超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法

超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法。微机械敏感结构包括敏感质量块、镀在敏感质量块上的高反膜、相连在敏感质量块上的蛇形梁型悬臂梁以及与蛇形梁型悬臂梁末端相连的硅基底，微机械敏感结构下部与带凹槽的衬底相连，蛇形梁型悬臂梁主要由股梁、第一蜿蜒梁、第二蜿蜒梁、胫梁的四个直梁依次相连构成，敏感质量块和硅基底均采用SOI基片制作，悬臂梁为SOI基片中的单晶硅器件层制作。本发明实现了超高的加速度位移灵敏度，并且仍能保证较小的离轴串扰，微加工工艺可与IC工艺兼容，流片率高，易于大批量制作，配合基于光栅干涉腔的位移读出系统可实现超高的加速度测量灵敏度和精度。
【专利说明】
超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法
技术领域
[0001]本发明属于光学微加速度传感器技术领域，涉及了一种超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法。
【背景技术】
[0002]具有超高加速度测量灵敏度的加速度计在诸如惯性导航、微重力探测等应用领域起着至关重要的作用。同时，为满足小型化和高精度军事装备和战略武器装备需求，设计制作微型化的高性能加速度计也成为了现阶段加速度计的研究重点。加速度计的基本测量原理基于牛顿第二定律，它通常由机械敏感结构和位移读出系统两部分组成。机械敏感结构中的敏感质量块受外界加速度的作用产生一个与加速度相关的位移量，位移读出系统通过测量该位移量得到加速度的值。加速度计的性能指标由这两部分同时决定。为了实现超高加速度测量灵敏度，必须同时实现机械敏感结构的超高加速度位移灵敏度和位移读出系统的超高位移测量灵敏度。目前基于光栅干涉腔的位移读出系统已经可以实现亚纳米级的位移测量分辨率和精度[Q.Lu,C.Wang, J.Bai ,K.Wang,ff.Lian,S.Lou,X.Jiao ,and G.Yang,“Subnanometer resolut1n displacement sensor based on a gratinginterferometric cavity with intensity compensat1n and phase modulat1n,”Appl.0pt.54(13) ,4188-4196(2015).]。为了实现超过2000V/g的加速度测量灵敏度，机械敏感结构的加速度位移灵敏度必须超过ΙΟΟμπι/g。
[0003]目前有报道的微机电系统加速度计和微光机电系统加速度计的微机械敏感系统都无法达到ΙΟΟμπι/g的目标灵敏度。如美国专利号为US6473187B1的专利“High-sensitivity interf erometric accelerometer”公开了一种基于衍射光棚■干涉式的微光学加速度计，该种加速度计的微机械敏感结构为单一悬臂梁和质量块的形式，位移读出系统由质量块末端的衍射光栅和基底上的光栅共同组成。该种加速度计能达到59V/g的加速度测量灵敏度，但其微机械敏感结构的加速度位移灵敏度仅为0.59ym/g。另外，美国专利号为US8783106B1 的专利“Micromachined force-balance feedback accelerometer withoptical displacement detect1n”公开了一种基于亚波长光学谐振器的微加速度计，其热噪声可以低至8ng/Hz1/2的量级，但其微机械敏感结构的加速度位移灵敏度在敏感轴向仍然只能达到20ym/g，这就导致它的加速度测量灵敏度只能达到590V/g，离2000V/g的目标灵敏度仍有段距离。商用市场上的微加速度计离超高加速度测量灵敏度的目标差距更为巨大，比如ADI公司的高精度加速度计AD)(L206只能做到312mV/g的加速度测量灵敏度；Endevc0公司的高性能加速度计752A的加速度测量灵敏度也仅为lV/g。
[0004]要提高微机械敏感结构的加速度位移灵敏度，就需要尽量大的敏感质量和尽量小的弹性机构的弹性系数，但这不仅会带来动态范围和带宽等性能指标的降低，还对敏感结构的制造工艺提出了极高的要求。现有微加速度计由于没有超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构及其制造方法，因此无法获得超高的加速度测量灵敏度。
[0005]本发明提出了一种基于五层SOI基片的四蛇形梁型悬臂梁-敏感质量块-硅基底微机械敏感结构，

【发明内容】

[0006]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明提供了一种超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法，实现了大敏感质量和低弹性系数以及超高的加速度位移灵敏度，制造工艺的工艺流片率高，且能与现有微加工工艺很好兼容。本发明最终通过提高微机械敏感结构的加速度位移灵敏度并结合基于光栅干涉腔的位移读出系统实现大于2000V/g的加速度测量灵敏度。
[0007]本发明采用的技术方案如下:
[0008]一、一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构:
[0009]包括一个形状为长方体的巨大敏感质量块，其厚度为整片SOI基片厚度，侧面的垂直度由优化了的深硅刻蚀工艺保证，其重心位于SOI基片的中心平面上；
[0010]包括四个对称分布在敏感质量块周围的蛇形梁型悬臂梁，蛇形梁型悬臂梁包括四个小直梁，其厚度为器件层的厚度，悬臂梁连接敏感质量块和硅基底，它与敏感质量块连接处位于敏感质量块的四个边角，悬臂梁的中心平面与SOI基片的中心平面重合；
[0011]包括一个厚度为五层SOI基片厚度的硅基底，硅基底与蛇形梁型悬臂梁末端相连；
[0012]包括镀在敏感质量块上表面的高反膜，高反膜由金属和起保护作用的介质膜共同组成，充当了光栅干涉腔中的反射膜；
[0013]本发明上述微机械敏感结构用于制造高精度单轴光学微加速度计，其具有超高加速度位移灵敏度。
[0014]所述的硅基底中心开有方形通槽，敏感质量块置于方形通槽中，敏感质量块四周侧面分别经各自的蛇形梁型悬臂梁与方形通槽的内侧面连接，四个蛇形梁型悬臂梁结构相同并以敏感质量块中心呈中心对称分布在敏感质量块四周，硅基底底面置于衬底上，衬底中心开有用于使敏感质量块悬浮的方形凹槽，方形凹槽与方形通槽大小相同。
[0015]所述的蛇形梁型悬臂梁主要由股梁、第一蜿蜒梁、第二蜿蜒梁、胫梁的四个直梁依次相连构成:股梁一端连接到敏感质量块边角处的一侧面，股梁侧面与敏感质量块边角处的另一侧面重合，股梁垂直于所连接的敏感质量块的侧面向外延伸布置;股梁另一端与第一蜿蜒梁一端连接，第一蜿蜒梁垂直于股梁并且向敏感质量块另一边角延伸布置;第一蜿蜒梁另一端与第二蜿蜒梁一端连接，第二蜿蜒梁垂直于第一蜿蜒梁并连接在第一蜿蜒梁外侧，股梁和第二蜿蜒梁分别连接在第一蜿蜒梁两侧;第二蜿蜒梁另一端与胫梁一端连接，胫梁平行于第一蜿蜒梁并且向敏感质量块连接股梁的一边角延伸布置，胫梁另一端连接到硅基底方形通槽的内侧面。
[0016]所述蛇形梁型悬臂梁中，相邻直梁相连接的拐角处、直梁与敏感质量块连接处、直梁与硅基底连接处均有用于以避免残余应力集中的圆面倒角，圆面倒角的半径为20μπι?50
μ??ο
[0017]所述的高反膜包括金属膜和保护金属膜的介质膜，金属膜覆于敏感质量块的顶面，介质膜覆于金属膜表面。
[0018]所述的敏感质量块、蛇形梁型悬臂梁和硅基底的中心水平面重合，所述的微机械敏感结构的加速度敏感方向与其中心平面垂直。
[0019]所述的敏感质量块和硅基底均采用SOI基片制作，敏感质量块和硅基底的厚度相同且均为整片SOI基片的厚度，蛇形梁型悬臂梁为SOI基片中的单晶硅器件层制作，蛇形梁型悬臂梁的厚度等于SOI基片中单晶硅器件层的厚度；SOI基片采用高度对称的五层基片，基片由上到下分别为第一基底层、第一埋氧层、器件层、第二埋氧层和第二基底层。
[0020]第一基底层和第二基底层为厚度相同的单晶硅，其厚度为150μπι?250μπι;器件层为厚度相同的单晶硅，其厚度为5?15μπι;第一埋氧层和第二埋氧层为厚度相同的二氧化硅，其厚度为2μπι左右。SOI基片各层的具体厚度可以根据所需目标性能进行调整，敏感质量块和硅基底的厚度由五层SOI基片的总厚度决定，悬臂梁的厚度由两层埋氧层精确控制，等于器件层的厚度。
[0021]悬臂梁的厚度远小于敏感质量块的厚度，两者厚度相差悬殊，以实现较大的敏感质量和较小的弹性系数。
[0022]所述蛇形梁型悬臂梁的四个直梁的宽度都在200μπι?300μπι间，厚度与其制作的器件层厚度一致，为5?15ym，长度分别为1.3?1.5mm、3.3mm?3.5mm、0.7?0.9mm、6.0?6.4_。敏感质量块的厚度为整片SOI基片的厚度，长宽为2.5?3.5_。硅基底的厚度为整个SOI基片的厚度，长宽都为13mm;其残余应力逼近2个重力单位下的单晶硅屈服极限。
[0023]二、一种超高加速度测量灵敏度的加速度计:
[0024]包括位移读出系统和上述的微机械敏感结构。所述的高反膜位于加速度计中位移读出系统的衍射光栅的正下方，高反膜与衍射光栅构成光栅干涉腔，高反膜作为光栅干涉腔的反射膜。
[0025]三、一种微机械敏感结构的制造方法，包括以下步骤:
[0026]I)制备包含第一基底层、第一埋氧层、器件层、第二埋氧层和第二基底层五层厚度以器件层上下对称的SOI基片，如图4所示；
[0027]2)在SOI基片上依次利用光刻、镀膜和剥离制作覆盖敏感质量块顶面的高反膜，如图5所示；
[0028]3)在SOI基片的第一基底层上依次利用光刻、深反应离子束刻蚀制作敏感质量块和硅基底的上半部分，如图6所示，其中深反应离子束刻蚀至第一埋氧层停止；
[0029]在进行敏感质量块和硅基底的制作时，光刻胶层的厚度需要达到ΙΟμπι以上以保证深硅刻蚀的深度，此时光刻胶的选择可以是ΑΖ4620。
[0030]4)利用缓冲的氢氟酸溶液(BOE)去除步骤3)获得的暴露的第一埋氧层，如图7所示，接着在器件层上依次利用喷胶、光刻、反应离子束刻蚀根据所需图形制作出蛇形梁型悬臂梁，如图8所示，其中反应离子束刻蚀穿透器件层和第二埋氧层后过刻至第二基底层；
[0031]在进行器件层上悬臂梁图形的制作时，喷胶的厚度需要保证胶层能够承受器件层的反应离子束刻蚀与后续第二埋氧层的刻蚀，此时光刻胶的选择为SPR胶。
[0032]完成悬臂梁图形的器件层刻蚀后，需要继续对器件层下的第二埋氧层进行刻蚀，并刻透第二埋氧层直至第二基底层，避免在进行背向深反应离子束刻蚀时因为腔体压差和应力造成的结构破裂，此时上一步覆盖在悬臂梁图形上的残胶不能去除，应作为掩膜继续进行反应离子束刻蚀。
[0033]5)将SOI基片倒置，如图9所示，在第二基底层上依次通过背向套刻、深反应离子束刻蚀制作敏感质量块和硅基底的下半部分，如图10所示，其中深反应离子束刻蚀至第二埋氧层停止；
[0034]6)利用缓冲的氢氟酸溶液(BOE)去除剩余暴露的第二埋氧层以释放所述的敏感质量块-悬臂梁-硅基底结构，如图11所示；
[0035]7)用单硅片制作中心带方形凹槽的衬底，如图12所示，将硅基底与衬底键合连接，如图13所示，再依次经去胶、退火释放残余应力后封装获得所述微机械敏感结构。
[0036]多个所述微机械敏感结构阵列地制作于同一整块SOI基片上，最后通过划片将各个微机械敏感结构分离开，为避免结构损毁，划片是预先刻蚀出划片槽再采用激光划片方式进行划片。
[0037]具体的，在进行图4的步骤时，需要对制备的五层SOI基片进行测试保证对称性和厚度的准确性。
[0038]具体的，在进行图5的步骤前，需要对所述五层SOI基片进行标准RCA清洗。
[0039]具体的，在进行图5的步骤时，需要用第一掩膜板和可反转的光刻胶做出镀膜用的掩膜图形，再分别镀上高反的金属膜和介质膜，最后采用剥离工艺去除非敏感质量块区域的膜层，得到高反膜。
[0040]具体的，在进行图6的步骤时，以厚胶AZ4620为光刻胶，利用第二掩膜板将敏感质量块和硅基底的图形转移到光刻胶上，再利用深反应离子束刻蚀过刻至第一埋氧层，制作出敏感质量块和硅基底的上半部分。
[0041]具体的，在进行图7的步骤时，利用缓冲的氢氟酸溶液去除所述五层SOI基片中敏感质量块与硅基底间暴露的第一埋氧层，可加入搅拌等步骤并稍微延长时间。
[0042]具体的，在进行图8的步骤时，先利用喷胶工艺将SPR胶喷至槽底的器件层上，保证覆盖度和胶层厚度足够刻蚀至第二基底层，再利用第三掩膜板将蛇形梁型悬臂梁图形转移至器件层上，最后利用深反应离子束刻蚀过刻至第二基底层制作出蛇形梁型悬臂梁。
[0043]具体的，在进行图10的步骤时，以厚胶AZ4620为光刻胶，利用背向套刻和第二掩膜板将敏感质量块与硅基底的图形转移至所述五层SOI基片下表面的光刻胶上，再利用深反应离子束刻蚀过刻至第二埋氧层，制作出敏感质量块和硅基底的下半部分。
[0044]具体的，在进行图11的步骤时，利用缓冲的氢氟酸溶液去除所述五层SOI基片中剩余暴露的第二埋氧层，该步骤不能引入晃动，可延长时间保证释放完全。
[0045]具体的，在进行图12的步骤时，以厚胶AZ4620为光刻胶，对单硅片进行深反应离子束刻蚀制作出带凹槽的衬底。
[0046]具体的，在进行图13的步骤时，先利用有机浸泡和干法等离子去胶的方式去除残胶以避免结构损毁，然后完成所述五层SOI基片与带凹槽的衬底15硅片的键合，并利用预留的划片槽采用激光划片的方式完成划片。
[0047]本发明制作方法在进行微机械敏感结构的释放以及去胶过程中，由于结构本身超小的弹性系数，应避免振动、搅拌等过程，去胶时结合有机水浴加热和干法等离子去胶的方式以保证微机械结构的完好。
[0048]所述蛇形梁型悬臂梁的厚度远小于敏感质量块的厚度，且其宽度、长度和形状经过特别的设计可达到超过150ym/g的加速度位移灵敏度并最终实现超过2000V/g的加速度测量灵敏度。
[0049]并且，悬臂梁拐角处以及与敏感质量块、硅基底的连接处均加入20μπι?50μπι的圆面倒角以避免结构的应力集中；该种微机械敏感结构可以在实现超小的弹性系数和超高的加速度位移灵敏度的同时，使结构中的最大应力接近但不超过单晶硅的屈服极限，保证一定的动态范围。
[0050]同时，该种微机械敏感结构的第一阶固有频率大于40Hz，保证加速度计具有一定的带宽；该种微机械敏感结构的敏感质量块重心位于悬臂梁的中心平面上，这保证了加速度计拥有较小的离轴串扰。
[0051]本发明的优点在于:
[0052]本发明采用特别设计的蛇形梁型悬臂梁，实现了超小的弹性系数，配合超大的敏感质量块，实现了大于150ym/g的超高加速度位移灵敏度，该种微机械敏感结构的加速度位移灵敏度接近了单晶硅材料所能达到的极限，配合基于光栅干涉腔的光学位移读出系统可以实现大于2000V/g的超高加速度测量灵敏度；
[0053]在悬臂梁拐角处及连接处引入了圆面倒角，减轻了应力集中现象，使得该微机械敏感结构受一定加速度作用时的最大应力大大降低，提高了加速度计的动态范围，同时，蛇形梁型悬臂梁的设计也可以有效避免单一增长梁长时的应力增大问题；
[0054]本发明的微机械敏感结构为高度对称的结构，质量块的重心位于悬臂梁的中心平面上，从根本上消除了由于非敏感轴向加速度导致的质量块敏感轴向位移以及转动，在保证超高加速度位移灵敏度的同时拥有很小的离轴串扰；
[0055]本发明采用的微加工制造工艺为较为成熟的工艺，干法刻蚀可以保证较高的深宽比和侧壁垂直度，且可与IC工艺兼容；
[0056]本发明采用的微加工制造工艺避免了微机械敏感结构成型后的振动和压强、应力失配，优化了去胶、刻蚀和划片流程，保证了很高的流片率。
【附图说明】
[0057]图1是光学微加速度计的原理示意图；
[0058]图2是本发明微机械敏感结构的俯视图；
[0059]图3是本发明微机械敏感结构的剖面图；
[0060]图4是本发明采用的五层SOI基片的剖面示意图；
[0061]图5-图13是本发明微机械敏感结构的制造工艺流程图，其中图5制作敏感质量块上表面的高反膜；图6刻蚀出敏感质量块和硅基底的上半部分；图7湿法腐蚀敏感质量块和硅基底间暴露的第一埋氧层；图8制作蛇形梁型悬臂梁图形并过刻至第二基底层；图9倒置五层SOI基片；图10制作敏感质量块和硅基底的下半部分;图11去除第二埋氧层释放弹性结构；图12刻蚀单硅片的凹槽作为衬底;图13键合五层SOI基片和硅片衬底并划片；
[0062]图14是该光学微加速度计的实验装置示意图；
[0063]图15是采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压关于敏感轴向加载的加速度的关系曲线图；
[0064]图16是采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压曲线在线性区域关于加速度的线性拟合图；
[0065]图17是采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压关于非敏感轴向加载的加速度的关系曲线图。
[0066]图中:位移读出系统1、微机械敏感结构2、激光光源3、偏振片4、四分之一波片5、衍射光栅6、信号光路光电探测器7、环境光路光电探测器8、入射激光束9、一级衍射干涉光束
1、敏感质量块11、蛇形梁型悬臂梁12、股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、胫梁124、硅基底13、高反膜14、衬底15、第一基底层16、第一埋氧层17、器件层18、第二埋氧层19、第二基底层20、高精度转台21、调整旋钮22、配重23、位移读出系统和微机械敏感结构组成的光学微加速度计24、第一跟随器25、第二跟随器26、差分放大器27、带通滤波器28、第三跟随器29、05?30、上位机31。
【具体实施方式】
[0067]以下将结合附图和特定的具体实例详细说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书了解本发明的其他优点与功效。需要说明的是，本实施例中提供的图示仅以示意图的方式说明本发明的基本构想，示意图中的有关组件并不一定按照实际实施中的组件数目、形状与尺寸绘制。
[0068]本发明的实施例及其实施过程如下:
[0069]如图1所示，本发明的微机械敏感结构2为无源器件，充当光学微加速度计中的加速度敏感模块;微机械敏感结构2包括敏感质量块11、镀在敏感质量块上高反膜14、相连在敏感质量块上的蛇形梁型悬臂梁12以及与蛇形梁型悬臂梁末端相连的硅基底13，微机械敏感结构2下部与带凹槽的衬底15相连构成敏感质量块-悬臂梁-硅基底的悬浮结构。
[0070]如图2和图3所示，硅基底13中心开有方形通槽，敏感质量块11置于方形通槽中，敏感质量块11四周侧面分别经各自的蛇形梁型悬臂梁12与方形通槽的内侧面连接，四个蛇形梁型悬臂梁12结构相同并以敏感质量块11中心呈中心对称分布在敏感质量块11四周，硅基底13底面置于衬底15上，衬底15中心开有用于使敏感质量块11悬浮的方形凹槽，方形凹槽与方形通槽大小相同。
[0071]如图2所示，蛇形梁型悬臂梁12主要由股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、胫梁124的四个直梁依次相连构成:股梁121—端连接到敏感质量块11边角处的一侧面，股梁121侧面与敏感质量块11边角处的另一侧面重合，股梁121垂直于所连接的敏感质量块11的侧面向外延伸布置;股梁121另一端与第一蜿蜒梁122—端连接，第一蜿蜒梁122垂直于股梁121并且向敏感质量块11另一边角延伸布置;第一蜿蜒梁122另一端与第二蜿蜒梁123—端连接，第二蜿蜒梁123垂直于第一蜿蜒梁122并连接在第一蜿蜒梁122外侧，股梁121和第二蜿蜒梁123分别连接在第一蜿蜒梁122两侧;第二蜿蜒梁123另一端与胫梁124—端连接，胫梁124平行于第一蜿蜒梁122并且向敏感质量块11连接股梁121的一边角延伸布置，胫梁124另一端连接到硅基底13方形通槽的内侧面。
[0072]蛇形梁型悬臂梁12中，相邻直梁相连接的拐角处、直梁与敏感质量块11连接处、直梁与硅基底13连接处均有用于以避免残余应力集中的圆面倒角，圆面倒角的半径为20μπι?5 Oum ο
[0073]本发明提供的具有超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构应用于光学微加速度计中，目的是配合基于光栅干涉腔的位移读出系统实现大于150ym/g的加速度位移灵敏度和大于2000V/g的加速度测量灵敏度。如图1所示，光学微加速度计主要由基于光栅干涉腔的位移读出系统I和微机械敏感结构2两部分组成。其中位移读出系统I包含:激光光源3、由偏振片4和四分之一波片5构成的光隔离器、衍射光栅6、信号光路光电探测器7、环境光路光电探测器8、敏感质量块上的高反膜14;微机械敏感结构包含:敏感质量块11、蛇形梁型悬臂梁12、硅基底13、带凹槽的衬底14、敏感质量块上的高反膜14。激光光源3输出波长为632.8nm的入射激光束9，一级衍射干涉光束10中的光强信息包含了敏感质量块11的位移信息，该位移信息又与输入加速度有着明确的关系。
[0074]本发明光学微加速度计的工作原理如下:激光光源3发射出入射激光束9，该激光束经过由偏振片4和四分之一波片5构成的光隔离器垂直入射到衍射光栅6上，其中一部分激光发生反射式衍射，另一部分透过衍射光栅6被高反膜14反射再次通过衍射光栅6发生透射式衍射。两种衍射光束发生干涉形成光强与敏感质量块的位移相关的光斑。保证衍射光栅6严格平行于高反膜14，则干涉光斑的位置不会发生变化，强度随着敏感质量块11的位移发生变化。具体地说，当有外界加速度作用于微机械敏感结构2上时，敏感质量块11受惯性力的作用会发生位移，该位移与微机械敏感结构2的加速度位移灵敏度以及加载的加速度大小有关。当施加的加速度在光学微加速度计的动态范围内时，敏感质量块11的位移量与施加的加速度呈线性关系。通过基于光栅干涉腔的光学位移读出系统I可以高精度地测量出该位移量，从而获得施加加速度的大小。
[0075]为了提高微机械敏感结构2的加速度位移灵敏度，应设计拥有尽可能小的弹性系数的悬臂梁结构，但是弹性系数的下降往往会带来相同负载下最大应力的提升、带宽的降低，并会使得结构变得脆弱，降低微加速度计的动态范围。受限于材料的屈服强度，微机械敏感结构2的加速度位移灵敏度不能无限提高，并且其结构参数的设计也需要考虑到加速度计所需要的工作带宽和工艺难度。本发明提供的蛇形梁型悬臂梁12拥有四个宽度相同的部分，其厚度为器件层的厚度，远小于敏感质量块11即整个SOI基片的厚度，且长度、宽度经过优化设计拥有超低的弹性系数。蛇形梁的设计有效减小了相同负载下最大应力随着加速度位移灵敏度上升的问题，同时本发明通过引入圆面倒角避免了应力集中的问题，一定程度上缓解了加速度位移灵敏度和动态范围的矛盾。本发明还保证了微机械敏感结构2拥有几十赫兹的固有频率，使得该种微加速度计拥有一定的带宽。此外，由于该结构是一种高度对称的结构，敏感质量块11的重心精确位于蛇形梁型悬臂梁12的中心平面上，因此本发明还能够在实现超高加速度测量灵敏度的同时，抑制离轴串扰。
[0076]参阅图5至图13，本发明实施例制造工艺还需制作四块掩膜板，用于进行光刻。通过电子束光刻制备光刻所需的掩膜板，掩膜板包括:敏感质量块上高反膜对应的第一掩膜板，敏感质量块与硅基底对应的第二掩膜板，蛇形梁型悬臂梁的第三掩膜板，带凹槽的衬底对应的第四掩膜板。
[0077]在所述SOI基片的第一基底层上表面通过光刻、镀膜和剥离工艺制作敏感质量块上的高反膜，其中光刻用到的掩膜板为第一掩膜板，所用的光刻胶一般为可以反转的AZ5214。
[0078]在所述SOI基片的第一基底层上通过光刻、深反应离子束刻蚀工艺刻透第一基底层至第一埋氧层制作敏感质量块和硅基底的上半部分，其中光刻用到的掩膜板为第二掩膜板，所用的光刻胶一般为厚胶AZ4620。
[0079]利用缓冲的氢氟酸(BOE)去除所述SOI基片中敏感质量块与硅基底间暴露的第一埋氧层。
[0080]在所述SOI基片的器件层上通过喷胶、反应离子束刻蚀工艺制作蛇形梁型悬臂梁图形，刻蚀刻透器件层和第二埋氧层，过刻至第二基底层，其中光刻用到的掩膜板为第三掩膜板，所用的光刻胶一般为SPR220。
[0081]在所述SOI基片的第二基底层上通过背向套刻、深反应离子束刻蚀制作敏感质量块和硅基底的下半部分，刻蚀刻透第二基底层，至剩余的第二埋氧层停止，其中光刻用到的掩膜板为第二掩膜板，所用的光刻胶一般为厚胶AZ4620。
[0082]利用缓冲的氢氟酸(BOE)去除所述SOI基片中剩余暴露的第二埋氧层。
[0083]利用等离子去胶和有机溶液浸泡去除残胶并对所述敏感质量块-悬臂梁-硅基底结构进行退火处理释放残余应力。
[0084]利用第四掩膜板对一个硅片进行光刻、深反应离子束刻蚀制作带凹槽的衬底，并采用键合的方式将所述敏感质量块-悬臂梁-硅基底结构与衬底连接形成最终的微机械敏感结构。
[0085]在本实施例中，采用超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构已被应用于光学微加速度计中，具体的实验装置示意图如图14所示。其中，由基于光栅干涉腔的位移读出系统I和微机械敏感结构2组成的光学微加速度计24被固定在高精度转台21上，高精度转台21设有配重23，光电探测器7和8输出的信号经过两个第二跟随器25、26和差分放大电路27，再通过带通滤波器28进行信号调理，调理后的信号经过第三跟随器29被DSP30采集并输出到上位机31进行处理，得到加速度信号。
[0086]通过旋转调整旋钮22旋转加速度计使得在该种加速度计敏感轴方向加载不同大小的加速度。通过实验可以测得采用了超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构后光学微加速度计的加速度测量灵敏度。
[0087]图15为采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压关于敏感轴向加载的加速度的关系曲线图；图16是采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压曲线在线性区域关于加速度的线性拟合图。图中的曲线斜率反映了光学微加速度计的加速度测量灵敏度，而图15半周期对应的光波长也反映了微机械敏感结构2的加速度位移灵敏度。由图15和图16可知采用了蛇形梁型悬臂梁12的微机械敏感结构2拥有158ym/g的加速度位移灵敏度，而采用了微机械敏感结构2的光学微加速度计实现了 2486V/g的加速度测量灵敏度。其中得到该结果的微机械敏感结构2具体参数如下:蛇形梁型悬臂梁12的四个部分的宽度都为240μπι，厚度ΙΟμπι，股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、胫梁124的长度分别为1.4mm、3.42mm、0.8mm、6.18mm;敏感质量块的厚度为410μηι，长宽为3mm;娃基底的厚度也为410μπι，长宽都为13mm。引入的圆面倒角的半径为20μπι。图17是采用了微机械敏感结构2后的光学微加速度计的输出电压关于非敏感轴向加载的加速度的关系曲线图。由图17可见，本发明提供的微机械敏感结构2还可以有效地抑制离轴串扰，其输出的对比度在非敏感轴向加速度发生变化时基本不变。
[0088]综上所述，本发明特别设计了敏感质量块11-蛇形梁型悬臂梁12-硅基底13连接构成的弹性结构，优化了结构参数使得其加速度位移灵敏度接近了单晶硅的极限，并保证了一定的动态范围及带宽，提供的制造工艺已被实施例验证切实有效且流片率高，这为后期的大批量生产打下了基础。
[0089]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述微机械敏感结构(2)为无源器件，充当光学微加速度计中的加速度敏感模块;微机械敏感结构(2)包括敏感质量块(11 )、镀在敏感质量块上的高反膜(14 )、相连在敏感质量块上的蛇形梁型悬臂梁(12)以及与蛇形梁型悬臂梁末端相连的硅基底(13)，微机械敏感结构(2)下部与带凹槽的衬底(15)相连构成敏感质量块-悬臂梁-硅基底的悬浮结构。2.根据权利要求1所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述的硅基底(13)中心开有方形通槽，敏感质量块(11)置于方形通槽中，敏感质量块(11)四周侧面分别经各自的蛇形梁型悬臂梁(12)与方形通槽的内侧面连接，四个蛇形梁型悬臂梁(12)结构相同并以敏感质量块(11)中心呈中心对称分布在敏感质量块(11)四周，硅基底(13)底面置于衬底(15)上，衬底(15)中心开有用于使敏感质量块(11)悬浮的方形凹槽，方形凹槽与方形通槽大小相同。3.根据权利要求1或2所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述的蛇形梁型悬臂梁(12)主要由股梁(121)、第一蜿蜒梁(122)、第二蜿蜒梁(123)、胫梁(124)的四个直梁依次相连构成:股梁(121) —端连接到敏感质量块(11)边角处的一侧面，股梁(121)侧面与敏感质量块(11)边角处的另一侧面重合，股梁(121)向外延伸布置;股梁(121)另一端与第一蜿蜒梁(122) —端连接，第一蜿蜒梁(122)垂直于股梁(121)延伸布置;第一蜿蜒梁(122)另一端与第二蜿蜒梁(123)—端连接，第二蜿蜒梁(123)垂直于第一蜿蜒梁(122)，股梁(121)和第二蜿蜒梁(123)分别连接在第一蜿蜒梁(122)两侧;第二蜿蜒梁(123)另一端与胫梁(124)—端连接，胫梁(124)平行于第一蜿蜒梁(122)延伸布置，胫梁(124)另一端连接到硅基底(13)方形通槽的内侧面。4.根据权利要求1所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述的敏感质量块(U)、蛇形梁型悬臂梁(12)和硅基底(13)的中心水平面重合，所述的微机械敏感结构(2)的加速度敏感方向与其中心平面垂直。5.根据权利要求1所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述的敏感质量块(11)和硅基底(13)均采用SOI基片制作，蛇形梁型悬臂梁(12)为SOI基片中的单晶硅器件层制作，蛇形梁型悬臂梁(12)的厚度等于SOI基片中单晶硅器件层的厚度；SOI基片采用高度对称的五层基片，基片由上到下分别为第一基底层(16)、第一埋氧层(17)、器件层(18)、第二埋氧层(19)和第二基底层(20)。6.根据权利要求1或5所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构，其特征在于:所述的敏感质量块(11)的厚度为蛇形梁型悬臂梁(12)厚度的30?50倍。7.一种超高加速度测量灵敏度的加速度计，包括位移读出系统(I)和微机械敏感结构，其特征在于:微机械敏感结构采用权利要求1?6任一所述的微机械敏感结构(2)。8.根据权利要求1或7所述的一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构或者加速度计，其特征在于:所述的高反膜(14)位于加速度计中位移读出系统(I)的衍射光栅(6)的正下方，高反膜(14)与衍射光栅(6)构成光栅干涉腔，高反膜(14)作为光栅干涉腔的反射膜。9.一种用于制造权利要求1-6任一所述的微机械敏感结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤: I)制备包含第一基底层(16)、第一埋氧层(17)、器件层(18)、第二埋氧层(19)和第二基底层(20)五层厚度以器件层(18)上下对称的SOI基片； 2)在SOI基片上依次利用光刻、镀膜和剥离制作覆盖敏感质量块(II)顶面的高反膜(14)； 3)在SOI基片的第一基底层(16)上依次利用光刻、深反应离子束刻蚀制作敏感质量块(12)和硅基底(13)的上半部分，其中深反应离子束刻蚀至第一埋氧层(17)停止； 4)利用氢氟酸溶液去除步骤3)获得的暴露的第一埋氧层(17)，接着在器件层(18)上依次利用喷胶、光刻、反应离子束刻蚀制作出蛇形梁型悬臂梁(12)，其中反应离子束刻蚀穿透器件层(18)和第二埋氧层(19)后过刻至第二基底层(20); 5)将SOI基片倒置，在第二基底层(20)上依次通过背向套刻、深反应离子束刻蚀制作敏感质量块(12)和硅基底(13)的下半部分，其中深反应离子束刻蚀至第二埋氧层(19)停止； 6)利用氢氟酸溶液去除剩余暴露的第二埋氧层(19)； 7)用单硅片制作中心带方形凹槽的衬底(I5 )，将硅基底(I 3)与衬底(I 5)键合连接，再依次经去胶、退火释放残余应力后封装获得所述微机械敏感结构。10.根据权利要求9所述的一种微机械敏感结构的制造方法，其特征在于:多个所述微机械敏感结构阵列地制作于同一整块SOI基片上，最后通过划片将各个微机械敏感结构分离开，划片是预先刻蚀出划片槽再采用激光划片方式进行划片。
【文档编号】B81C3/00GK105858585SQ201610331559
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】卢乾波, 白剑, 汪凯巍, 焦旭芬, 韩丹丹, 陈佩文
【申请人】浙江大学