本發(fā)明涉及一種加速度計(jì)系統(tǒng)，特別是涉及一種具有應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)并且基于薄膜體聲波諧振器的加速度計(jì)系統(tǒng)、加速度計(jì)探頭及其制備方法。

背景技術(shù)：

加速度計(jì)是一種常見的慣性傳感器，被廣泛使用在航空航天和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

隨著消費(fèi)電子的體積逐漸減小，功耗逐漸降低，現(xiàn)有加速度計(jì)的制備也普遍使用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的方法來減小體積、降低功耗，從而適應(yīng)其發(fā)展。

現(xiàn)今，電容式加速度計(jì)是最普遍的一種，通過測量電容變化來得出加速度的大小?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的方法制備電容式加速度計(jì)，其主要由質(zhì)量塊、彈性梁、電容極板等構(gòu)成。通過檢測由加速度引起的質(zhì)量塊與電容極板之間的電容差，可以得到加速度的大小，但是此過程加速度計(jì)對(duì)寄生電容比較敏感。此外，微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的電容式加速度計(jì)還需要外圍讀出電路對(duì)其施加一定的靜電力，通過閉環(huán)反饋力平衡技術(shù)保證零頻、高分辨率和自檢功能，此過程增加了外圍讀出電路的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種加速度計(jì)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)加速度測量的高靈敏度和高分辨率，避免了電容式微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種加速度系統(tǒng)、加速度計(jì)探頭及其制備方法：

一種加速度計(jì)探頭，其特征在于：加速度計(jì)探頭包括應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)、薄膜體聲波諧振器、支撐固定結(jié)構(gòu)和薄膜體聲波諧振器的電極焊盤；應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)通過支撐固定結(jié)構(gòu)固定在加速度計(jì)探頭上；薄膜體聲波諧振器通過薄膜體聲波諧振器的電極焊盤與射頻振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)端相連。

制備一種加速度計(jì)探頭的方法，其特征在于：在硅的第一面和第二面上同時(shí)沉積第一氮化硅的薄膜，再在第一面上沉積二氧化硅的薄膜，再在第一面和第二面上同時(shí)沉積第二氮化硅的薄膜，再將所述第一面和所述第二面的薄膜進(jìn)行光刻腐蝕；將所述進(jìn)行光刻腐蝕后的第一面采用濺射的方法依次沉積金屬薄膜、壓電薄膜和金屬薄膜，并且經(jīng)過所述光刻腐蝕出圖形后依次形成底電極、壓電層和頂電極；將所述進(jìn)行光刻腐蝕后的第二面通過腐蝕，形成應(yīng)力集中橋、質(zhì)量塊和支撐固定結(jié)構(gòu)的雛形；再通過刻蝕硅形成完整的應(yīng)力集中橋、質(zhì)量塊和支撐固定結(jié)構(gòu)。

加速度計(jì)探頭包含一種應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)質(zhì)量塊和多個(gè)所述應(yīng)力集中橋。

加速度計(jì)探頭具有多個(gè)薄膜體聲波諧振器，多個(gè)薄膜體聲波諧振器位于多個(gè)應(yīng)力集中橋上并且靠近固定端。

優(yōu)選地，應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)其中的應(yīng)力集中橋包含第一氮化硅、二氧化硅、第二氮化硅三種薄膜。

優(yōu)選地，上述的第一氮化硅薄膜和第二氮化硅薄膜厚度可以相同也可不同。

優(yōu)選地，上述的薄膜體聲波諧振器的頂電極和底電極材料為鉬；薄膜體聲波諧振器的壓電層材料為氮化鋁。

優(yōu)選地，上述腐蝕方法為KOH濕法腐蝕；上述刻蝕方法為DRIE刻蝕。

優(yōu)選地，如實(shí)施例所示，所述固定端為對(duì)角線方向。

一種加速度計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，加速度系統(tǒng)包括：加速度計(jì)探頭、射頻振蕩電路和頻譜儀；其中，加速度計(jì)探頭，用于探測加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器的頻率變化；射頻振蕩電路與加速度探頭中的薄膜體聲波諧振器相連，用于根據(jù)薄膜體聲波諧振器的頻率變化輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；頻譜儀，用于讀出射頻振蕩信號(hào)的頻率變化。

薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)包括底電極、壓電層和頂電極。

射頻振蕩電路包括，多個(gè)并排的CMOS反相器、至少一個(gè)MOS管、多個(gè)電容、至少一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)端、至少一個(gè)信號(hào)輸出端和至少一個(gè)偏壓輸入端。

射頻振蕩電路是一個(gè)皮爾斯振蕩電路。

頻譜儀為商用頻譜儀，用于測量吉赫(GHz)的射頻信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用具有大質(zhì)量塊的橋式應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力放大效果，可以提高系統(tǒng)測量加速度的靈敏度。

(2)加速度的大小通過頻譜儀測量由薄膜體聲波諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)部件的射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)頻率的變化得出，避免了電容式微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。

(3)由于射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)的頻率在吉赫(GHz)，而加速度引起的頻率變化在千赫(KHz)，具有更優(yōu)異的分辨率。

(4)加速度計(jì)探頭采用微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)方法制備，具有體積小、功耗低、能夠批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種加速度計(jì)探頭制備方法及加速度計(jì)系統(tǒng)流程圖；

圖2為本發(fā)明的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖；

圖3為本發(fā)明的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭圖；

圖4為本發(fā)明的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的射頻振蕩電路圖；

圖5為本發(fā)明的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭制備工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種加速度計(jì)探頭制備方法及加速度計(jì)系統(tǒng)流程圖。如圖1所示，該制備方法包括步驟S101-S105：

S101：制備一種加速度計(jì)探頭的方法，在硅012的第一面和第二面上同時(shí)沉積第一氮化硅013的薄膜，再在第一面上沉積二氧化硅014的薄膜，再在第一面和第二面上同時(shí)沉積第二氮化硅015的薄膜，再將第一面和第二面的薄膜進(jìn)行光刻腐蝕。

S102：將進(jìn)行光刻腐蝕后的第一面采用濺射的方法依次沉積金屬鉬、氮化鋁薄膜和金屬鉬，并且經(jīng)過光刻腐蝕出圖形后依次形成底電極016、壓電層017和頂電極018，其中底電極016和頂電極018材料為鉬、壓電層017材料為氮化鋁。

S103:進(jìn)行光刻腐蝕后的第二面通過KOH濕法腐蝕，形成應(yīng)力集中橋001-004、質(zhì)量塊009和支撐固定結(jié)構(gòu)010的雛形；去除第二面薄膜；通過DRIE刻蝕硅形成完整的應(yīng)力集中橋001-004、質(zhì)量塊009和支撐固定結(jié)構(gòu)010。

S104：將制備好的加速度計(jì)探頭000的薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019-026接入射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1，CMOS反相器M1-M6保證足夠的增益來克服電路損耗，保證起振條件，MOS管M7為CMOS反相器M1-M6提供偏置，偏壓Vb為MOS M7提供正常工作的偏壓，電容C1-C2用來改善振蕩器的啟動(dòng)，信號(hào)輸出端(Sout)接入頻譜儀200。

S105：加速度計(jì)探頭000探測加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化；薄膜體聲波諧振器005-008作為射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)部件，與射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1相連；薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化導(dǎo)致射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；通過頻譜儀200讀出射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)的射頻振蕩信號(hào)頻率；由射頻振蕩信號(hào)頻率的變化能夠推算出感測得到的加速度大小。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的框圖，如圖2所示，該加速度計(jì)系統(tǒng)主要包括加速度計(jì)探頭000、射頻振蕩電路100、頻譜儀200。

其中，加速度計(jì)探頭000，用于探測加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化；射頻振蕩電路100與加速度探頭中的薄膜體聲波諧振器005-008相連，用于根據(jù)薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；頻譜儀200，用于讀出射頻振蕩信號(hào)的頻率變化。

具體地，將加速度計(jì)探頭000的薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019-026接入射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1，CMOS反相器M1-M6保證足夠的增益來克服電路損耗，保證起振條件，MOS管M7為CMOS反相器M1-M6提供偏置，偏壓Vb為MOS M7提供正常工作的偏壓，電容C1-C2用來改善振蕩器的啟動(dòng)，信號(hào)輸出端(Sout)接入頻譜儀200。

加速度計(jì)探頭000探測加速度并且將加速度轉(zhuǎn)化為薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化；薄膜體聲波諧振器005-008作為射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)部件，與射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1相連；薄膜體聲波諧振器005-008的頻率變化導(dǎo)致射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)輸出不同頻率的射頻振蕩信號(hào)；通過頻譜儀200讀出射頻振蕩電路100信號(hào)輸出端(Sout)的射頻振蕩信號(hào)頻率；由射頻振蕩信號(hào)頻率的變化能夠推算出感測得到的加速度大小。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭圖，如圖3所示，該加速度計(jì)探頭000主要包括應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)、多個(gè)薄膜體聲波諧振器，每個(gè)薄膜體聲波諧振器連接至少一個(gè)電極焊盤、以及支撐固定結(jié)構(gòu)010。

應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)通過支撐固定結(jié)構(gòu)010固定在加速度計(jì)探頭000上；四個(gè)薄膜體聲波諧振器005-008通過薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019-026與射頻振蕩電路P1相連。

應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)包括一個(gè)大的質(zhì)量塊009和四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004，一個(gè)質(zhì)量塊009和四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004通過支撐固定結(jié)構(gòu)010固定在所述加速度計(jì)探頭上。

每個(gè)薄膜體聲波諧振器連接兩個(gè)電極焊盤，兩個(gè)電極焊盤對(duì)稱布置在薄膜體聲波諧振器兩側(cè)。四個(gè)薄膜體聲波諧振器005-008設(shè)置在四個(gè)應(yīng)力集中橋001-004上并且靠近固定端，所述固定端為對(duì)角線方向，固定端根據(jù)加速度探頭的形狀會(huì)有不同的位置。其中，一個(gè)薄膜體聲波諧振器與兩個(gè)薄膜體聲波諧振器的電極焊盤相連，例如：薄膜體聲波諧振器005與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019和025相連；薄膜體聲波諧振器006與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤020和021相連；薄膜體聲波諧振器007與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤022和023相連；薄膜體聲波諧振器008與薄膜體聲波諧振器的電極焊盤024和026相連。

薄膜體聲波諧振器005的結(jié)構(gòu)包括底電極016、壓電層017和頂電極018。

具體地，通過質(zhì)量塊009感測加速度，質(zhì)量塊009的運(yùn)動(dòng)使應(yīng)力集中橋001-004產(chǎn)生應(yīng)力并得到放大，該應(yīng)力促使薄膜體聲波諧振器005-008的諧振頻率發(fā)生變化，薄膜體聲波諧振器005-008通過薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019-026與射頻振蕩電路100的選頻網(wǎng)絡(luò)端P1相連。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的射頻振蕩電路圖，如圖4所示，該射頻振蕩電路100主要包括三個(gè)并排的CMOS反相器M1-M6、一個(gè)MOS管M7、兩個(gè)電容C1-C2、一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)端P1、一個(gè)信號(hào)輸出端(Sout)、一個(gè)偏壓輸入端Vb。

選頻網(wǎng)絡(luò)端P1與加速度計(jì)探頭000的薄膜體聲波諧振器的電極焊盤019-026相連，CMOS反相器M1-M6保證足夠的增益來克服電路損耗，保證起振條件，MOS管M7為CMOS反相器M1-M6提供偏置，偏壓Vb為MOS M7提供正常工作的偏壓，電容C1-C2用來改善振蕩器的啟動(dòng)，信號(hào)輸出端(Sout)接入頻譜儀200。

具體地，射頻振蕩電路100是一個(gè)皮爾斯振蕩電路。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種加速度計(jì)系統(tǒng)的加速度計(jì)探頭制備工藝流程圖，如圖5所示，該加速度計(jì)探頭000的制備工藝流程主要包括在硅012的第一面和第二面上同時(shí)沉積第一氮化硅013的薄膜，再在第一面上沉積二氧化硅014的薄膜，再在第一面和第二面上同時(shí)沉積第二氮化硅015的薄膜，再將第一面和第二面的薄膜進(jìn)行光刻腐蝕。

將進(jìn)行光刻腐蝕后的第一面薄膜采用濺射的方法依次沉積金屬鉬、氮化鋁薄膜和金屬鉬，并且經(jīng)過光刻腐蝕出圖形后依次形成底電極016、壓電層017和頂電極018，其中底電極016和頂電極018材料為鉬、壓電層017材料為氮化鋁。

進(jìn)行光刻腐蝕后的第二面通過KOH濕法腐蝕腐蝕，形成應(yīng)力集中橋004、質(zhì)量塊009和支撐固定結(jié)構(gòu)010的雛形；去除第二面薄膜；通過DRIE刻蝕硅形成完整的應(yīng)力集中橋001、質(zhì)量塊009和支撐固定結(jié)構(gòu)010。

本發(fā)明采用具有大質(zhì)量塊的橋式應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，具有應(yīng)力放大效果，可以提高系統(tǒng)測量加速度的靈敏度；加速度的大小通過頻譜儀測量由薄膜體聲波諧振器作為選頻網(wǎng)絡(luò)部件的射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)頻率的變化得出，避免了電容式MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)寄生電容干擾和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)；且由于射頻振蕩電路輸出射頻振蕩信號(hào)的頻率在GHz(吉赫)，而加速度引起的頻率變化在KHz(千赫)，本發(fā)明具有更優(yōu)異的分辨率；本發(fā)明的加速度計(jì)探頭采用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))方法制備，具有體積小、功耗低、可以批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。