[0001] 本发明属于检测传感器领域，具体涉及一种石英音叉结构设计及制作方法。

[0002] 随着传感器技术与微电子技术的飞速发展，MEMS器件不断创新，具有广泛的应用前景。MEMS器件具有体积小、功耗低、产量高等优点，但市场对性能的要求也越来越高，这就需要结构的优化和稳定的加工工艺来为它保驾护航。

[0003] 石英晶体音叉一般振动于弯曲振动模态（面内振动或面外振动），基于石英材料的压电效应进行工作。石英音叉主要有三种应用方式：1）石英音叉谐振器即晶振，基于逆压电效应在薄膜电极驱动下音叉振动于结构固有频率（一般为32.768KHz），提供时间或频率基准；2）基于石英音叉谐振的传感器，薄膜电极驱动音叉谐振（不一定为32.768KHz），其谐振频率或振动特性参数受外部被测量的影响而发生变化；3）压电式传感器，音叉结构在外部能量激励下发生振动，由于石英晶体材料具有压电效应，在音叉结构相应位置产生正负电荷，通过检测电荷量反演被测物理量。石英音叉结构的器件具有结构简单、可靠性高、温度稳定性好等优点，特别适用于军用和民用领域晶振、惯性导航传感器、气体检测、原子力显微镜探针等高精度应用领域。以上三种应用对石英音叉结构均具有相同的要求，即高谐振品质因数、低阻抗以及高机电转换效率。传统音叉结构如图1所示，包括一对等截面叉指1和基座2。叉指长度方向为石英晶体结晶轴Y方向，宽度方位为石英结晶轴X方向，厚度为结晶轴Z方向。从振动机理与压电材料的机电耦合效率上讲，存在两个问题。第一，两个叉指各自相当于悬臂梁，振动中必然存在着从叉指根部到自由端应力从大变小的不均衡分布。第二，石英晶体的电轴为X轴，即在X面上布设正负电极的机电耦合效率最高，而传统结构中，驱动电极布设在X面与Z面，只能形成部分电场分量，机电耦合效率低下。因此，作为技术改进，常用手段有1）音叉宽度从根部到自由端逐渐减小且自由端带榔头的音叉结构，以改善在音叉长度方向的应力均匀分布。叉指结构如图2所示，包括一对叉指1、一对锤头2和基座3。该结构采用了等强度梁的设计思想，通过改变锥形叉指的角度改变沿长度方向截面面积的大小，进而能够有效改善叉指沿长度方向上的应力分布。但该方法存在侧面薄膜难以制作的工艺问题；手段2）为了提高石英音叉结构器件的品质因数和机电耦合效率，对石英音叉的上表面和下表面设置“H”型凹槽，如图3所示，包括一对叉指1、凹槽101、102、103、104和基座2。但是由于石英晶体在湿法刻蚀中为各向异性，在刻蚀中无法获取垂直的截面形状即H型。
并且根据石英晶体各向异性腐蚀特征，在凹槽的+X面会产生角度最大的斜面，倾斜角为β，大约为20°以上，文献典型角度为23°，如图4所示，大大降低X方向的电场分量。