[发明专利]一种高灵敏度的AlN压电水听器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏度的基于AlN的压电水听器及其制备方法，该水听器针对常规压电水听器中存在的灵敏度低、机电耦合系数不高以及加工工艺较为繁琐的问题，提出一种新型结构的压电水听器。当如入射的声波使空腔变形时，在空腔的中央因受到拉伸应力而产生正电荷，而在空腔的边缘因受压缩应力而产生负电荷，通过将AlN上Mo电极图案化，在空腔中央形成正电极，空腔边缘形成负电极，进而构成差动放大结构以提高灵敏度和机电耦合系数。本专利与以前相比，水听器的灵敏度具有倍增的效果，且该传感器的工艺流程步骤少，制作简单。

技术领域

本发明涉及MEMS领域中的压电水听器，具体为一种以AlN为压电材料的低频、高灵敏度的MEMS压电水听器及制备方法。

背景技术

目前，许多国家为了增强舰艇的军事作战能力和侦察能力，以及潜艇的反潜能力，都致力于发展水声技术。水声设备不仅是水下最有效的军用装备，也是探测水下丰富的海洋资源最有效的工具。在现代战争中，已不再大规模使用水面舰艇作战，由于潜艇优秀的隐蔽性和战略打击能力，深受各国海军重视。为了提高潜艇的被动探测能力，潜艇所使用的主动避碰声纳、舷侧被动测向声纳、舷侧被动测距声纳以及拖曳线列阵声纳等都需要高灵敏度的水听器作为重要的声纳阵列基元。

水听器作为一种能探测水下声波的仪器，在海底地形测绘海洋资源勘探与开发，地震、海啸预警，都有着广泛的应用。目前水听器主要包括压电陶瓷、压电复合材料、光纤水听器以及压阻式水听器。相比于压阻式水听器，压电水听器在工作时不需外接电源，且压阻水听器对温度很敏感。这些优势都使得压电水听器受到越来越多的关注。相比于其他压电材料，AlN压电薄膜居里点高，与CMOS工艺兼容。由于MEMS压电水听器的结构小，信号输出较弱，所以设计一种高输出、高灵敏度的压电水听器就显得尤为重要。

发明内容

本发明目的是为了解决上述现有技术中存在的灵敏度较低的问题，而提出的一种高灵敏度的AlN压电水听器及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种高灵敏度的AlN压电水听器，包括SOI基底，所述SOI基底的器件硅层上依次溅射沉积下电极层、AlN压电层及上电极层，所述上电极层采用干法刻蚀形成图形化后的正电极和图形化后的负电极，之后采用等离子增强化学气相淀积生长的SiO₂保护层，之后刻蚀掉图形化后的正电极和图形化后的负电极上的氧化层，在图形化后的正电极上沉积金属剥离后的正电极焊盘，在图形化后的负电极上沉积金属剥离后的负电极焊盘，SOI基底的硅衬底刻蚀空腔以释放振动薄膜，所述图形化后的正电极覆盖产生正电荷的区域，所述图形化后的负电极覆盖产生负电荷的区域。

优选的，所述SOI基底的器件硅层厚度为5μm、埋氧层厚度为1μm、硅衬底厚度为475μm；下电极层厚度为0.2μm、AlN压电层厚度为2μm、上电极层厚度为0.2μm。

上述高灵敏度的AlN压电水听器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5μm，埋氧层1μm，硅衬底475μm；

步骤二、SOI基底清洗后，在SOI基底的器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的下电极层、2μm的AlN压电层、0.2μm的上电极层；

步骤三、在上电极层上进行光刻，使用干法刻蚀来形成图形化后的正电极和图形化后的负电极；而且，图形化后的正电极覆盖产生正电荷的区域，图形化后的负电极覆盖产生负电荷的区域；

步骤四、等离子增强化学气相淀积生长SiO₂保护层；

步骤五、在SiO₂保护层进行光刻，刻蚀掉上图形化后的正电极和图形化后的负电极上的氧化层，采用剥离的方法在图形化后的正电极和图形化后的负电极上分别沉积金属剥离后的正电极焊盘和金属剥离后的负电极焊盘；