一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，所述MEMS压电矢量水听器的工作频率范围为10KHz以下；其包括：若干压电传感芯片(a)、对应的若干后置放大电路(b)、灌封结构(c)；每个所述后置放大电路(b)上固定所述压电传感芯片(a)，并内封在所述封装结构(c)，且分别沿坐标系X轴、Y轴、Z轴放置；采用具有U形槽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，通过U形槽，使压电复合悬臂梁被分割为独立的若干压电单元，并且对所述若干压电单元进行电极串联，通过具有U形槽的压电复合悬臂梁和电极串联结构，明显提高了MEMS压电矢量水听器的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器及其制备方法。

背景技术

作为声呐系统的重要部件之一，矢量水听器广泛应用于水下声压信号的精确定位和测量。MEMS矢量水听器相对于传统矢量水听器具有体积小，低功耗、制造成本低、易成阵的优点。目前，矢量水听器根据其敏感转换元件的不同可主要分为以下几种：第一种矢量水听器的敏感转换元件采用共振隧穿二极管RTD；例如，中国专利号为ZL200610012991.0所公开的《一种共振隧穿仿生矢量水声传感器》。此种矢量水听器具有频响效果好、灵敏度高的优点，但其在工作过程中受温度及环境噪音影响很大，因而其存在抗干扰能力差的问题。第二种矢量水听器的敏感转换元件采用压敏电阻；例如，中国专利号为ZL200810079372.2所公开的《一种微纳仿生矢量水声传感器的封装结构》。此种矢量水听器具有体积小、成本低、工艺简单的优点，但其存在工作时需要外加电压、噪音大、换能器材料换能器效率差等问题。另外一种MEMS压电矢量水听器具有无源、工作稳定性好、噪声低、工艺相对简单等优点。但目前的MEMS压电矢量水听器灵敏度较低，严重阻碍了其实用化的道路。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的MEMS矢量水听器存在上述的问题，本发明提供了一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，所述MEMS压电矢量水听器采用具有U形槽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，通过U形槽，使压电复合悬臂梁被分割为独立的若干压电单元，并且在所述若干压电单元进行电极串联，通过具有U形槽的压电复合悬臂梁和电极串联结构，明显提高了MEMS压电矢量水听器的灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，所述MEMS压电矢量水听器的工作频率范围为10KHz以下；其包括：若干压电传感芯片、对应的若干后置放大电路、灌封结构；每个所述后置放大电路上固定所述压电传感芯片，形成一个“回”字形结构，并内封在所述封装结构，且分别沿坐标系X轴、Y轴、Z轴放置。

所述压电传感芯片包括：质量块、压电复合悬臂梁、“口”字形支撑结构；所述压电复合悬臂梁的一端与所述质量块相连，其另一端与所述“口”字形支撑结构一侧的内壁相连，且所述质量块位于所述“口”字形支撑结构内，且与所述“口”字形结构相对且平行放置；所述“口”字形支撑结构的另外三侧的内壁与所述压电复合悬臂梁、所述质量块均不相连，形成一个U形狭缝；其中，所述“口”字形结构包括：一部分复合层和一部分SOI基底层；所述复合层位于所述SOI基底层之上；所述复合层位于所述SOI基底层和所述质量块的上方，且二者与所述压电复合悬臂梁组成横截面为U形的结构。当有惯性力作用，所述压电复合悬臂梁产生形变，使压电单元产生电荷。

所述复合层包括：绝缘氧化层、SOI硅层、SOI氧化层；所述SOI硅层位于所述SOI氧化层的上方，所述绝缘氧化层位于所述SOI硅层的上方，所述SOI硅层位于所述绝缘氧化层和所述SOI氧化层之间。所述质量块与所述支撑结构之间设有U形狭缝，被U形狭缝所包围的部分所述复合层为所述压电复合悬臂梁的一部分。

所述压电复合悬臂梁包括：若干压电复合弹性梁；所述压电复合弹性梁之间刻蚀有U形槽，且并排放置；所述压电复合弹性梁进一步包括：压电单元、绝缘氧化层、SOI硅层；所述压电单元位于所述绝缘氧化层的上方，所述绝缘氧化层位于所述SOI硅层的上方。

所述压电单元进一步包括：下电极、压电层、上电极；所述上电极位于所述压电层的上方，所述压电层位于所述下电极的上方，且所述压电层位于所述下电极和所述上电极之间；将所述压电单元的下电极与相邻的所述压电单元的上电极通过电极连接实现电学上的串联。

所述压电传感芯片中，所述SOI基底层、所述质量块、所述U形结构的外部支撑结构上部均包含复合层，且所述复合层与所述压电复合弹性梁相连接；

所述U形狭缝位于所述质量块与所述支撑结构之间，且其开口方向与所述压电单元垂直；整个所述压电复合悬臂梁被分割为2-11个独立的所述压电复合弹性梁，所述压电复合弹性梁之间刻有1-10个U形槽。

基于上述的所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，本发明还提供了一种所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的制备方法，具体包括如下：

步骤1)清洗基片SOI硅片；

步骤2)制备压电传感芯片；

步骤3)将压电传感芯片固定在后置放大电路上；

步骤4)将带有压电传感芯片的后置放大电路彼此相互垂直内嵌在灌封结构的内壁上，所述后置放大电路分别固定在沿X轴、Y轴、Z轴方向的三个面上；

步骤5)完成步骤4)后，进行封装，完成所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的制备。

所述步骤1)的具体操作如下：

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干；

其中，所述SOI硅片包括：SOI基底层、SOI氧化层、SOI硅层；所述SOI氧化层位于所述SOI基底层的上方，所述SOI硅层位于所述SOI氧化层的上方。

步骤2)中的具体操作如下：

步骤2-1)利用热氧化炉分别在所述SOI硅片的SOI硅层的上表面和SOI基底层的下表面上沉积、氧化形成对应的厚度为0.1～10μm的绝缘氧化层和厚度为0.1～10μm的氧化硅薄膜；

步骤2-2)在所述绝缘氧化层上制备压电单元，所述压电单元之间刻蚀有U形槽，所述压电单元之间相互平行，且并排放置；其中，所述压电单元包括：下电极、压电层、上电极；所述U形槽宽度为50～200μm；其中，所述下电极、所述压电层和所述上电极被图形化成1-10个部分，构成1-10个独立的压电单元，每个所述压电单元之间被刻蚀开，形成U形槽；

步骤2-3)对所述氧化硅薄膜的下表面沉积体刻蚀掩膜光刻胶，分别形成光刻胶复合膜；其中，所述氧化硅薄膜和所述光刻胶复合膜组成了体刻蚀掩膜；对所述体刻蚀掩膜由外向内进行干法刻蚀；

步骤2-4)再进一步对SOI基底层由外向内进行干法释放，形成第一U形孔结构和第二U形孔结构；对所述体刻蚀掩膜双面曝光图形化，使得所述第一U形孔结构和所述压电单元的位置正对；其中，被所述第一U形孔结构和所述第二U形孔结构包围的部分SOI基底层为质量块；其中，所述第一U形孔的面积大于所述第二U形孔的面积；

步骤2-5)利用电子束蒸发设备在所述第一U形孔结构和所述第二U形孔结构的外表面上镀有厚度为0.1～5μm的狭缝刻蚀的支撑层铝膜，

步骤2-6)在所述基片SOI硅片的正面涂光刻胶，曝光形成图形作为U形狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀与所述第二U形孔相对的复合层，形成U形狭缝；所述U形狭缝的宽度为0.1～50μm,其中，所述U形狭缝位置与所述第二U形孔结构的位置正对；利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀与所述第一U形孔相对的部分复合层，形成U形槽；所述U形槽的宽度为50～200μm；

步骤2-7)在所述U形狭缝和U形槽刻蚀完成后，在所述基片SOI硅片的正面涂光刻胶，腐蚀剩余的所述支撑层铝膜和所述体刻蚀掩膜；

步骤2-8)清洗并烘干硅片，完成所述压电传感芯片的制备。

所述步骤2-2)中具体包括：

步骤2-2-1)制备下电极，具体过程如下：

在所述绝缘氧化层的上表面，利用真空蒸镀设备，制备所述下电极，并图形化，所述下电极被图形化成若干个部分，所述下电极为利用真空蒸镀设备制备的0.01μm-1μm厚度的铝电极；

步骤2-2-2)制备压电层，具体过程如下：

在所述下电极的上表面上制备0.01～60μm氧化锌的所述压电层，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，所述压电层被图形化成与所述下电极对应的若干个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层的制备；

步骤2-2-3)制备上电极，具体过程如下：

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0.01-1μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极的制备。上电极被图形化成与所述压电层对应的若干个部分。

步骤2-2-4)所述下电极、所述压电层和所述上电极构成若干个独立的压电单元，所述压电单元之间被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联。

优选地，所述步骤2-2-2)中，所述压电层为氧化锌压电层、氮化铝薄膜、锆钛酸铅压电层、钙钛矿型压电层或有机压电层；压电层的厚度为0.01～60μm。

优选地，所述SOI基底层的厚度为100～500μm；所述SOI氧化层的厚度为0.05～5μm；所述SOI硅层的厚度为0.5～50μm；所述绝缘氧化层的厚度为0.1～10μm。

优选地，所述下电极为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，铝厚度为0.01～1μm，铬层或钛层厚度为0.01～0.1μm，金层或铂层厚度为0.05～0.5μm。

优选地，所述上电极为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，铝厚度为0.01～1μm，铬层或钛层厚度为0.01～0.1μm，金层或铂层厚度为0.05～0.5μm。

优选地，所述体刻蚀掩膜包括氧化硅薄膜和光刻胶复合膜，所述氧化硅薄膜厚度为0.1～10μm，所述光刻胶复合膜的厚度为0.1～10μm。

本发明的优点在于：

1)本发明中的这种结构的矢量水听器，通过U形槽使压电复合悬臂梁被分割为独立的2-11个单元，并且这2-11个压电单元在电学上进行了串联。相对于目前的MEMS压电矢量水听器，灵敏度可以得到明显提高，同时制备工艺简单。

2)以具有2个U形槽悬臂梁结构的MEMS矢量水听器为例，通过模拟计算其被分割后的每个压电单元的灵敏度是原来的压电单元的1.5倍，再通过三个压电单元的串联，可使整个MEMS矢量水听器的灵敏度提高13dB(对应于灵敏度的4.5倍)。

附图说明

图1是本发明的一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的结构示意图；

图2是本发明的一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的传感芯片的SOI硅片的剖面图；

图3是在图2的上表面和下表面分别沉积绝缘氧化层和氧化硅薄膜的剖面图；

图4是在图3的基础上制备压电单元的剖面图；

图5是在图4的基础上干法刻蚀体刻蚀掩膜图形化后的剖面图；

图6是在图5的基础上进一步干法释放SOI基底层的剖视图；

图7是在图6中的第一U形孔和第二U形孔的外表面上镀有支撑层铝膜的剖视图；

图8是在图7的基础上形成U形狭缝的剖视图；

图9是本发明的一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的传感芯片的结构示意图。

附图标识：

1、SOI硅层 2、SOI氧化层

3、SOI基底层 4、绝缘氧化层

5、氧化硅薄膜6、下电极

7、压电层8、上电极

9、光刻胶复合膜10、第一U形孔

11、第二U形孔12、支撑层铝膜

a、压电传感芯片b、后置放大电路

c、灌封结构1a、U形狭缝

b1、U形槽3a、质量块

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，所述MEMS压电矢量水听器的工作频率范围为10KHz以下；其包括：3个压电传感芯片a、对应的3个后置放大电路b、灌封结构c；每个所述后置放大电路b上固定所述压电传感芯片a，形成一个“回”字形结构；并内封在所述封装结构c，且分别沿坐标系X轴、Y轴、Z轴放置。

如图8和9所示，所述压电传感芯片a包括：质量块3a、压电复合悬臂梁、“口”字形支撑结构；所述压电复合悬臂梁的右端与所述质量块3a相连，其左端与所述“口”字形支撑结构一侧的内壁相连，且所述质量块3a位于所述“口”字形支撑结构内，且与所述“口”字形结构相对且平行放置；所述“口”字形支撑结构的另外三侧的内壁与所述压电复合悬臂梁、所述质量块3a均不相连，形成一个U形狭缝1a；其中，所述“口”字形结构包括：一部分复合层和一部分SOI基底层3；所述复合层位于所述SOI基底层3之上；所述复合层位于所述SOI基底层3和所述质量块3a的上方，且二者与所述压电复合悬臂梁组成横截面为U形的结构。当有惯性力作用，所述压电复合悬臂梁产生形变，使压电单元产生电荷。

如图9所示，通过下电极6和上电极8的引脚相互串联的方式，所述压电复合悬臂梁的右端与所述质量块3a相连，其左端与所述“口”字形支撑结构一侧的内壁相连。

如图3所示，所述复合层包括：绝缘氧化层4、SOI硅层1、SOI氧化层2；所述SOI硅层1位于所述SOI氧化层2的上方，所述绝缘氧化层4位于所述SOI硅层1的上方，所述SOI硅层1位于所述绝缘氧化层4和所述SOI氧化层2之间。所述质量块3a与所述支撑结构之间设有U形狭缝1a，被U形狭缝1a所包围的部分所述复合层为所述压电复合悬臂梁的一部分。

如图9所示，所述压电复合悬臂梁包括：3个压电复合弹性梁；所述压电复合弹性梁之间刻蚀有U形槽b1，且并排放置；如图8所示，所述压电复合弹性梁进一步包括：压电单元、绝缘氧化层4、SOI硅层1；所述压电单元位于所述绝缘氧化层4的上方，所述绝缘氧化层4位于所述SOI硅层1的上方；所述绝缘氧化层和所述SOI硅层的横向长度可以均大于所述压电单元的横向长度。在其他具体实施例中，所述绝缘氧化层和所述SOI硅层的横向长度也可以均小于或等于所述压电单元的横向长度。

如图8所示，所述压电单元进一步包括：下电极6、压电层7、上电极8；所述上电极8位于所述压电层7的上方，所述压电层7位于所述下电极6的上方，且所述压电层7位于所述下电极6和所述上电极8之间；如图9所示，将所述压电单元的下电极6与相邻的所述压电单元的上电极8通过电极连接实现电学上的串联。

如图7所示，所述压电传感芯片a中，所述SOI基底层3、所述质量块3a、所述支撑结构上面都有复合层，且所述复合层与所述压电复合弹性梁相连接。为了在U形槽和U形狭缝刻蚀过程中起到支撑压电复合悬臂梁的作用，如图7中在所述SOI基底层3、所述质量块3a、所述SOI氧化层2的外表面均沉积支撑层铝膜12。

如图8所示，所述U形狭缝1a位于所述质量块3a与位于右侧的所述支撑结构之间，且其开口方向与所述压电单元垂直；整个所述压电复合悬臂梁被分割为2-11个独立的所述压电复合弹性梁，所述压电复合弹性梁之间刻有1-10个U形槽b1。

基于上述的所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器，本发明还提供了一种所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的制备方法，具体包括如下：

步骤1)清洗基片SOI硅片；

步骤2)制备压电传感芯片a；

步骤3)将压电传感芯片a固定在后置放大电路b上；

步骤4)将带有压电传感芯片a的后置放大电路b彼此相互垂直内嵌在灌封结构c的内壁上，所述后置放大电路b分别固定在沿X轴、Y轴、Z轴方向的三个面上；

步骤5)完成步骤4)后，进行封装，完成所述U形槽悬臂梁结构的MEMS压电矢量水听器的制备。

所述步骤1)的具体操作如下：

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干；

其中，如图2所示，所述SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2、SOI硅层1；所述SOI氧化层2位于所述SOI基底层3的上方，所述SOI硅层1位于所述SOI氧化层2的上方；其中，所示SOI基底层的厚度为300μm，所述SOI氧化层的厚度为0.5μm，所述SOI硅层的厚度为1μm。

步骤2)中的具体操作如下：

步骤2-1)如图3所示，利用热氧化炉分别在所述SOI硅片的SOI硅层2的上表面和SOI基底层3的下表面上沉积、氧化形成对应的厚度为10μm的绝缘氧化层4和厚度为10μm的氧化硅薄膜5；

步骤2-2)如图4所示，在所述绝缘氧化层4上制备压电单元，所述压电单元之间刻蚀有U形槽b1，所述压电单元之间相互平行，且并排放置；其中，所述压电单元包括：下电极6、压电层7、上电极8；所述U形槽b1的宽度为100μm；其中，如图9所示，所述下电极6、所述压电层7和所述上电极8被图形化成3个部分，构成3个独立的压电单元，每个所述压电单元之间被刻蚀开，形成U形槽b1；

步骤2-3)如图5所示，对所述氧化硅薄膜5的下表面沉积体刻蚀掩膜光刻胶，分别形成光刻胶复合膜9；其中，所述氧化硅薄膜5和所述光刻胶复合膜9组成了体刻蚀掩膜；对所述体刻蚀掩膜由外向内进行干法刻蚀；

步骤2-4)如图5和6所示，再进一步对SOI基底层3由外向内进行干法释放，形成第一U形孔10的结构和第二U形孔11的结构；对所述体刻蚀掩膜双面曝光图形化，使得所述第一U形孔10的结构和所述压电单元的位置正对；其中，被所述第一U形孔10的结构和所述第二U形孔11的结构包围的部分SOI基底层3为质量块3a；其中，所述第一U形孔10的面积大于所述第二U形孔10的面积。其中，第一U形孔10和第二U形孔11组成了回形孔。

步骤2-5)如图7所示，利用电子束蒸发设备在所述第一U形孔10的结构和所述第二U形孔11的结构的外表面上镀有厚度为0.1～5μm的狭缝刻蚀的支撑层铝膜12，

步骤2-6)在所述基片SOI硅片的正面涂光刻胶，曝光形成图形作为U形狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，如图8所示，利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀与所述第二U形孔11相对的复合层，形成U形狭缝1a；所述U形狭缝1a的宽度为15μm,其中，所述U形狭缝1a的位置与所述第二U形孔11的结构的位置正对；利用高密度电感耦合等离子体ICP刻蚀与所述第一U形孔10相对的部分复合层，形成U形槽b1；所述U形槽b1的宽度为50～200μm；

步骤2-7)如图8所示，在所述U形狭缝和U形槽刻蚀完成后，在所述基片SOI硅片的正面涂光刻胶，腐蚀剩余的所述支撑层铝膜和所述体刻蚀掩膜；

步骤2-8)清洗并烘干硅片，完成所述压电传感芯片的制备。

所述步骤2-2)中具体包括：

步骤2-2-1)如图4所示，制备下电极6，具体过程如下：

在所述绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备，制备所述下电极6，并图形化，所述下电极6被图形化成若干个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的0.01μm厚度的铝电极；

步骤2-2-2)如图4所示，制备压电层7，具体过程如下：

在所述下电极6的上表面上制备45μm氧化锌的所述压电层7，在压电层7的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层7，所述压电层7被图形化成与所述下电极对应的若干个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7的制备；

步骤2-2-3)如图4所示，制备上电极8，具体过程如下：

在硅基片正面上涂光刻胶，光刻曝光，形成上电极8反图形，再用真空蒸镀设备沉积厚度为0.5μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成与所述压电层7对应的若干个部分。

步骤2-2-4)所述下电极6、所述压电层7和所述上电极8构成若干个独立的压电单元，所述压电单元之间被刻蚀开，形成U形槽b1；并且独立的压电单元在电学上被串联。

优选地，所述步骤2-2-2)中，所述压电层7为氧化锌压电层、氮化铝薄膜、锆钛酸铅压电层、钙钛矿型压电层或有机压电层；压电层的厚度为0.01～60μm。

优选地，所述SOI基底层3的厚度为100～500μm；所述SOI氧化层2的厚度为0.05～5μm；所述SOI硅层1的厚度为0.5～50μm；所述绝缘氧化层4的厚度为0.1～10μm。

优选地，所述下电极6为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，铝厚度为0.01～1μm，铬层或钛层厚度为0.01～0.1μm，金层或铂层厚度为0.05～0.5μm。

优选地，所述上电极8为铝、金/铬复合层或者铂/钛复合层，铝厚度为0.01～1μm，铬层或钛层厚度为0.01～0.1μm，金层或铂层厚度为0.05～0.5μm。

优选地，所述体刻蚀掩膜包括氧化硅薄膜5和光刻胶复合膜9，所述氧化硅薄膜厚度5为0.1～10μm，所述光刻胶复合膜9的厚度为0.1～10μm。

以下结合实施例1-10以及说明书附图1-9，具体介绍该MEMS压电矢量水听器的制备方法。

实施例1

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。图2为芯片的基片SOI硅片剖面图，如图2所示，SOI硅片包括：SOI基底层3、SOI氧化层2和SOI硅层1。SOI基底层3厚度为500μm，SOI氧化层2厚度为0.05μm，SOI硅层1厚度为10μm。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为5μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成2个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的0.01μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在下电极6的上表面上制备60μm氧化锌为压电层7，即压电膜；在压电层7的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成2个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.01μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成2个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成2个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽b1；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂5μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。

需要说明的是，对SOI基底层3的释放是为了形成SOI基底层3的第一U形孔10和第二U形孔11，第一U形孔10和第二U形孔11之间的SOI基底层3为质量块3a。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

如图7所示，利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为1μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。

背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)U形狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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U形狭缝1a和U形槽b1刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为30μm,所述U形槽b1宽度为50μm；U形狭缝1a位置与第二U形孔11位置正对。U形狭缝1a开口方向为压电单元所在位置；压电单元以及U形狭缝1a在第一U形孔10的正上方。

如图6所示，质量块3a在复合弹性梁的下方，压电单元在复合压电弹性梁的上方。

如图9所示，复合压电弹性梁通过2个U形槽b1被刻蚀成独立的3个部份。

在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面支撑层铝膜12以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

如图8所示，当有惯性力作用时，支撑结构的SOI基底层3与质量块3a的竖直方向的相对运动导致复合具有U形槽的弹性梁产生形变，使与复合弹性梁相连的压电单元产生电荷。

需要说明的是，U形狭缝1a的刻蚀是为了将传感芯片三面垂直面悬空，使其成为复合弹性梁。使得正常抖动或振动，传感工作。当有惯性力作用时，支撑结构的SOI基底层3与质量块3a的相对运动导致具有U形槽的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。

压电传感芯片a的结构如图8和9所示，其中，压电传感芯片a的三面狭缝刻蚀，并且压电复合弹性梁通过1-10个U形槽b1被分割成2-11个部分，可参见图9中1a和b1位置所示。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。图9为制备完成后压电传感器芯片的示意图，其中，压电复合弹性梁通过1-10个U形槽b1被分割称2-11个部分，上电极8、下电极6通过连接使2-11个独立的压电单元在电学上串联，并且上电极8、下电极6各有引脚在绝缘氧化层4的正面引出，以方便连接引线。使用环氧树脂把压电传感芯片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，完成MEMS矢量水听器的制备。本实施例提供的MEMS矢量水听器结构如图1所示。

需要说明的是，本实例中各步骤对应的图1-图9示意图，同样适用于以下实施例2-10。不再赘述。

实施例2

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为0.5μm，SOI硅层1厚度为1μm，如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为10μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成11个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的0.01μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在下电极6的上表面上制备45μm氧化锌为压电层7，在压电层7的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成11个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.5μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成2个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成2个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅膜1上涂10μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为0.1μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽b1刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间的U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为15μm,所述U形槽b1宽度为100μm；复合压电弹性梁通过10个U形槽b1被刻蚀成独立的11个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面Al膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成压电传感器芯片a的制备。图8和9所示，该压电传感芯片a的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例3

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为400μm，SOI氧化层2厚度为1μm，SOI硅层1厚度为0.5μm，如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为3μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成6个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的1μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在下电极6的上表面上制备30μm氮化铝薄膜作为压电层7，在压电层7的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成6个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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1μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成6个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成6个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极、压电层和上电极后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅膜上涂3μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为0.5μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间的U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为10μm,所述U形槽b1宽度为200μm；复合压电弹性梁通过5个U形槽b1被刻蚀成独立的6个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面Al膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成压电传感器芯片a的制备。图8和9所示，该压电传感芯片a的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例4

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为4μm，SOI硅层1厚度为50μm，如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为8μm厚的绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层4后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成8个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备沉积厚度为0.08μm钛和厚度为0.4μm铂的复合金属膜。

4)制备压电层7

在所述下电极6的上表面上利用0-3法制备15μm锆钛酸铅(PZT)薄膜，在压电层7的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形。用PZT腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成8个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

需要说明的是，“0-3法”为一种改进的溶胶-凝胶法，使用0-3法可以制备相对厚度较高的薄膜。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.01μm铬Cr层和0.05μm铜Au层构成的Au/Cr复合膜，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成8个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成8个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂8μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为2μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为20μm,所述U形槽b1宽度为150μm；复合压电弹性梁通过7个U形槽b1被刻蚀成独立的8个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面Al膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。图8和9所示，该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例5

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为0.5μm，SOI硅层1厚度为20μm。如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为6μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成3个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的0.2μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在所述下电极6的上表面上利用磁控溅射设备制备10μm氮化铝薄膜，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形。用氮化铝腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成3个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.2μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成3个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成3个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽b1；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂3μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为2μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为50μm,所述U形槽b1宽度为80μm；复合压电弹性梁通过2个U形槽b1被刻蚀成独立的3个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面铝膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成压电传感器芯片的制备。图8和9所示，该压电传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例6

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为2μm，SOI硅层1厚度为5μm。如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为3μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成5个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备沉积厚度为0.05μm钛和厚度为0.2μm的铂复合金属膜。

4)制备压电层7

在所述下电极6的上表面上利用溶胶-凝胶法制备5μm锆钛酸铅(PZT)薄膜，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形。用PZT腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成5个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.04μm铬Cr层和0.1μm铜Au层构成的铜/铬Au/Cr复合膜，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成5个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成5个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽b1；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂3μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为0.5μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为1μm,所述U形槽b1宽度为90μm；复合压电弹性梁通过4个U形槽b1被刻蚀成独立的5个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面铝膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成压电传感器芯片的制备。图8和9所示，该压电传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例7

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为1μm，SOI硅层1厚度为15μm，如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为7μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成10个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备沉积的0.03μm铬Cr层和0.3μm铜Au层构成的Au/Cr复合膜。

4)制备压电层7

在所述下电极6的表面上制备0.01μm氧化锌，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形。用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成10个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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的0.03μm铬Cr层和0.3μm铜Au层构成的Au/Cr复合膜，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成10个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成10个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂6μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为4μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为30μm,所述U形槽b1宽度为90μm；复合压电弹性梁通过9个U形槽b1被刻蚀成独立的10个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面铝膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。图8和9所示，该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例8

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为200μm，SOI氧化层2厚度为0.3μm，SOI硅层1厚度为30μm。如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为1μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成7个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备沉积的0.1μm铬Cr层和0.5μm铜Au层构成的Au/Cr复合膜。

4)制备压电层7

在所述下电极6的表面上制备35μm钙钛矿型压电层，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成7个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.1μmCr层和0.5μmAu层构成的Au/Cr复合膜，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成7个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成7个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂8μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为1μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为0.1μm,所述U形槽b1宽度为60μm；复合压电弹性梁通过6个U形槽b1被刻蚀成独立的7个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面铝膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。图8和9所示，该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例9

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为300μm，SOI氧化层2厚度为3μm，SOI硅层1厚度为40μm。如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为6μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成9个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备的0.2μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在所述下电极6的表面上制备50μm氧化锌，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形。用稀磷酸腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成9个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.2μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成9个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成9个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂8μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为3μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜12后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为40μm,所述U形槽b1宽度为90μm；复合压电弹性梁通过8个U形槽b1被刻蚀成独立的9个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面Al膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。图8和9所示，该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

实施例10

1)清洗基片

用标准清洗方法对SOI硅片进行清洗，首先分别利用酸性清洗液和碱性清洗液进行煮沸清洗，然后用去离子水进行清洗，最后用氮气吹干。SOI硅片包括：SOI基底层3厚度为100μm，SOI氧化层2厚度为5μm，SOI硅层1厚度为50μm。如图2所示。

2)沉积绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5

利用热氧化炉在基片表面氧化形成厚度分别为8μm厚绝缘氧化层4和氧化硅薄膜5，正面沉积绝缘氧化层后芯片的剖面如图3所示。

3)制备下电极6

在绝缘氧化层4的上表面，利用真空蒸镀设备制备下电极6，并图形化，下电极6被图形化成10个部分，所述下电极6为利用真空蒸镀设备制备0.2μm厚度的铝电极。

4)制备压电层7

在所述下电极6的表面上制备25μm有机压电层，在压电层的表面上涂正性光刻胶，光刻曝光，形成压电层光刻图形，用腐蚀液腐蚀压电层，形成所需图形的压电层，压电层7被图形化成10个部分，去除残余光刻胶，完成图形化的压电层7制备。

5)在压电层7上制备上电极8

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0.2μm的铝，用丙酮去光刻胶，完成上电极8的制备。上电极8被图形化成10个部分。至此下电极6、压电层7和上电极8构成10个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；并且独立的压电单元在电学上被串联，如图9所示。

其中，正面沉积下电极6、压电层7和上电极8后的芯片剖面示意图如图4所示。

7)SOI基底层3的释放

在背面氧化硅薄膜5上涂8μm厚的正性光刻胶，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。利用高密度电感耦合等离子体(ICP)刻蚀氧化硅薄膜5，完成体刻蚀掩膜层的图形化。背面体刻蚀掩膜图形化后的芯片剖面如图5所示。

利用深度离子反应刻蚀技术，进行SOI基底层3的干法释放。体刻蚀后的芯片剖面如图6所示。

8)支撑层铝膜12的沉积

利用电子束蒸发设备在硅片背面镀厚度为0.5μm的铝膜，作为狭缝刻蚀的支撑层铝膜12。背面支撑层铝膜后的芯片剖面如图7所示。

9)狭缝1a和U形槽b1的刻蚀

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，作为狭缝和U形槽刻蚀的掩膜，利用ICP刻蚀正面SiO2/Si，刻蚀气体SF6，形成U形狭缝1a和压电单元间U形槽b1,所述U形狭缝1a宽度为20μm,所述U形槽b1宽度为60μm；复合压电弹性梁通过9个U形槽b1被刻蚀成独立的10个部份。在硅片正面涂正性光刻胶，腐蚀背面铝膜以及氧化硅薄膜5和SOI氧化层2，把硅片清洗烘干，完成传感器芯片的制备。图8和9所示，该传感芯片的工作频率范围为10KHz以下。

10)MEMS矢量水听器的封装

把传感器芯片划片后，形成单个压电传感芯片a。如图8和9所示。使用环氧树脂把压电传感芯片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。

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层、氮化铝薄膜、锆钛酸铅压电层、钙钛矿型压电层或有机压电层在各实施例中，是可以互换的。

本发明实施例提供的一种压电传感芯片在SOI基片上沉积绝缘氧化层，在绝缘氧化层上制备下电极、压电层和上电极构成压电单元，其中下电极、压电层和上电极被图形化成2-11个部分，构成2-11个独立的压电单元，每个压电单元中间部分将在接下来的工艺中被刻蚀开，形成U形槽；对SOI基底层进行干法刻蚀，得到回形孔，被回形孔包围的SOI基底层为质量块；在硅基片的背面沉积Al层，作为正面狭缝和U形槽刻蚀时对振动膜的支撑层；通过干法刻蚀技术刻蚀出U形狭缝和U形槽，形成质量块、具有U形槽的压电复合悬臂梁结构；腐蚀背面的Al层支撑层、氧化硅薄膜和SOI氧化层，完成传感芯片的制备。

本发明实施例将制备好的压电传感芯片粘接到后置放大电路板上，并完成相应电联结，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压电矢量水听器的制备。

采用本发明实施例的方法制备MEMS压电矢量水听器结构，这种结构的矢量水听器，通过U形槽使压电复合悬臂梁被分割为独立的2-11个压电单元，同时这些单元在电学上串联。相对于目前的MEMS压电矢量水听器，灵敏度可以得到明显提高，同时制备工艺简单。

本发明实施例提供的压电传感器芯片是由质量块3a和由压电层和硅基底层形成的具有U形槽的压电复合悬臂梁构成。在MEMS矢量水听器中，当有惯性力作用时，具有U形槽的压电复合悬臂梁产生形变，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。

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。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，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，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。