一种双面对称结构的无线无源加速度传感器

技术领域

本发明涉及电子元器件技术领域，具体涉及一种双面对称结构的无线无源加速度传感器。

背景技术

无线无源加速度传感器采用声表面波技术，利用沿压电基片表面传播的声表面波来敏感外界加速度的扰动，从而引起声表面波频率或相位等特征参数的变化，实现对外界加速度的测量。相比于传统的加速度传感器，声表面波加速度传感器具有频率输出、易处理，灵敏度高，抗干扰能力强等优点，特别是其独特的无线无源检测手段，在航天航空等复杂恶劣环境测量中具有广阔的应用前景。典型的声表面波加速度传感器常采用悬臂梁结构，具有结构简单、灵敏度高等特点。但是该类传感器在使用过程中易受温度影响，为了克服这个问题，研究者们开展了多种不同结构的设计方案及实验。

公开号为CN104007288A的中国专利，公开了一种基于声表面波的具有温度补偿的感测加速度传感器，将三个声表面波谐振器设置在压电基片同一侧的不同物理表面上，通过谐振器的差分同时测量温度和加速度，进而将感测加速度的声表面波谐振器的谐振频率减去因温度漂移而引起的谐振频率的变化，可以得到一个温度补偿的加速度的测量值。然而该发明中测温谐振器会受到加速度的影响，难以完全解耦，导致温度测量的误差，从而影响对加速度的测量。

公开号为CN112462091A的中国专利，公开了一种MEMS-IDT加速度传感器。传感器采用MEMS硅基悬臂梁与多层复合薄膜结构的温补型SAW相结合，利用高阻抗材料硅作为支撑基板，加上压电层和低阻抗温补层，在原有的MEMS加速度计的基础上，解决了传统MEMS加速度易受温度影响的问题，并具有体积小、重量轻、量程大等优点。然而该发明加工工艺较为复杂，实现难度大。

因此，需要一种不易受温度影响且便于加工的无线无源加速度传感器。

发明内容

本发明是为了解决无线无源加速度传感器易受温度影响和不易加工的问题，提供一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，采用半导体的双面光刻工艺，在压电基片悬臂梁的正反两面同时制备两个声表面波谐振器，减少传感器体积，保证谐振器所处环境一致，利用差分工作模式在消除温度影响的同时，使灵敏度相比单独谐振器提升一倍。

本发明提供一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，包括质量块，与质量块一端连接的压电基片，分别设置在压电基片上表面和下表面的第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器，与第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器均连接的电互连介质，与第一声表面波谐振器连接的金属引线，与金属引线另一端连接的金属焊盘，与压电基片另一端相连的基座和连接在基座底部的插针；

电互连介质将第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器的信号端互连、地端互连；金属引线将第一声表面波谐振器信号端、地端分别连接至金属焊盘的信号端、地端；金属焊盘的信号端、地端分别与插针的信号端互连、地端互连，电互连介质分布于压电基片表面及侧壁，金属焊盘分布于基座表面；

第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器均进行加速度的测量，无线无源加速度传感器工作时，压电基片产生变形，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的应力应变值大小相等但方向相反，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器均发行变化并通过差分的方法得到无线无源加速度传感器差分后总频率变化△f。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，第一声表面波谐振器、第二声表面波谐振器均包括SAW叉指电极和反射栅，SAW叉指电极两侧的汇流条分别作为信号端和地端。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的位置、材料、切型、占空比和声波传播方向均相同。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的工作频率范围不同、互不相交且工作频率范围差小于10MHz。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的数量为至少两个。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，质量块的材质为不锈钢，压电基片的材质为压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂材料；第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的材质为铝或金或铂，电互连介质的材质为银导电浆料。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，总频率变化△f为：

其中，

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，△f

其中△f

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，无线无源加速度传感器上下器件电极的制备及导通方法包括以下步骤：

S1、将压电基片的正面和反面均旋涂光刻胶；

S2、将掩膜通过真空接触方式与压电基片的正面进行紧密贴合后曝光、热板上曝光后烘烤和显影得到第一声表面波谐振器的光刻胶图形和对准标记M1；

S3、翻转压电基片，对准标记M1被翻转至底面，利用光刻机的背对准功能将压电基片正面掩膜中的对准标记M2与对准标记M1套准，然后进行曝光和显影，得到第二声表面波谐振器的光刻胶图形；

S4、以第一声表面波谐振器的光刻胶图形和第二声表面波谐振器的光刻胶图形为掩膜，进行金属刻蚀，得到第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器；

S5、将压电基片划切成独立器件单元，第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的焊盘背向、焊盘呈断开状态，将导电银浆涂覆于正反两侧焊盘之间的侧壁，并延伸至两侧焊盘处，实现上下表面电极的连接，然后放入烘箱烘烤，使银浆呈导电特性得到电互连介质，上下器件电极的电学导通完成。

本发明所述的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，作为优选方式，步骤S2、S3中，曝光剂量为30～50mJ/cm

步骤S4中，压电基片正反两面分别分布多个第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，对准标记M1和对准标记M2分别分布于压电基片正反两面的标记区域，标记区域位于晶原片以外；蚀气体采用Cl

步骤S5中，银浆的宽度与电极宽度相同，烘烤温度100摄氏度以上、烘烤时间30分钟以上。

本发明一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，包括质量块，压电基片，声表面波谐振器，声表面波谐振器，电互连介质，金属引线，金属焊盘，基座，插针。

质量块选用高密度材料，减小用料体积。

压电基片的正面设置有声表面波谐振器，压电基片的背面设置有声表面波谐振器，压电基片的中间设置有电互连介质。

压电基片的一端与质量块固定连接，压电基片的另一端与基座固定连接。质量块、基座与声表面波谐振器、声表面波谐振器互不干涉。

压电基片选用压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂材料。

声表面波谐振器和声表面波谐振器的电极选用铝、金或铂等金属材料。

声表面波谐振器和声表面波谐振器中声波传播方向一致，电极材料一致，电极厚度差异小于10nm(加工误差)。

声表面波谐振器和声表面波谐振器的工作频率不一致，且两个谐振器的工作频率范围互不相交，易于区分，工作频率范围小于10MHz。

声表面波谐振器和声表面波谐振器采用双面光刻工艺加工，对准精准度高。

电互连介质将声表面波谐振器的信号端与声表面波谐振器的信号端互连、声表面波谐振器的地端与声表面波谐振器的地端互连。

电互连介质采用侧面电极工艺或导电浆料加工工艺等形成，电连接可靠性高。

金属焊盘、插针与基座固定连接。

金属焊盘的信号端与插针的信号端互连，金属焊盘的地端与插针的地端互连。

金属引线将声表面波谐振器和的信号端连接至金属焊盘的信号端，将声表面波谐振器和的地端连接至金属焊盘的地端。

光刻时，先对基片的正反两面匀胶，然后依次完成基片两面的图形曝光。基片两侧光刻通过对准标记进行套准，使两侧的图形位置保持在结构上的一致性，满足差分应用需求。

具体为，基片双面旋涂光刻胶后，首先按照标准曝光流程，对基片的一侧进行曝光、显影，实现一侧图形的图形化，同时形成对准标记M1。将基片翻转，此时图形和标记M1向下。以M1作为对准标记，进行背面对准操作，将基片正面的对准标记M2与M1套准，完成正面图形的曝光和显影，至此完成双面器件的制作和对齐。该工艺采用标准双面光刻工序进行，工艺简单，结构一致性好。

晶圆片上会根据设备对准镜头的可视范围选择标记的位置，这个位置不做器件，被标记占用。

光刻机的背对准方法：掩膜版上方和基片的承片台都有一组显微镜。掩膜版装载后，利用掩膜版上方的显微镜，设备会将掩膜版上的标记(也就是要做到基片上的M2)捕获记录在显示器上。然后，利用承片台背面的显微镜头将基片背面的M1标记显示。此时，显示器上会同时有捕获的M2标记和正在观察的M1标记，移动承片台，使M1标记与M2标记套准，就完成了双面套刻了。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，采用半导体的双面光刻工艺，在压电基片悬臂梁的正反两面同时制备两个声表面波谐振器，工艺简单，精准度高。

(2)本发明提出的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，保证了谐振器所处环境的一致，且温度敏感特性一致，利用差分工作模式可以有效地消除温度影响。同时，由于正反面两个谐振器所处位置的应力应变方向相反，利用差分工作模式可以使灵敏度相比单独谐振器提升一倍，提高了整体传感器的抗干扰性。

(3)本发明提出的一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，通过立体空间的集成实现，无需同一侧布局多个谐振器，减小了传感器的整体尺寸，便于后续安装使用。

附图说明

图1为一种双面对称结构的无线无源加速度传感器侧视图；

图2为一种双面对称结构的无线无源加速度传感器俯视图；

图3为一种双面对称结构的无线无源加速度传感器仰视图。

附图标记：

1、质量块；2、压电基片；3、第一声表面波谐振器；4、第二声表面波谐振器；5、电互连介质；6、金属引线；7、金属焊盘；8、基座；9、插针。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1～3所示，一种双面对称结构的无线无源加速度传感器，包括质量块1，压电基片2，第一声表面波谐振器3，第二声表面波谐振器4，电互连介质5，金属引线6，金属焊盘7，基座8，插针9。

质量块1选用不锈钢材料。

压电基片2的正面设置有声表面波谐振器3，压电基片2的背面设置有声表面波谐振器4，压电基片2的中间设置有电互连介质5。

压电基片2的一端与质量块1固定连接，压电基片2的另一端与基座8固定连接。质量块1、基座8与声表面波谐振器3、声表面波谐振器4互不干涉。

压电基片2选用AT切压电石英材料。

第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4的电极均选用铝材料。

第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4中声波传播方向一致，选用AT-X切型，实验电极厚度分别为155nm和160nm。

第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4的工作频率分别为440.8MHz和442MHz。

第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4采用双面光刻工艺加工。

电互连介质5将第一声表面波谐振器3的信号端与第二声表面波谐振器4的信号端互连、第一声表面波谐振器3的地端与第二声表面波谐振器4的地端互连。

电互连介质5采用导电银浆加工工艺。

金属焊盘7、插针9与基座8固定连接。

金属焊盘7的信号端与插针9的信号端互连，金属焊盘7的地端与插针9的地端互连。

金属引线6将第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4的信号端连接至金属焊盘7的信号端，将第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4的地端连接至金属焊盘7的地端。

差分公式：

声表面波谐振器的频率-温度特性与选用的切型、表面金属电极厚度等有着直接关系，因此第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4选择了同样切型、同样金属电极厚度的结构形式，通过差分抑制谐振器因温度变化而导致的频率变化，实现温度补偿。

声表面波谐振器的加速度-温度特性与谐振器表面的应力、应变值成比例，当悬臂梁形变时，正面和背面声表面波谐振器的应力、应变值大小相等、方向相反，因此通过差分结构可以使两个谐振器第一声表面波谐振器3和第二声表面波谐振器4加速度灵敏度加倍，提高传感器精度。

工作频率变化与外界应力应变扰动之间的关系：

其中，

当悬臂梁形变时，梁正反两面的应力、应变大小相等、方向相反，从而引起偏载状态下的微扰张量

具体为，基片双面旋涂光刻胶后，首先按照标准曝光流程，对基片的一侧进行曝光。光刻机选用EVG接触式光刻设备，基片与掩膜版之间通过真空接触方式进行紧密贴合，曝光剂量为40mJ/cm

以光刻胶作为掩膜，进行金属铝刻蚀。刻蚀气体采用Cl

划片将基片划切成独立器件单元，此时，正反两面器件焊盘背向，焊盘呈断开状态。将导电银浆涂覆于上下焊盘之间的侧壁，并延伸至两侧焊盘处，实现上下表面电极的连接。银浆的宽度与电极宽度一致。将涂有银浆的器件放入烘箱烘烤，使银浆呈导电特性。烘烤温度100以上，烘烤时间30分钟以上。至此，完成上下器件电极的电学导通。

表1给出了本实施例的实验数据。从结果分析可以发现，第一声表面波谐振器3的频率变化-3.17kHz/g，第二声表面波谐振器4的频率变化+2.75kHz/g，经差分后加速度传感器的灵敏度为5.92kHz/g。

表1

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。