一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)。微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)包括敏感質(zhì)量塊、鍍?cè)诿舾匈|(zhì)量塊上的高反膜、相連在敏感質(zhì)量塊上的蛇形梁型懸臂梁以及與蛇形梁型懸臂梁末端相連的硅基底，微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)下部與帶凹槽的襯底相連，蛇形梁型懸臂梁主要由股梁、第一蜿蜒梁、第二蜿蜒梁、脛梁的四個(gè)直梁依次相連構(gòu)成。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了超高的加速度位移靈敏度，并且仍能保證較小的離軸串?dāng)_，微加工工藝可與IC工藝兼容，流片率高，易于大批量制作，配合基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超高的加速度測(cè)量靈敏度和精度。
【專利說(shuō)明】
一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)微加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]具有超高加速度測(cè)量靈敏度的加速度計(jì)在諸如慣性導(dǎo)航、微重力探測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，為滿足小型化和高精度軍事裝備和戰(zhàn)略武器裝備需求，設(shè)計(jì)制作微型化的高性能加速度計(jì)也成為了現(xiàn)階段加速度計(jì)的研究重點(diǎn)。加速度計(jì)的基本測(cè)量原理基于牛頓第二定律，它通常由機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)和位移讀出系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)中的敏感質(zhì)量塊受外界加速度的作用產(chǎn)生一個(gè)與加速度相關(guān)的位移量，位移讀出系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量該位移量得到加速度的值。加速度計(jì)的性能指標(biāo)由這兩部分同時(shí)決定。為了實(shí)現(xiàn)超高加速度測(cè)量靈敏度，必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的超高加速度位移靈敏度和位移讀出系統(tǒng)的超高位移測(cè)量靈敏度。目前基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的位移測(cè)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).]。為了實(shí)現(xiàn)超過(guò)2000V/g的加速度測(cè)量靈敏度，機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度必須超過(guò)ΙΟΟμπι/g。
[0003]目前有報(bào)道的微機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)和微光機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)的微機(jī)械敏感系統(tǒng)都無(wú)法達(dá)到ΙΟΟμπι/g的目標(biāo)靈敏度。如美國(guó)專利號(hào)為US6473187B1的專利“High-sensitivity interf erometric accelerometer”公開(kāi)了一種基于衍射光棚■干涉式的微光學(xué)加速度計(jì)，該種加速度計(jì)的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)為單一懸臂梁和質(zhì)量塊的形式，位移讀出系統(tǒng)由質(zhì)量塊末端的衍射光柵和基底上的光柵共同組成。該種加速度計(jì)能達(dá)到59V/g的加速度測(cè)量靈敏度，但其微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度僅為0.59ym/g。另外，美國(guó)專利號(hào)為US8783106B1 的專利“Micromachined force-balance feedback accelerometer withoptical displacement detect1n”公開(kāi)了一種基于亞波長(zhǎng)光學(xué)諧振器的微加速度計(jì)，其熱噪聲可以低至8ng/Hz1/2的量級(jí)，但其微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度在敏感軸向仍然只能達(dá)到20ym/g，這就導(dǎo)致它的加速度測(cè)量靈敏度只能達(dá)到590V/g，離2000V/g的目標(biāo)靈敏度仍有段距離。商用市場(chǎng)上的微加速度計(jì)離超高加速度測(cè)量靈敏度的目標(biāo)差距更為巨大，比如ADI公司的高精度加速度計(jì)AD)(L206只能做到312mV/g的加速度測(cè)量靈敏度；Endevc0公司的高性能加速度計(jì)752A的加速度測(cè)量靈敏度也僅為lV/g。
[0004]要提高微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度，就需要盡量大的敏感質(zhì)量和盡量小的彈性機(jī)構(gòu)的彈性系數(shù)，但這不僅會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)范圍和帶寬等性能指標(biāo)的降低，還對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的制造工藝提出了極高的要求。現(xiàn)有微加速度計(jì)由于沒(méi)有超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)及其制造方法，因此無(wú)法獲得超高的加速度測(cè)量靈敏度。
[0005]本實(shí)用新型提出了一種基于五層SOI基片的四蛇形梁型懸臂梁-敏感質(zhì)量塊-硅基底微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)與加速度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大敏感質(zhì)量和低彈性系數(shù)以及超高的加速度位移靈敏度，制造工藝的工藝流片率高，且能與現(xiàn)有微加工工藝很好兼容。本實(shí)用新型最終通過(guò)提高微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度并結(jié)合基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大于2000V/g的加速度測(cè)量靈敏度。
[0007]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一、一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu):
[0009]包括一個(gè)形狀為長(zhǎng)方體的巨大敏感質(zhì)量塊，其厚度為整片SOI基片厚度，側(cè)面的垂直度由優(yōu)化了的深硅刻蝕工藝保證，其重心位于SOI基片的中心平面上；
[0010]包括四個(gè)對(duì)稱分布在敏感質(zhì)量塊周圍的蛇形梁型懸臂梁，蛇形梁型懸臂梁包括四個(gè)小直梁，其厚度為器件層的厚度，懸臂梁連接敏感質(zhì)量塊和硅基底，它與敏感質(zhì)量塊連接處位于敏感質(zhì)量塊的四個(gè)邊角，懸臂梁的中心平面與SOI基片的中心平面重合；
[0011]包括一個(gè)厚度為五層SOI基片厚度的硅基底，硅基底與蛇形梁型懸臂梁末端相連；
[0012]包括鍍?cè)诿舾匈|(zhì)量塊上表面的高反膜，高反膜由金屬和起保護(hù)作用的介質(zhì)膜共同組成，充當(dāng)了光柵干涉腔中的反射膜；
[0013]本實(shí)用新型上述微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)用于制造高精度單軸光學(xué)微加速度計(jì)，其具有超高加速度位移靈敏度。
[0014]所述的硅基底中心開(kāi)有方形通槽，敏感質(zhì)量塊置于方形通槽中，敏感質(zhì)量塊四周側(cè)面分別經(jīng)各自的蛇形梁型懸臂梁與方形通槽的內(nèi)側(cè)面連接，四個(gè)蛇形梁型懸臂梁結(jié)構(gòu)相同并以敏感質(zhì)量塊中心呈中心對(duì)稱分布在敏感質(zhì)量塊四周，硅基底底面置于襯底上，襯底中心開(kāi)有用于使敏感質(zhì)量塊懸浮的方形凹槽，方形凹槽與方形通槽大小相同。
[0015]所述的蛇形梁型懸臂梁主要由股梁、第一蜿蜒梁、第二蜿蜒梁、脛梁的四個(gè)直梁依次相連構(gòu)成:股梁一端連接到敏感質(zhì)量塊邊角處的一側(cè)面，股梁側(cè)面與敏感質(zhì)量塊邊角處的另一側(cè)面重合，股梁垂直于所連接的敏感質(zhì)量塊的側(cè)面向外延伸布置;股梁另一端與第一蜿蜒梁一端連接，第一蜿蜒梁垂直于股梁并且向敏感質(zhì)量塊另一邊角延伸布置;第一蜿蜒梁另一端與第二蜿蜒梁一端連接，第二蜿蜒梁垂直于第一蜿蜒梁并連接在第一蜿蜒梁外側(cè)，股梁和第二蜿蜒梁分別連接在第一蜿蜒梁兩側(cè);第二蜿蜒梁另一端與脛梁一端連接，脛梁平行于第一蜿蜒梁并且向敏感質(zhì)量塊連接股梁的一邊角延伸布置，脛梁另一端連接到硅基底方形通槽的內(nèi)側(cè)面。
[0016]所述蛇形梁型懸臂梁中，相鄰直梁相連接的拐角處、直梁與敏感質(zhì)量塊連接處、直梁與硅基底連接處均有用于以避免殘余應(yīng)力集中的圓面倒角，圓面倒角的半徑為20μπι?50
μ??ο
[0017]所述的高反膜包括金屬膜和保護(hù)金屬膜的介質(zhì)膜，金屬膜覆于敏感質(zhì)量塊的頂面，介質(zhì)膜覆于金屬膜表面。
[0018]所述的敏感質(zhì)量塊、蛇形梁型懸臂梁和硅基底的中心水平面重合，所述的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度敏感方向與其中心平面垂直。
[0019]所述的敏感質(zhì)量塊和硅基底均采用SOI基片制作，敏感質(zhì)量塊和硅基底的厚度相同且均為整片SOI基片的厚度，蛇形梁型懸臂梁為SOI基片中的單晶硅器件層制作，蛇形梁型懸臂梁的厚度等于SOI基片中單晶硅器件層的厚度；SOI基片采用高度對(duì)稱的五層基片，基片由上到下分別為第一基底層、第一埋氧層、器件層、第二埋氧層和第二基底層。
[0020]第一基底層和第二基底層為厚度相同的單晶硅，其厚度為150μπι?250μπι;器件層為厚度相同的單晶硅，其厚度為5?15μπι;第一埋氧層和第二埋氧層為厚度相同的二氧化硅，其厚度為2μπι左右。SOI基片各層的具體厚度可以根據(jù)所需目標(biāo)性能進(jìn)行調(diào)整，敏感質(zhì)量塊和硅基底的厚度由五層SOI基片的總厚度決定，懸臂梁的厚度由兩層埋氧層精確控制，等于器件層的厚度。
[0021]懸臂梁的厚度遠(yuǎn)小于敏感質(zhì)量塊的厚度，兩者厚度相差懸殊，以實(shí)現(xiàn)較大的敏感質(zhì)量和較小的彈性系數(shù)。
[0022]所述蛇形梁型懸臂梁的四個(gè)直梁的寬度都在200μπι?300μπι間，厚度與其制作的器件層厚度一致，為5?15ym，長(zhǎng)度分別為I.3?I.5謹(jǐn)、3.3mm?3.5謹(jǐn)、0.7?0.9謹(jǐn)、6.0?
6.4_。敏感質(zhì)量塊的厚度為整片SOI基片的厚度，長(zhǎng)寬為2.5?3.5_。硅基底的厚度為整個(gè)SOI基片的厚度，長(zhǎng)寬都為13mm;其殘余應(yīng)力逼近2個(gè)重力單位下的單晶硅屈服極限。
[0023]二、一種超高加速度測(cè)量靈敏度的加速度計(jì):
[0024]包括位移讀出系統(tǒng)和上述的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)。所述的高反膜位于加速度計(jì)中位移讀出系統(tǒng)的衍射光柵的正下方，高反膜與衍射光柵構(gòu)成光柵干涉腔，高反膜作為光柵干涉腔的反射膜。
[0025]本發(fā)明的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)課采用以下方式進(jìn)行制造:
[0026]I)制備包含第一基底層、第一埋氧層、器件層、第二埋氧層和第二基底層五層厚度以器件層上下對(duì)稱的SOI基片，如圖4所示；
[0027]2)在SOI基片上依次利用光刻、鍍膜和剝離制作覆蓋敏感質(zhì)量塊頂面的高反膜，如圖5所示；
[0028]3)在SOI基片的第一基底層上依次利用光刻、深反應(yīng)離子束刻蝕制作敏感質(zhì)量塊和硅基底的上半部分，如圖6所示，其中深反應(yīng)離子束刻蝕至第一埋氧層停止；
[0029]在進(jìn)行敏感質(zhì)量塊和硅基底的制作時(shí)，光刻膠層的厚度需要達(dá)到ΙΟμπι以上以保證深硅刻蝕的深度，此時(shí)光刻膠的選擇可以是ΑΖ4620。
[0030]4)利用緩沖的氫氟酸溶液(BOE)去除步驟3)獲得的暴露的第一埋氧層，如圖7所示，接著在器件層上依次利用噴膠、光刻、反應(yīng)離子束刻蝕根據(jù)所需圖形制作出蛇形梁型懸臂梁，如圖8所示，其中反應(yīng)離子束刻蝕穿透器件層和第二埋氧層后過(guò)刻至第二基底層；
[0031]在進(jìn)行器件層上懸臂梁圖形的制作時(shí)，噴膠的厚度需要保證膠層能夠承受器件層的反應(yīng)離子束刻蝕與后續(xù)第二埋氧層的刻蝕，此時(shí)光刻膠的選擇為SPR膠。
[0032]完成懸臂梁圖形的器件層刻蝕后，需要繼續(xù)對(duì)器件層下的第二埋氧層進(jìn)行刻蝕，并刻透第二埋氧層直至第二基底層，避免在進(jìn)行背向深反應(yīng)離子束刻蝕時(shí)因?yàn)榍惑w壓差和應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)破裂，此時(shí)上一步覆蓋在懸臂梁圖形上的殘膠不能去除，應(yīng)作為掩膜繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)離子束刻蝕。
[0033]5)將SOI基片倒置，如圖9所示，在第二基底層上依次通過(guò)背向套刻、深反應(yīng)離子束刻蝕制作敏感質(zhì)量塊和硅基底的下半部分，如圖10所示，其中深反應(yīng)離子束刻蝕至第二埋氧層停止；
[0034]6)利用緩沖的氫氟酸溶液(BOE)去除剩余暴露的第二埋氧層以釋放所述的敏感質(zhì)量塊-懸臂梁-硅基底結(jié)構(gòu)，如圖11所示；
[0035]7)用單硅片制作中心帶方形凹槽的襯底，如圖12所示，將硅基底與襯底鍵合連接，如圖13所示，再依次經(jīng)去膠、退火釋放殘余應(yīng)力后封裝獲得所述微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)。
[0036]多個(gè)所述微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)陣列地制作于同一整塊SOI基片上，最后通過(guò)劃片將各個(gè)微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)分離開(kāi)，為避免結(jié)構(gòu)損毀，劃片是預(yù)先刻蝕出劃片槽再采用激光劃片方式進(jìn)行劃片。
[0037]具體的，在進(jìn)行圖4的步驟時(shí)，需要對(duì)制備的五層SOI基片進(jìn)行測(cè)試保證對(duì)稱性和厚度的準(zhǔn)確性。
[0038]具體的，在進(jìn)行圖5的步驟前，需要對(duì)所述五層SOI基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗。
[0039]具體的，在進(jìn)行圖5的步驟時(shí)，需要用第一掩膜板和可反轉(zhuǎn)的光刻膠做出鍍膜用的掩膜圖形，再分別鍍上高反的金屬膜和介質(zhì)膜，最后采用剝離工藝去除非敏感質(zhì)量塊區(qū)域的膜層，得到高反膜。
[0040]具體的，在進(jìn)行圖6的步驟時(shí)，以厚膠AZ4620為光刻膠，利用第二掩膜板將敏感質(zhì)量塊和硅基底的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，再利用深反應(yīng)離子束刻蝕過(guò)刻至第一埋氧層，制作出敏感質(zhì)量塊和硅基底的上半部分。
[0041]具體的，在進(jìn)行圖7的步驟時(shí)，利用緩沖的氫氟酸溶液去除所述五層SOI基片中敏感質(zhì)量塊與硅基底間暴露的第一埋氧層，可加入攪拌等步驟并稍微延長(zhǎng)時(shí)間。
[0042]具體的，在進(jìn)行圖8的步驟時(shí)，先利用噴膠工藝將SPR膠噴至槽底的器件層上，保證覆蓋度和膠層厚度足夠刻蝕至第二基底層，再利用第三掩膜板將蛇形梁型懸臂梁圖形轉(zhuǎn)移至器件層上，最后利用深反應(yīng)離子束刻蝕過(guò)刻至第二基底層制作出蛇形梁型懸臂梁。
[0043]具體的，在進(jìn)行圖10的步驟時(shí)，以厚膠AZ4620為光刻膠，利用背向套刻和第二掩膜板將敏感質(zhì)量塊與硅基底的圖形轉(zhuǎn)移至所述五層SOI基片下表面的光刻膠上，再利用深反應(yīng)離子束刻蝕過(guò)刻至第二埋氧層，制作出敏感質(zhì)量塊和硅基底的下半部分。
[0044]具體的，在進(jìn)行圖11的步驟時(shí)，利用緩沖的氫氟酸溶液去除所述五層SOI基片中剩余暴露的第二埋氧層，該步驟不能引入晃動(dòng)，可延長(zhǎng)時(shí)間保證釋放完全。
[0045]具體的，在進(jìn)行圖12的步驟時(shí)，以厚膠AZ4620為光刻膠，對(duì)單硅片進(jìn)行深反應(yīng)離子束刻蝕制作出帶凹槽的襯底。
[0046]具體的，在進(jìn)行圖13的步驟時(shí)，先利用有機(jī)浸泡和干法等離子去膠的方式去除殘膠以避免結(jié)構(gòu)損毀，然后完成所述五層SOI基片與帶凹槽的襯底15硅片的鍵合，并利用預(yù)留的劃片槽采用激光劃片的方式完成劃片。
[0047]本實(shí)用新型制作方法在進(jìn)行微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的釋放以及去膠過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)本身超小的彈性系數(shù)，應(yīng)避免振動(dòng)、攪拌等過(guò)程，去膠時(shí)結(jié)合有機(jī)水浴加熱和干法等離子去膠的方式以保證微機(jī)械結(jié)構(gòu)的完好。
[0048]所述蛇形梁型懸臂梁的厚度遠(yuǎn)小于敏感質(zhì)量塊的厚度，且其寬度、長(zhǎng)度和形狀經(jīng)過(guò)特別的設(shè)計(jì)可達(dá)到超過(guò)150ym/g的加速度位移靈敏度并最終實(shí)現(xiàn)超過(guò)2000V/g的加速度測(cè)量靈敏度。
[0049]并且，懸臂梁拐角處以及與敏感質(zhì)量塊、硅基底的連接處均加入20μπι?50μπι的圓面倒角以避免結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中；該種微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)可以在實(shí)現(xiàn)超小的彈性系數(shù)和超高的加速度位移靈敏度的同時(shí)，使結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力接近但不超過(guò)單晶硅的屈服極限，保證一定的動(dòng)態(tài)范圍。
[0050]同時(shí)，該種微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的第一階固有頻率大于40Hz，保證加速度計(jì)具有一定的帶寬；該種微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的敏感質(zhì)量塊重心位于懸臂梁的中心平面上，這保證了加速度計(jì)擁有較小的離軸串?dāng)_。
[0051 ]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0052]本實(shí)用新型采用特別設(shè)計(jì)的蛇形梁型懸臂梁，實(shí)現(xiàn)了超小的彈性系數(shù)，配合超大的敏感質(zhì)量塊，實(shí)現(xiàn)了大于150ym/g的超高加速度位移靈敏度，該種微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的加速度位移靈敏度接近了單晶硅材料所能達(dá)到的極限，配合基于光柵干涉腔的光學(xué)位移讀出系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大于2000V/g的超高加速度測(cè)量靈敏度；
[0053]在懸臂梁拐角處及連接處引入了圓面倒角，減輕了應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得該微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)受一定加速度作用時(shí)的最大應(yīng)力大大降低，提高了加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)，蛇形梁型懸臂梁的設(shè)計(jì)也可以有效避免單一增長(zhǎng)梁長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力增大問(wèn)題；
[0054]本實(shí)用新型的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)為高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊的重心位于懸臂梁的中心平面上，從根本上消除了由于非敏感軸向加速度導(dǎo)致的質(zhì)量塊敏感軸向位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)，在保證超高加速度位移靈敏度的同時(shí)擁有很小的離軸串?dāng)_；
[0055]本實(shí)用新型采用的微加工制造工藝為較為成熟的工藝，干法刻蝕可以保證較高的深寬比和側(cè)壁垂直度，且可與IC工藝兼容；
[0056]本實(shí)用新型采用的微加工制造工藝避免了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)成型后的振動(dòng)和壓強(qiáng)、應(yīng)力失配，優(yōu)化了去膠、刻蝕和劃片流程，保證了很高的流片率。
【附圖說(shuō)明】
[0057]圖1是光學(xué)微加速度計(jì)的原理示意圖；
[0058]圖2是本實(shí)用新型微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0059]圖3是本實(shí)用新型微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0060]圖4是本實(shí)用新型采用的五層SOI基片的剖面示意圖；
[0061]圖5-圖13是本實(shí)用新型微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)的制造工藝流程圖，其中圖5制作敏感質(zhì)量塊上表面的高反膜；圖6刻蝕出敏感質(zhì)量塊和硅基底的上半部分；圖7濕法腐蝕敏感質(zhì)量塊和硅基底間暴露的第一埋氧層；圖8制作蛇形梁型懸臂梁圖形并過(guò)刻至第二基底層；圖9倒置五層SOI基片；圖10制作敏感質(zhì)量塊和硅基底的下半部分；圖11去除第二埋氧層釋放彈性結(jié)構(gòu)；圖12刻蝕單硅片的凹槽作為襯底;圖13鍵合五層SOI基片和硅片襯底并劃片；
[0062]圖14是該光學(xué)微加速度計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；
[0063]圖15是采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓關(guān)于敏感軸向加載的加速度的關(guān)系曲線圖；
[0064]圖16是采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓曲線在線性區(qū)域關(guān)于加速度的線性擬合圖；
[0065]圖17是采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓關(guān)于非敏感軸向加載的加速度的關(guān)系曲線圖。
[0066]圖中:位移讀出系統(tǒng)1、微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2、激光光源3、偏振片4、四分之一波片5、衍射光柵6、信號(hào)光路光電探測(cè)器7、環(huán)境光路光電探測(cè)器8、入射激光束9、一級(jí)衍射干涉光束1、敏感質(zhì)量塊11、蛇形梁型懸臂梁12、股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、脛梁124、硅基底13、高反膜14、襯底15、第一基底層16、第一埋氧層17、器件層18、第二埋氧層19、第二基底層20、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)21、調(diào)整旋鈕22、配重23、位移讀出系統(tǒng)和微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)組成的光學(xué)微加速度計(jì)24、第一跟隨器25、第二跟隨器26、差分放大器27、帶通濾波器28、第三跟隨器29、05?30、上位機(jī)31。
【具體實(shí)施方式】
[0067]以下將結(jié)合附圖和特定的具體實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中提供的圖示僅以示意圖的方式說(shuō)明本實(shí)用新型的基本構(gòu)想，示意圖中的有關(guān)組件并不一定按照實(shí)際實(shí)施中的組件數(shù)目、形狀與尺寸繪制。
[0068]本實(shí)用新型的實(shí)施例及其實(shí)施過(guò)程如下:
[0069]如圖1所示，本實(shí)用新型的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2為無(wú)源器件，充當(dāng)光學(xué)微加速度計(jì)中的加速度敏感模塊;微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2包括敏感質(zhì)量塊11、鍍?cè)诿舾匈|(zhì)量塊上高反膜14、相連在敏感質(zhì)量塊上的蛇形梁型懸臂梁12以及與蛇形梁型懸臂梁末端相連的硅基底13，微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2下部與帶凹槽的襯底15相連構(gòu)成敏感質(zhì)量塊-懸臂梁-硅基底的懸浮結(jié)構(gòu)。
[0070]如圖2和圖3所示，硅基底13中心開(kāi)有方形通槽，敏感質(zhì)量塊11置于方形通槽中，敏感質(zhì)量塊11四周側(cè)面分別經(jīng)各自的蛇形梁型懸臂梁12與方形通槽的內(nèi)側(cè)面連接，四個(gè)蛇形梁型懸臂梁12結(jié)構(gòu)相同并以敏感質(zhì)量塊11中心呈中心對(duì)稱分布在敏感質(zhì)量塊11四周，硅基底13底面置于襯底15上，襯底15中心開(kāi)有用于使敏感質(zhì)量塊11懸浮的方形凹槽，方形凹槽與方形通槽大小相同。
[0071]如圖2所示，蛇形梁型懸臂梁12主要由股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、脛梁124的四個(gè)直梁依次相連構(gòu)成:股梁121—端連接到敏感質(zhì)量塊11邊角處的一側(cè)面，股梁121側(cè)面與敏感質(zhì)量塊11邊角處的另一側(cè)面重合，股梁121垂直于所連接的敏感質(zhì)量塊11的側(cè)面向外延伸布置;股梁121另一端與第一蜿蜒梁122—端連接，第一蜿蜒梁122垂直于股梁121并且向敏感質(zhì)量塊11另一邊角延伸布置;第一蜿蜒梁122另一端與第二蜿蜒梁123—端連接，第二蜿蜒梁123垂直于第一蜿蜒梁122并連接在第一蜿蜒梁122外側(cè)，股梁121和第二蜿蜒梁123分別連接在第一蜿蜒梁122兩側(cè);第二蜿蜒梁123另一端與脛梁124—端連接，脛梁124平行于第一蜿蜒梁122并且向敏感質(zhì)量塊11連接股梁121的一邊角延伸布置，脛梁124另一端連接到硅基底13方形通槽的內(nèi)側(cè)面。
[0072]蛇形梁型懸臂梁12中，相鄰直梁相連接的拐角處、直梁與敏感質(zhì)量塊11連接處、直梁與硅基底13連接處均有用于以避免殘余應(yīng)力集中的圓面倒角，圓面倒角的半徑為20μπι?5 Oum ο
[0073]本實(shí)用新型提供的具有超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)用于光學(xué)微加速度計(jì)中，目的是配合基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大于150ym/g的加速度位移靈敏度和大于2000V/g的加速度測(cè)量靈敏度。如圖1所示，光學(xué)微加速度計(jì)主要由基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)I和微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2兩部分組成。其中位移讀出系統(tǒng)I包含:激光光源3、由偏振片4和四分之一波片5構(gòu)成的光隔離器、衍射光柵6、信號(hào)光路光電探測(cè)器7、環(huán)境光路光電探測(cè)器8、敏感質(zhì)量塊上的高反膜14 ；微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)包含:敏感質(zhì)量塊11、蛇形梁型懸臂梁12、硅基底13、帶凹槽的襯底14、敏感質(zhì)量塊上的高反膜14。激光光源3輸出波長(zhǎng)為632.8nm的入射激光束9，一級(jí)衍射干涉光束10中的光強(qiáng)信息包含了敏感質(zhì)量塊11的位移信息，該位移信息又與輸入加速度有著明確的關(guān)系。
[0074]本實(shí)用新型光學(xué)微加速度計(jì)的工作原理如下:激光光源3發(fā)射出入射激光束9，該激光束經(jīng)過(guò)由偏振片4和四分之一波片5構(gòu)成的光隔離器垂直入射到衍射光柵6上，其中一部分激光發(fā)生反射式衍射，另一部分透過(guò)衍射光柵6被高反膜14反射再次通過(guò)衍射光柵6發(fā)生透射式衍射。兩種衍射光束發(fā)生干涉形成光強(qiáng)與敏感質(zhì)量塊的位移相關(guān)的光斑。保證衍射光柵6嚴(yán)格平行于高反膜14，則干涉光斑的位置不會(huì)發(fā)生變化，強(qiáng)度隨著敏感質(zhì)量塊11的位移發(fā)生變化。具體地說(shuō)，當(dāng)有外界加速度作用于微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2上時(shí)，敏感質(zhì)量塊11受慣性力的作用會(huì)發(fā)生位移，該位移與微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2的加速度位移靈敏度以及加載的加速度大小有關(guān)。當(dāng)施加的加速度在光學(xué)微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)時(shí)，敏感質(zhì)量塊11的位移量與施加的加速度呈線性關(guān)系。通過(guò)基于光柵干涉腔的光學(xué)位移讀出系統(tǒng)I可以高精度地測(cè)量出該位移量，從而獲得施加加速度的大小。
[0075]為了提高微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2的加速度位移靈敏度，應(yīng)設(shè)計(jì)擁有盡可能小的彈性系數(shù)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，但是彈性系數(shù)的下降往往會(huì)帶來(lái)相同負(fù)載下最大應(yīng)力的提升、帶寬的降低，并會(huì)使得結(jié)構(gòu)變得脆弱，降低微加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍。受限于材料的屈服強(qiáng)度，微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2的加速度位移靈敏度不能無(wú)限提高，并且其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)也需要考慮到加速度計(jì)所需要的工作帶寬和工藝難度。本實(shí)用新型提供的蛇形梁型懸臂梁12擁有四個(gè)寬度相同的部分，其厚度為器件層的厚度，遠(yuǎn)小于敏感質(zhì)量塊11即整個(gè)SOI基片的厚度，且長(zhǎng)度、寬度經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)擁有超低的彈性系數(shù)。蛇形梁的設(shè)計(jì)有效減小了相同負(fù)載下最大應(yīng)力隨著加速度位移靈敏度上升的問(wèn)題，同時(shí)本實(shí)用新型通過(guò)引入圓面倒角避免了應(yīng)力集中的問(wèn)題，一定程度上緩解了加速度位移靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的矛盾。本實(shí)用新型還保證了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2擁有幾十赫茲的固有頻率，使得該種微加速度計(jì)擁有一定的帶寬。此外，由于該結(jié)構(gòu)是一種高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，敏感質(zhì)量塊11的重心精確位于蛇形梁型懸臂梁12的中心平面上，因此本實(shí)用新型還能夠在實(shí)現(xiàn)超高加速度測(cè)量靈敏度的同時(shí)，抑制離軸串?dāng)_。
[0076]參閱圖5至圖13，本實(shí)用新型實(shí)施例制造工藝還需制作四塊掩膜板，用于進(jìn)行光亥IJ。通過(guò)電子束光刻制備光刻所需的掩膜板，掩膜板包括:敏感質(zhì)量塊上高反膜對(duì)應(yīng)的第一掩膜板，敏感質(zhì)量塊與硅基底對(duì)應(yīng)的第二掩膜板，蛇形梁型懸臂梁的第三掩膜板，帶凹槽的襯底對(duì)應(yīng)的第四掩膜板。
[0077]在所述SOI基片的第一基底層上表面通過(guò)光刻、鍍膜和剝離工藝制作敏感質(zhì)量塊上的高反膜，其中光刻用到的掩膜板為第一掩膜板，所用的光刻膠一般為可以反轉(zhuǎn)的AZ5214。
[0078]在所述SOI基片的第一基底層上通過(guò)光刻、深反應(yīng)離子束刻蝕工藝刻透第一基底層至第一埋氧層制作敏感質(zhì)量塊和硅基底的上半部分，其中光刻用到的掩膜板為第二掩膜板，所用的光刻膠一般為厚膠AZ4620。
[0079]利用緩沖的氫氟酸(BOE)去除所述SOI基片中敏感質(zhì)量塊與硅基底間暴露的第一埋氧層。
[0080]在所述SOI基片的器件層上通過(guò)噴膠、反應(yīng)離子束刻蝕工藝制作蛇形梁型懸臂梁圖形，刻蝕刻透器件層和第二埋氧層，過(guò)刻至第二基底層，其中光刻用到的掩膜板為第三掩膜板，所用的光刻膠一般為SPR220。
[0081]在所述SOI基片的第二基底層上通過(guò)背向套刻、深反應(yīng)離子束刻蝕制作敏感質(zhì)量塊和硅基底的下半部分，刻蝕刻透第二基底層，至剩余的第二埋氧層停止，其中光刻用到的掩膜板為第二掩膜板，所用的光刻膠一般為厚膠AZ4620。
[0082]利用緩沖的氫氟酸(BOE)去除所述SOI基片中剩余暴露的第二埋氧層。
[0083]利用等離子去膠和有機(jī)溶液浸泡去除殘膠并對(duì)所述敏感質(zhì)量塊-懸臂梁-硅基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理釋放殘余應(yīng)力。
[0084]利用第四掩膜板對(duì)一個(gè)硅片進(jìn)行光刻、深反應(yīng)離子束刻蝕制作帶凹槽的襯底，并采用鍵合的方式將所述敏感質(zhì)量塊-懸臂梁-硅基底結(jié)構(gòu)與襯底連接形成最終的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)。
[0085]在本實(shí)施例中，采用超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用于光學(xué)微加速度計(jì)中，具體的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖14所示。其中，由基于光柵干涉腔的位移讀出系統(tǒng)I和微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2組成的光學(xué)微加速度計(jì)24被固定在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)21上，高精度轉(zhuǎn)臺(tái)21設(shè)有配重23，光電探測(cè)器7和8輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)第二跟隨器25、26和差分放大電路27，再通過(guò)帶通濾波器28進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)第三跟隨器29被DSP30采集并輸出到上位機(jī)31進(jìn)行處理，得到加速度信號(hào)。
[0086]通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)整旋鈕22旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)使得在該種加速度計(jì)敏感軸方向加載不同大小的加速度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得采用了超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)后光學(xué)微加速度計(jì)的加速度測(cè)量靈敏度。
[0087]圖15為采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓關(guān)于敏感軸向加載的加速度的關(guān)系曲線圖；圖16是采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓曲線在線性區(qū)域關(guān)于加速度的線性擬合圖。圖中的曲線斜率反映了光學(xué)微加速度計(jì)的加速度測(cè)量靈敏度，而圖15半周期對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)也反映了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2的加速度位移靈敏度。由圖15和圖16可知采用了蛇形梁型懸臂梁12的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2擁有158ym/g的加速度位移靈敏度，而采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2的光學(xué)微加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)了2486V/g的加速度測(cè)量靈敏度。其中得到該結(jié)果的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2具體參數(shù)如下:蛇形梁型懸臂梁12的四個(gè)部分的寬度都為240μπι，厚度ΙΟμπι，股梁121、第一蜿蜒梁122、第二蜿蜒梁123、脛梁124的長(zhǎng)度分別為1.4mm、3.42mm、0.8mm、6.18mm;敏感質(zhì)量塊的厚度為4ΙΟμπι，長(zhǎng)寬為3mm;娃基底的厚度也為410μπι，長(zhǎng)寬都為13mm。引入的圓面倒角的半徑為20μπι。圖17是采用了微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2后的光學(xué)微加速度計(jì)的輸出電壓關(guān)于非敏感軸向加載的加速度的關(guān)系曲線圖。由圖17可見(jiàn)，本實(shí)用新型提供的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)2還可以有效地抑制離軸串?dāng)_，其輸出的對(duì)比度在非敏感軸向加速度發(fā)生變化時(shí)基本不變。
[0088]綜上所述，本實(shí)用新型特別設(shè)計(jì)了敏感質(zhì)量塊11-蛇形梁型懸臂梁12-硅基底13連接構(gòu)成的彈性結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)使得其加速度位移靈敏度接近了單晶硅的極限，并保證了一定的動(dòng)態(tài)范圍及帶寬，提供的制造工藝已被實(shí)施例驗(yàn)證切實(shí)有效且流片率高，這為后期的大批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。
[0089]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本實(shí)用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本實(shí)用新型的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)(2)為無(wú)源器件，充當(dāng)光學(xué)微加速度計(jì)中的加速度敏感模塊;微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)(2)包括敏感質(zhì)量塊(11 )、鍍?cè)诿舾匈|(zhì)量塊上的高反膜(14 )、相連在敏感質(zhì)量塊上的蛇形梁型懸臂梁(12)以及與蛇形梁型懸臂梁末端相連的硅基底(13)，微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)(2)下部與帶凹槽的襯底(15)相連構(gòu)成敏感質(zhì)量塊-懸臂梁-硅基底的懸浮結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的硅基底(13)中心開(kāi)有方形通槽，敏感質(zhì)量塊(11)置于方形通槽中，敏感質(zhì)量塊(11)四周側(cè)面分別經(jīng)各自的蛇形梁型懸臂梁(12)與方形通槽的內(nèi)側(cè)面連接，四個(gè)蛇形梁型懸臂梁(12)結(jié)構(gòu)相同并以敏感質(zhì)量塊(11)中心呈中心對(duì)稱分布在敏感質(zhì)量塊(11)四周，硅基底(13)底面置于襯底(15)上，襯底(15)中心開(kāi)有用于使敏感質(zhì)量塊(11)懸浮的方形凹槽，方形凹槽與方形通槽大小相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的蛇形梁型懸臂梁(12)主要由股梁(121)、第一蜿蜒梁(122)、第二蜿蜒梁(123)、脛梁(124)的四個(gè)直梁依次相連構(gòu)成:股梁(121) —端連接到敏感質(zhì)量塊(11)邊角處的一側(cè)面，股梁(121)側(cè)面與敏感質(zhì)量塊(11)邊角處的另一側(cè)面重合，股梁(121)向外延伸布置;股梁(121)另一端與第一蜿蜒梁(122) —端連接，第一蜿蜒梁(122)垂直于股梁(121)延伸布置;第一蜿蜒梁(122)另一端與第二蜿蜒梁(123)—端連接，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)分別連接在第一蜿蜒梁(122)兩側(cè);第二蜿蜒梁(123)另一端與脛梁(124)—端連接，脛梁(124)平行于第一蜿蜒梁(122)延伸布置，脛梁(124)另一端連接到硅基底(13)方形通槽的內(nèi)側(cè)面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的敏感質(zhì)量塊(U)、蛇形梁型懸臂梁(12)和硅基底(13)的中心水平面重合，所述的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)(2)的加速度敏感方向與其中心平面垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的敏感質(zhì)量塊(11)和硅基底(13)均采用SOI基片制作，蛇形梁型懸臂梁(12)為SOI基片中的單晶硅器件層制作，蛇形梁型懸臂梁(12)的厚度等于SOI基片中單晶硅器件層的厚度；SOI基片采用高度對(duì)稱的五層基片，基片由上到下分別為第一基底層(16)、第一埋氧層(17)、器件層(18)、第二埋氧層(19)和第二基底層(20)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的敏感質(zhì)量塊(11)的厚度為蛇形梁型懸臂梁(12)厚度的30?50倍。7.一種超高加速度測(cè)量靈敏度的加速度計(jì)，包括位移讀出系統(tǒng)(I)和微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于:微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)采用權(quán)利要求1?6任一所述的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)(2)。8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的一種超高加速度位移靈敏度的微機(jī)械敏感結(jié)構(gòu)或者加速度計(jì)，其特征在于:所述的高反膜(14)位于加速度計(jì)中位移讀出系統(tǒng)(I)的衍射光柵(6)的正下方，高反膜(14)與衍射光柵(6)構(gòu)成光柵干涉腔，高反膜(14)作為光柵干涉腔的反射膜。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK205687546SQ201620457614
【公開(kāi)日】2016年11月16日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日 公開(kāi)號(hào)201620457614.7, CN 201620457614, CN 205687546 U, CN 205687546U, CN-U-205687546, CN201620457614, CN201620457614.7, CN205687546 U, CN205687546U
【發(fā)明人】盧乾波, 白劍, 汪凱巍, 焦旭芬, 韓丹丹, 陳佩文
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)