本实用新型专利技术公开了一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构与加速度计。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。本实用新型专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于光学微加速度传感器
，涉及了一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构与加速度计。
技术介绍
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/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。本技术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。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本技术提供了一种超高加速度位移灵敏度的微机械敏感结构与加速度计，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。本技术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。本技术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；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；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；本技术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。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。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。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20μm～50μm。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。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产生的加速度敏感方向与其中心平面垂直。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。第一基底层和第二基底层为厚度相同的单晶硅，其厚度为150μm～250μm；器件层为厚度相同的单晶硅，其厚度为5～15μm；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2μm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。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。所述蛇形梁型悬臂梁的四个直梁的宽度都在本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
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)一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)一端连接，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)一端连接，第二蜿蜒梁(123)垂直于第一蜿蜒梁(122)，股梁(...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢乾波，白剑，汪凯巍，焦旭芬，韩丹丹，陈佩文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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