[发明专利]超高加速度位移灵敏度的敏感结构、加速度计及制造方法

说明书

技术领域

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

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,W.Lian,S.Lou,X.Jiao,and G.Yang,“Subnanometer resolution displacement sensor based on a grating interferometric cavity with intensity compensation and phase modulation,”Appl.Opt.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100μm/g。

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100μm/g的目标灵敏度。如美国专利号为US6473187B1的专利“High-sensitivity interferometric accelerometer”公开了一种基于衍射光栅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0.59μm/g。另外，美国专利号为US8783106B1的专利“Micromachined force-balance feedback accelerometer with optical displacement detection”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/Hz^1/2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20μm/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ADXL206只能做到312mV/g的加速度测量灵敏度；Endevco公司的高性能加速度计752A的加速度测量灵敏度也仅为1V/g。

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。

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构：

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；

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；