《Sensors and Actuators A: Physical》：Quartz-based resonant SAW pressure sensor employing laser-induced etching technique
編輯推薦：
本文提出一種結合激光誘導修改與濕刻蝕的工藝，用于在石英基SAW壓力傳感器上制造高精度空腔結構，有效提升靈敏度（82%）和壓力承載極限（62.5%）。
郭大鵬|李子琳|唐正凱|史如川|羅成濤|李華琳|袁玉鵬|韓濤
上海交通大學自動化與智能傳感學院，上海，200240，中國
摘要
為了在基于石英的表面聲波（SAW）壓力傳感器上制造高精度腔結構以提升性能，本文介紹了一種結合激光誘導改性與濕法蝕刻的腔體制造工藝。通過將激光誘導改性和濕法蝕刻集成到SAW壓力傳感器的制造過程中，我們成功制備出了具有腔體的SAW壓力傳感器。實驗結果表明，該傳感器的壓力靈敏度達到了，最大承壓極限為。與無腔體的SAW壓力傳感器相比，其靈敏度提高了82%，承壓極限增強了62.5%。這種石英腔體制造工藝不僅消除了激光燒蝕常見的缺陷，還能通過調節激光改性深度和半徑來精確控制腔體的深度和面積，從而靈活調整基于石英的SAW壓力傳感器的壓力靈敏度和承壓極限。
引言
SAW壓力傳感器在汽車、航空航天和石油工業中受到了廣泛關注，這主要歸功于它們獨特的無線和被動工作特性，無需現場電源和物理連接[1]、[2]、[3]。隨著這些行業面臨越來越極端的環境條件（如高溫、高壓和腐蝕性環境），提高SAW傳感器的壓力靈敏度和承壓極限變得至關重要[4]、[5]。
多種壓電材料已被研究用于提升SAW壓力傳感器的性能。薄膜壓電材料（如AlN、GaN和ScAlN）具有高靈敏度，但其承壓極限低于0.5 MPa，更適合高精度、低壓應用[6]、[7]、[8]。在壓電晶體中，基于的SAW傳感器具有較高的靈敏度，但測量范圍受限且熱穩定性較差[9]。基于LGS的傳感器雖然靈敏度較低，但能承受超過1000°C的極端溫度[10]。由于特定切割方向的石英晶體具有零溫度系數（TCF），它們仍然是大規模生產SAW壓力傳感器的理想材料[11]、[12]、[13]。可以通過多種方法提高壓力靈敏度：選擇壓力敏感的SAW模式、優化晶體切割以獲得更高的頻率壓電常數（PCF）[14]、[15]、[16]，或減小基板厚度[17]。在這些方法中，在石英基板上蝕刻具有特定深度和規則形狀的腔體是一種特別實用的方法。然而，關鍵挑戰在于如何在各向異性石英中實現如此精確的腔體結構。
為了在各向異性石英中制造高精度腔體，濕法蝕刻是一種簡單且經濟的技術[18]。例如，法國國家力學與微技術學院（ENSMM）的研究人員使用氫氟酸（HF）對不同石英晶體進行了濕法蝕刻，并建立了全面的數據庫和3D模型[19]。然而，石英的化學惰性要求長時間暴露于HF中，這可能導致掩模剝離和側向蝕刻，從而影響最終結構的形狀和精度。為克服這些限制，Temex-Ceramics公司探索了超聲加工技術。雖然該技術可以產生規則幾何形狀，但其機械性質不可避免地會導致微裂紋[20]。激光燒蝕理論上可以實現高精度，但強烈的局部熱量常常會導致石英的熱損傷和不規則特征形成[21]、[22]。一種有前景的相關技術是飛秒激光輔助選擇性蝕刻，該技術已成功應用于玻璃的微流體和封裝領域。飛秒脈沖激光在玻璃上形成高斯焦點，通過非熱機制誘導玻璃改性。由于改性區域與未改性區域之間的化學活性差異顯著，可以通過特定比例的溶液組合來蝕刻出具有特定深度和規則形狀的腔體[23]、[24]。然而，這種精確方法在各向異性石英中的應用尚未被探索。
在本文中，我們通過將激光誘導改性和濕法蝕刻集成到SAW諧振器的制造過程中，展示了在石英基板上制造具有腔體的SAW壓力傳感器的方法。我們通過理論分析、有限元方法（FEM）模擬和實驗確定了有腔體和無腔體SAW壓力傳感器的失效機制。實驗結果量化了腔體在基板中的優勢。
部分摘錄
模型與FEM仿真
當壓力作用于SAW諧振器的壓電基板時，會引起機械變形和內部應力。這些變化不僅影響叉指換能器（IDT）的幾何周期性，還會改變基板的有效材料常數。結果，SAW的速度發生變化，導致共振頻率相應移動。這種頻率變化與施加的壓力大小直接相關。
石英的激光誘導蝕刻
石英的激光誘導蝕刻是一種結合激光改性和濕法蝕刻的協同技術，蝕刻效果高度依賴于激光參數和濕法蝕刻條件。我們使用LPKF Vitrion M 5000 Gen2激光誘導系統，在500微米厚的石英晶圓上制備了一個直徑為4毫米、深度為200微米的圓柱形腔體。
該系統使用波長為515納米、脈沖寬度為50飛秒的激光。石英對激光具有吸收
實驗與分析
首先，如圖6所示，使用環氧膠將SAW諧振器粘接到測試裝置的壓力端口。然后通過金線將諧振器與LTCC引腳連接，以便將傳感器信號傳輸到矢量網絡分析儀（VNA）進行后續的壓力-頻率特性測試。為了減輕環氧固化過程中引入的預應力，三個測試樣品分別經歷了5–6次
結論
在本研究中，我們研究了使用單脈沖飛秒激光通過非熱機制對石英進行改性的方法，并表征了激光改性石英在HF溶液中的蝕刻速率差異。通過將激光誘導改性和濕法蝕刻集成到SAW壓力傳感器的制造過程中，我們制備出了具有腔體的SAW壓力傳感器。實驗結果表明，其壓力靈敏度達到了
