《Sensors and Actuators A: Physical》：Quartz-based resonant SAW pressure sensor employing laser-induced etching technique
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本文提出一种结合激光诱导修改与湿刻蚀的工艺，用于在石英基SAW压力传感器上制造高精度空腔结构，有效提升灵敏度（82%）和压力承载极限（62.5%）。
郭大鹏|李子琳|唐正凯|史如川|罗成涛|李华琳|袁玉鹏|韩涛
上海交通大学自动化与智能传感学院，上海，200240，中国
摘要
为了在基于石英的表面声波（SAW）压力传感器上制造高精度腔结构以提升性能，本文介绍了一种结合激光诱导改性与湿法蚀刻的腔体制造工艺。通过将激光诱导改性和湿法蚀刻集成到SAW压力传感器的制造过程中，我们成功制备出了具有腔体的SAW压力传感器。实验结果表明，该传感器的压力灵敏度达到了，最大承压极限为。与无腔体的SAW压力传感器相比，其灵敏度提高了82%，承压极限增强了62.5%。这种石英腔体制造工艺不仅消除了激光烧蚀常见的缺陷，还能通过调节激光改性深度和半径来精确控制腔体的深度和面积，从而灵活调整基于石英的SAW压力传感器的压力灵敏度和承压极限。
引言
SAW压力传感器在汽车、航空航天和石油工业中受到了广泛关注，这主要归功于它们独特的无线和被动工作特性，无需现场电源和物理连接[1]、[2]、[3]。随着这些行业面临越来越极端的环境条件（如高温、高压和腐蚀性环境），提高SAW传感器的压力灵敏度和承压极限变得至关重要[4]、[5]。
多种压电材料已被研究用于提升SAW压力传感器的性能。薄膜压电材料（如AlN、GaN和ScAlN）具有高灵敏度，但其承压极限低于0.5 MPa，更适合高精度、低压应用[6]、[7]、[8]。在压电晶体中，基于的SAW传感器具有较高的灵敏度，但测量范围受限且热稳定性较差[9]。基于LGS的传感器虽然灵敏度较低，但能承受超过1000°C的极端温度[10]。由于特定切割方向的石英晶体具有零温度系数（TCF），它们仍然是大规模生产SAW压力传感器的理想材料[11]、[12]、[13]。可以通过多种方法提高压力灵敏度：选择压力敏感的SAW模式、优化晶体切割以获得更高的频率压电常数（PCF）[14]、[15]、[16]，或减小基板厚度[17]。在这些方法中，在石英基板上蚀刻具有特定深度和规则形状的腔体是一种特别实用的方法。然而，关键挑战在于如何在各向异性石英中实现如此精确的腔体结构。
为了在各向异性石英中制造高精度腔体，湿法蚀刻是一种简单且经济的技术[18]。例如，法国国家力学与微技术学院（ENSMM）的研究人员使用氢氟酸（HF）对不同石英晶体进行了湿法蚀刻，并建立了全面的数据库和3D模型[19]。然而，石英的化学惰性要求长时间暴露于HF中，这可能导致掩模剥离和侧向蚀刻，从而影响最终结构的形状和精度。为克服这些限制，Temex-Ceramics公司探索了超声加工技术。虽然该技术可以产生规则几何形状，但其机械性质不可避免地会导致微裂纹[20]。激光烧蚀理论上可以实现高精度，但强烈的局部热量常常会导致石英的热损伤和不规则特征形成[21]、[22]。一种有前景的相关技术是飞秒激光辅助选择性蚀刻，该技术已成功应用于玻璃的微流体和封装领域。飞秒脉冲激光在玻璃上形成高斯焦点，通过非热机制诱导玻璃改性。由于改性区域与未改性区域之间的化学活性差异显著，可以通过特定比例的溶液组合来蚀刻出具有特定深度和规则形状的腔体[23]、[24]。然而，这种精确方法在各向异性石英中的应用尚未被探索。
在本文中，我们通过将激光诱导改性和湿法蚀刻集成到SAW谐振器的制造过程中，展示了在石英基板上制造具有腔体的SAW压力传感器的方法。我们通过理论分析、有限元方法（FEM）模拟和实验确定了有腔体和无腔体SAW压力传感器的失效机制。实验结果量化了腔体在基板中的优势。
部分摘录
模型与FEM仿真
当压力作用于SAW谐振器的压电基板时，会引起机械变形和内部应力。这些变化不仅影响叉指换能器（IDT）的几何周期性，还会改变基板的有效材料常数。结果，SAW的速度发生变化，导致共振频率相应移动。这种频率变化与施加的压力大小直接相关。
石英的激光诱导蚀刻
石英的激光诱导蚀刻是一种结合激光改性和湿法蚀刻的协同技术，蚀刻效果高度依赖于激光参数和湿法蚀刻条件。我们使用LPKF Vitrion M 5000 Gen2激光诱导系统，在500微米厚的石英晶圆上制备了一个直径为4毫米、深度为200微米的圆柱形腔体。
该系统使用波长为515纳米、脉冲宽度为50飞秒的激光。石英对激光具有吸收
实验与分析
首先，如图6所示，使用环氧胶将SAW谐振器粘接到测试装置的压力端口。然后通过金线将谐振器与LTCC引脚连接，以便将传感器信号传输到矢量网络分析仪（VNA）进行后续的压力-频率特性测试。为了减轻环氧固化过程中引入的预应力，三个测试样品分别经历了5–6次
结论
在本研究中，我们研究了使用单脉冲飞秒激光通过非热机制对石英进行改性的方法，并表征了激光改性石英在HF溶液中的蚀刻速率差异。通过将激光诱导改性和湿法蚀刻集成到SAW压力传感器的制造过程中，我们制备出了具有腔体的SAW压力传感器。实验结果表明，其压力灵敏度达到了
