μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積2μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積1μm厚度的鋁膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕鋁膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使鋁膜圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在所述下電極6的上表面制備5μm厚的摻釩氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、10:1的磷酸：水腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積1μm厚的鋁，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積3μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為2μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為10μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例5
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為100μm；soi氧化層的厚度為3μm；soi硅層的厚度為20μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積3μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積金厚度為0.05μm，鉻厚度為0.01μm的金/鉻復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備10μm厚的摻釩氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、10:1的磷酸：水腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積金厚度為0.05μm，鉻厚度為0.01μm的金/鉻復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積4μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為2.5μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為15μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例6
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為500μm；soi氧化層的厚度為5μm；soi硅層的厚度為25μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積4μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積金厚度為0.1μm，鉻厚度為0.05μm的金/鉻復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的摻釩氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、10:1的磷酸：水腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積金厚度為0.1μm，鉻厚度為0.05μm的金/鉻復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積5μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為3μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為20μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例7
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為400μm；soi氧化層的厚度為2μm；soi硅層的厚度為30μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積6μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積金厚度為0.5μm，鉻厚度為0.1μm的金/鉻復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的氮化鋁薄膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、氮化鋁腐蝕液腐蝕氮化鋁薄膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使氮化鋁薄膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積金厚度為0.5μm，鉻厚度為0.1μm的金/鉻復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積6μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為3.5μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為25μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例8
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為300μm；soi氧化層的厚度為4μm；soi硅層的厚度為35μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積7μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積鉑厚度為0.05μm，鈦厚度為0.01μm的鉑/鈦復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的氧化鋅膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積鉑厚度為0.05μm，鈦厚度為0.01μm的鉑/鈦復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積7μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；
再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為4μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12的材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為35μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例9
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為200μm；soi氧化層的厚度為2.5μm；soi硅層的厚度為40μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積8μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積鉑厚度為0.1μm，鈦厚度為0.05μm的鉑/鈦復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的鈣鈦礦膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕摻釩氧化鋅膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使摻釩氧化鋅膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積鉑厚度為0.1μm，鈦厚度為0.05μm的鉑/鈦復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積8μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；
其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為4.5μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12的材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為40μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
實施例10
1)清洗基片soi硅片；
分別利用酸性清洗液和堿性清洗液對soi硅片進行煮沸清洗，然后用去離子水進行去離子清洗，最后將soi硅片用氮氣吹干。圖3為壓電傳感芯片的soi基片剖面圖，如圖3所示，soi硅片包括：soi基底層3、soi氧化層2、soi硅層1；soi基底層的厚度為100μm；soi氧化層的厚度為3.5μm；soi硅層的厚度為50μm。
2)沉積絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5
在soi硅層1的上表面和soi基底層3的下表面利用熱氧化爐分別沉積10μm厚的絕緣氧化層4和氧化硅薄膜5，如圖4所示。
3)制備下電極6
利用真空蒸鍍方法在所述絕緣氧化層4的上表面沉積鉑厚度為0.5μm，鈦厚度為0.1μm的鉑/鈦復合層，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕復合層、丙酮去除光刻膠等工藝，使復合層圖形化，形成下電極6。
4)制備壓電層7
在下電極6的上表面制備30μm厚的有機膜，并依次進行涂覆光刻膠、曝光、顯影、腐蝕液腐蝕有機膜、丙酮去除光刻膠等工藝，使有機膜圖形化，形成壓電層7。
5)采用剝離工藝制備上電極8
在硅基片正面涂覆光刻膠，進行曝光、顯影后，在光刻膠上形成上電極的反圖形，利用真空蒸鍍設備沉積鉑厚度為0.5μm，鈦厚度為0.1μm的鉑/鈦復合層，最后用丙酮去除光刻膠，得到圖形化的上電極8。
其中，正面沉積下電極6、壓電層7和上電極8后的芯片剖面示意圖如圖5所示。
6)soi基底層3的釋放
對氧化硅薄膜5的下表面沉積10μm厚的光刻膠復合膜9，氧化硅薄膜5和光刻膠復合膜9組成了體刻蝕掩膜；對體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化，如圖6所示；再進一步，對soi基底層由外向內進行干法刻蝕，形成第一u形孔10和第二u形孔11；
其中，第一u形孔10的面積大于第二u形孔11的面積，第一u形孔10正對著壓電單元，同時在第一u形孔10的和第二u形孔11之間形成質量塊3a，如圖7所示。
7)沉積支撐層12
利用電子束蒸發方法在第一u形孔10和第二u形孔11的外表面上鍍有厚度為5μm的狹縫刻蝕的支撐層12，支撐層12的材質為鋁，如圖8所示。
8)u形狹縫1a的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對復合層正對第二u形孔11的部分進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成寬度為45μm的u形狹縫1a，如圖9所示。
9)溝槽1b的刻蝕
在基片soi硅片的上表面涂覆光刻膠并圖形化，對基底支撐結構與懸臂梁相連的一端的進行高密度電感耦合等離子體icp刻蝕，形成深度1μm～200μm，寬度1μm～3000μm的溝槽1b，如圖10所示。
在硅片正面涂正性光刻膠，腐蝕背面支撐層鋁膜12、氧化硅薄膜5、soi氧化層2以及光刻膠復合膜9，如圖11所示，把硅片清洗烘干，完成傳感器芯片的制備。該傳感芯片的工作頻率范圍為10khz以下。
10)mems矢量水聽器的封裝
把傳感器芯片劃片后，形成單個壓電傳感芯片a。圖11為制備完成后壓電傳感器芯片的示意圖。使用環氧樹脂以及電焊接將1-3個壓電傳感芯片a分別對應粘貼并焊接在相應的后置放大電路b上，且分別沿灌封結構c的x軸、y軸、z軸放置在由聚氨酯灌注而成的灌封結構c中，完成mems矢量水聽器的制備。本實施例提供的mems矢量水聽器結構如圖1所示。
需要說明的是，本發明實施例所用的壓電層材料氧化鋅壓電膜、氮化鋁薄膜、鈣鈦礦型壓電膜或有機壓電膜在各實施例中，是可以互換的。
本發明實施例提供的一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器，首先，在soi基片正面形成硅層和熱氧層所構成的復合振動膜，然后在復合振動膜之上先后淀積金屬下電極、壓電層以及上電極；在基片的反面沉積氮化硅和au/cr復合金屬膜來構成濕法體硅刻蝕的掩膜(對于干法體刻蝕，掩膜為氧化硅)；對硅基片背面的體刻蝕掩膜層光刻、刻蝕，形成體刻蝕所需的掩膜圖形；體刻蝕，釋放出復合振動膜，并在硅基片的背面沉積鋁膜，作為正面狹縫刻蝕時，對振動膜的支撐層；通過干法刻蝕技術在復合振動膜的上刻蝕出u形狹縫，使方形振動膜變成懸臂梁振動膜；并在懸臂梁的根部刻蝕溝槽，使懸臂梁由固支狀態變成類簡支狀態，腐蝕背面的鋁膜支撐層，完成傳感芯片的制備。
將制備好的壓電傳感芯片粘接到后置放大電路板上，并完成相應電連接，把以上焊接好的1-3個壓電傳感芯片和后置放大電路相互垂直放置在灌封材料灌注的殼體中，完成mems壓電矢量水聽器的封裝。采用本發明實施例的方法制備的mems壓電矢量水聽器結構，相對于mems壓阻式可以明顯提高靈敏度，并且制備工藝相對簡單，同時，不需要mems電容式矢量水聽器中的微小氣隙，工作時不需要偏置電壓，且是一種無源器件，因而噪聲很低。由于采用類簡支壓電復合懸臂梁結構，所以相對于普通mems壓電矢量水聽器，其靈敏度將有大的提高。
本發明實施例提供的壓電傳感器芯片是由質量塊和由壓電層和硅基底層形成的復合彈性懸臂梁構成。在mems矢量水聽器中，當有慣性力作用時，壓電懸臂梁產生形變，使其壓電薄膜表面產生電荷，經放大電路放大后，獲取電壓信號，可以實現對水中矢量信息的電氣測量。
以上的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器，包括：多個壓電傳感芯片(a)、對應的多個后置放大電路(b)，以及灌封結構(c)；其中，每個壓電傳感芯片(a)粘貼并焊接在一個后置放大電路(b)上，且分別沿所述灌封結構(c)的x軸、y軸、z軸放置，并進內封；其特征在于，
所述每個壓電傳感芯片(a)包括：質量塊(3a)、懸臂梁(4a)和“回”形基底支撐結構(5a)；其中所述質量塊(3a)與所述懸臂梁(4a)的一端相連；所述懸臂梁(4a)的另一端與所述“回”形基底支撐結構(5a)一側內壁相連；其中，懸臂梁(4a)和“回”形基底支撐結構(5a)相連的一側的上表面設置有溝槽(1b)；所述“回”形基底支撐結構(5a)的另外三側內壁與所述質量塊(3a)、所述懸臂梁(4a)均不接觸，使得所述“回”形基底支撐結構(5a)的另外三側內壁與所述質量塊(3a)與所述懸臂梁(4a)組成u形狹縫(1a)。
2.根據權利要求1所述的mems壓電矢量水聽器，其特征在于，
所述質量塊(3a)包括soi基底層；
所述懸臂梁(4a)包括復合層和壓電單元，其中，所述復合層包括絕緣氧化層(4)、soi硅層(1)和soi氧化層(2)；
所述“回”形基底支撐結構(5a)包括復合層和soi基底層(3)。
3.根據權利要求1所述的mems壓電矢量水聽器，其特征在于，所述mems壓電矢量水聽器的工作頻率范圍為10khz以下。
4.根據權利要求1所述的mems壓電矢量水聽器，其特征在于，所述溝槽(1b)使懸臂梁(4a)由固支結構狀態變成類簡支結構狀態。
5.一種簡支懸臂梁結構mems壓電矢量水聽器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
制備多個如權利要求1所述的壓電傳感芯片(a)；將每個壓電傳感芯片
(a)粘貼并焊接在一個后置放大電路(b)上，且分別沿灌封結構(c)的x軸、y軸、z軸放置，并進內封。
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述壓電傳感芯片(a)通過以下步驟得到：
在基片上表面沉積絕緣氧化層(4)下表面沉積氧化硅薄膜(5)，所述基片自上至下包括soi硅層(1)、soi氧化層(2)和soi基底層(3)；
在所述絕緣氧化層(4)上表面，自下至上制備下電極(6)、壓電層(7)和上電極(8)構成壓電單元，其中，所述下電極(6)和上電極(8)為鋁、金/鉻復合層或者鉑/鈦復合層，所述壓電層(7)為氧化鋅壓電膜、氮化鋁薄膜、鈣鈦礦型壓電膜或有機壓電膜；
在所述氧化硅薄膜(5)下表面沉積光刻膠復合膜(9)；
對所述soi基底層(3)釋放，得到第一u形孔(10)和第二u形孔(11)；
在第一u形孔(10)和第二u形孔(11)外表面沉積支撐層(12)；
對第二u形孔(11)對應區域的復合層進行刻蝕，形成u形狹縫(1a)，所述復合層包括絕緣氧化層(4)、soi硅層(1)和soi氧化層(2)；
對懸臂梁(4a)和“回”形基底支撐結構(5a)相連的一側的上表面進行刻蝕，形成溝槽(1b)；
腐蝕支撐層(12)、光刻膠復合膜(9)、氧化硅薄膜(5)和soi氧化層(2)并清洗。
7.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述第一u形孔(10)和第二u形孔(11)通過以下步驟得到：
在所述soi基底層(3)下表面沉積光刻膠復合膜(9)，所述氧化硅薄膜(5)與所述光刻膠復合膜(9)組成體刻蝕掩膜，對所述體刻蝕掩膜進行雙面曝光圖形化；
對所述soi基底層(3)進行干法或濕法釋放，形成第一u形孔(10)和第二u形孔(11)結構，使得所述第一u形孔(10)與壓電單元位置正對；第二u形孔(11)與壓電單元位置正對，所述第一u形孔(10)和第二u形孔(11)所包圍的soi基底層(3)為質量塊(3a)；
所述第一u形孔(10)面積大于第二u形孔(11)面積。
8.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述溝槽(1b)通過以下步驟得到：
在所述基片正面涂光刻膠，曝光形成圖形作為狹縫刻蝕的掩膜，利用高密度電感耦合等離子體icp刻蝕所述基片正面的復合層，形成溝槽(1b)，所述溝槽(1b)深度為1～200μm；所述溝槽(1b)寬度為1～3000μm。
9.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述u形狹縫(1a)通過以下步驟得到：
得到所述第一u形孔(10)和第二u形孔(11)后，在所述基片背面鍍一層狹縫刻蝕的支撐層(12)；在所述基片正面涂光刻膠，曝光形成圖形作為狹縫刻蝕的掩膜，利用高密度電感耦合等離子體icp刻蝕所述基片正面的復合層，形成u形狹縫(1a)，所述u形狹縫(1a)寬度為0.1～50μm；所述u形狹縫(1a)位置與所述第二u形孔(11)位置正對；
所述u形狹縫(1a)開口方向為所述壓電單元所在位置，被所述u形狹縫(1a)包圍的復合層部分為懸臂梁(4a)。
10.根據權利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述支撐層(12)為鋁膜，厚度為0.1～5μm；
在所述u形狹縫(1a)刻蝕完成后，在所述基片正面涂光刻膠，腐蝕所述基片背面剩余的支撐層(12)、體刻蝕掩膜以及壓電單元正下方的部分soi氧化層(2)。
技術總結
本發明涉及一種MEMS壓電矢量水聽器及其制備方法，矢量水聽器包括：多個壓電傳感芯片、對應的多個后置放大電路，以及灌封結構。壓電傳感芯片包括：質量塊、懸臂梁和“回”形基底支撐結構；質量塊與懸臂梁的一端相連；懸臂梁的另一端與“回”形基底支撐結構一側內壁相連并設置有溝槽；“回”形基底支撐結構的另外三側內壁與質量塊、懸臂梁均不接觸，形成U形狹縫；當有慣性力作用時，進行加速度電測得。本發明由于設置有溝槽結構，所以使原來的懸臂梁結構變成類簡支結構，所以會明顯提高水聽器的靈敏度。壓電復合簡支彈性梁和質量塊結構以及相應的灌封結構來構成MEMS壓電矢量水聽器，制備工藝相對簡單，不需要微小氣隙、靈敏度高、工作穩定、噪聲低。
