高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学微加速度传感器技术领域，涉及一种高精度单轴光学微加速度计 中抑制串扰的微机械加速度敏感结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 加速度计是一种测量加速度这一基本物理量的传感器，其基本测量原理基于牛顿 第二定理，加速度计通常包含机械加速度敏感系统和位移测量系统，外界加速度使得机械 加速度敏感系统中的质量块产生一个与输入加速度大小有确定关系的位移，位移测量系统 通过测量该位移量得到输入加速度的大小。加速度计的性能由这两个系统同时决定。衡量 加速度计的性能指标有：灵敏度、分辨率、动态范围、工作带宽以及离轴串扰大小等。其中离 轴串扰反映的是施加在非敏感方向的加速度对加速度计敏感轴向的加速度测量带来的影 响。
[0003] 相比于传统机械电学式加速度计，微机电系统加速度计有着较高灵敏度、低噪声、 体积小、重量轻、成本低、易集成等优点，现已成为加速度计的一个重要发展方向。而相比于 传统微机电系统加速度计，如电容式、压电式或压阻式，光学微加速度计又可以提供更高的 加速度测量精度、抗电磁干扰、大动态范围与响应快等优势。因此，光学微加速度计目前正 逐渐成为一个全新的加速度计发展热点。
[0004] 基于衍射光栅的光学微加速度计结合具有高精度的光学位移测量系统与高加速 度-位移灵敏度的微机械加速度敏感系统，可以提供超过?οοον/g的加速度测量灵敏度和 μg级别的加速度测量分辨率[12.S.Zhao,J.Zhang,C.Hou，J.BaiandG.Yang,"Optical accelerometerbasedongratinginterferometerwithphasemodulation technique, "Appl.Opt. 51，7005 - 7010(2011).]。美国专利号为US8783106B1 的 "Micromachinedforce-balancefeedbackaccelerometerwithopticaldisplacement detection"公开了一种基于衍射光栅和构建于SOI上的微机械加速度敏感系统的力反馈 光学加速度计，该加速度计的敏感质量块和框架构建在一个三层S0I上，敏感质量块通过 背向刻蚀槽与框架分离开并采用悬簧与框架连接，当该加速度计受到外界加速度时，质量 块会发生上下移动，通过基于衍射光栅的位移测量系统检出质量块的位移量即可完成加速 度的测量。现有基于衍射光栅的光学微加速度计尽管可以提供很高的加速度测量精度，但 是如果其中的微机械加速度敏感系统不做出改进，离轴串扰对于加速度计的影响也会随着 加速度测量精度的提升而增加。而离轴串扰作为衡量加速度计的一个重要性能指标，对于 高精度加速度计而言尤应减小，以避免其对整体性能的影响。
[0005] 目前世界范围内对于微机电系统加速度计中的离轴串扰已做出了一定的研究，针 对电容式、压电式和压阻式等微加速度计也提出了不少串扰抑制的手段。北大通过设计 一种基于双器件层S0I基片的高对称三明治结构实现了一种低串扰的电容式微加速度计 [Q.Hu,C.Gao,Y.Hao,Y.ZhangandG.Yang,aLowcross-axissensitivitymicro-gravity microelectromechanicalsystemsandwichcapacitanceaccelerometer, '，Micro&Nano Letters. 6, 510-514(2011)·]。印度韦洛尔理工大学的A.RaviSankara等人通过在 质量块上面沉积金的方式调整质量块的重心位置，减小了压电式微加速度计中的串扰 [A.RaviSankaraandS.Dasb,"Avery-lowcross-axissensitivitypiezoresistive accelerometerwithanelectroplatedgoldlayeratopathicknessreducedproof mass,"SensorsandActuatorsA:Physical. 189, 125-133(2013)·]。然而，光学微加速度 计，尤其是基于衍射光栅的光学微加速度计，其串扰形成机制与传统微机电系统加速度计 存在区别，目前世界范围内仍未有关于光学微加速度计串扰的系统研究和相关抑制结构。
[0006] 高精度单轴光学微加速度计多应用于惯性导航或微重力测量领域，在实际测量环 境中会存在着各个方向的加速度，非敏感轴向的加速度会对存在离轴串扰的高精度加速度 计的测量结果带来很大的影响。为了解决基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计中存 在的离轴串扰问题，本发明提出了一种基于五层S0I基片的高对称微机械加速度敏感结构 及其微加工制造方法，在保证光学微加速度计原有测量精度的同时，极大地抑制了离轴串 扰。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种高精度单轴光学微加速度计中抑制串扰的微机械加速度敏感 结构及其制造方法，本发明的目的是抑制高精度单轴光学微加速度计微机械加速度敏感结 构中由于质量块重心与悬臂梁中心平面存在一定偏移而导致的离轴串扰，在保证原有加速 度测量精度的前提下，减小或消除非敏感轴向的加速度对敏感轴向加速度测量的影响。
[0008] 为了达到上述目的，本发明提供一种高精度单轴光学微加速度计中串扰抑制结 构，即一种基于五层S0I基片的高对称抑制串扰的微机械加速度敏感结构，所述微机械加 速度敏感结构包括：
[0009] -块纵向厚度为五层S0I基片厚度的敏感质量块，其重心位于S0I基片的中心平 面上，也即器件层的中心平面上；
[0010] 四个对称分布在质量块四周并与外圈硅基底相连的蟹脚型悬臂梁，其厚度等于器 件层厚度，中心平面与S0I基片的中心平面重合，理论上敏感质量块重心位于悬臂梁的中 心平面上；
[0011] -个纵向厚度为五层S0I基片厚度的硅基底，悬臂梁通过锚点与硅基底相连；
[0012] 镀在敏感质量块上表面的金属与介质膜，充当反射膜；
[0013] 所述微机械加速度敏感结构在光学微加速度计中位于衍射光栅正下方，可与衍射 光栅集成封装，为无源器件；
[0014] 所述微机械加速度敏感结构包括：质量块，与所述质量块相连的蟹脚型悬臂梁，悬 臂梁末端连接的硅基底，镀在质量块上表面充当反射膜的金属和介质膜层；
[0015] 其中，质量块与硅基底的厚度都等于五层S0I基片的厚度，悬臂梁的厚度等于单 晶硅器件层的厚度；单晶硅器件层位于S0I基片的中央，所述微机械加速度敏感结构在封 装进实际加速度计时底下与一个衬底相连以形成敏感质量块和悬臂梁的悬浮结构。
[0016] 所述微机械加速度敏感结构由一种对称分布的五层S0I基片制作，所述基片由上 到下分别为基底层1、埋氧层1、器件层、埋氧层2、基底层2,其中基底层1和基底层2为厚度 相同的单晶硅，器件层为晶向100的单晶硅，埋氧层1和埋氧层2为厚度相同的二氧化硅。
[0017] 质量块重心精确位于悬臂梁中心平面上，光学微加速度计加速度敏感轴方向与悬 臂梁中心平面垂直。
[0018] 质量块上表面镀的膜层分为两层，上层为介质膜，下层为金。
[0019] 所述微机械加速度敏感结构与一个衬底封装后可以使敏感质量块与悬臂梁悬空， 并应用于高精度单轴光学微加速度计中；在高精度单轴光学微加速度计中，该微机械加速 度敏感结构位于衍射光栅正下方，质量块上表面反射膜与衍射光栅构成一个光栅干涉衍射 腔体，由此构成的光学位移测量系统通过检出敏感质量块的位移即可获得外界施加的加速 度大小；
[0020] 所述微机械加速度敏感结构四个悬臂梁都是用一个器件层制作而成，拥有相同的 中心平面，且质量块的重心位于悬臂梁的中心平面上，光学微加速度计的加速度敏感方向 垂直于悬臂梁的中心平面，因此非敏感轴向的加速度不会引起敏感质量块在加速度计敏感 方向的额外位移和额外转动，这样就不会使非敏感轴向的加速度对后续的光学位移测量以 及加速度测量产生影响，达到了抑制离轴串扰的目的；同时，由于所述器件层厚度相对SOI 厚度很小，故可以获得远小于质量块厚度的悬臂梁和较大敏感质量块，保证微机械加速度 敏感结构拥有较大的加速度-位移灵敏度；
[0021] 此外，本发明还提供一种上述微机械加速度敏感结构的制造方法，包括以下步 骤：
[0022] 提供一个五层SOI基片，该基片为基底层1-埋氧层1-器件层-埋氧层2-基底层 2的对称结构，其中基底层1和基底层2为厚度相同的单晶硅，器件层为晶向100的单晶硅， 埋氧层1和埋氧层2为厚度相同的二氧化硅，SOI基片的具体厚度参数可以根据实际性能 需求进行设计；
[0023] 在所述SOI基片的基底层1上表面通过光刻、磁控溅射镀膜以及剥离工艺制作质 量块上的反射膜；
[0024] 在所述SOI基片的基底层1上通过光刻、深反应离子束刻蚀工艺刻蚀单晶硅至埋 氧阻挡层1制作出质量块与基底的上半部分；
[0025] 利用缓冲氧化硅腐蚀液（Β0Ε)腐