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

摘要

本发明公开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，所述微机械加速度敏感结构包括一个体硅敏感质量块，四个对称分布的蟹脚型悬臂梁，连接悬臂梁的硅基底以及镀在敏感质量块表面的反射膜；敏感质量块的重心通过特别设计的微加工工艺可以确保位于悬臂梁的中心平面上，单轴光学微加速度计的敏感轴方向垂直于该中心平面，通过重心位置的调整从根本上抑制了离轴串扰；所述的微机械加速度敏感配合基于衍射光栅的光学微加速度计可以在保证高加速度测量灵敏度的前提下有效抑制离轴串扰，应用的表面微加工工艺也可与IC工艺兼容，实现大批量制作。

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

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。

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。

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1000V/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.Bai andG.Yang,“Opticalaccelerometerbasedongratinginterferometerwithphase modulationtechnique,”Appl.Opt.51,7005–7010(2011).]。美国专利号为 US8783106B1的“Micromachinedforce-balancefeedbackaccelerometerwithoptical displacementdetection”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SOI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。

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SOI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,“Low cross-axissensitivitymicro-gravitymicroelectromechanicalsystemsandwich capacitanceaccelerometer,”Micro&NanoLetters.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,“A very-lowcross-axissensitivitypiezoresistiveaccelerometerwithanelectroplatedgold layeratopathicknessreducedproofmass,”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。

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SOI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

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。

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SOI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：

一块纵向厚度为五层SOI基片厚度的敏感质量块，其重心位于SOI基片的 中心平面上，也即器件层的中心平面上；

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SOI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；

一个纵向厚度为五层SOI基片厚度的硅基底，悬臂梁通过锚点与硅基底相 连；

镀在敏感质量块上表面的金属与介质膜，充当反射膜；

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；

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；

其中，质量块与硅基底的厚度都等于五层SOI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SOI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。

所述微机械加速度敏感结构由一种对称分布的五层SOI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。

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。

质量块上表面镀的膜层分为两层，上层为介质膜，下层为金。

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；

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；

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：

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；

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；

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；

利用缓冲氧化硅腐蚀液(BOE)腐蚀掉暴露的埋氧阻挡层1区域；

在所述SOI基片的器件层上通过喷胶以及深反应离子束刻蚀工艺刻蚀单晶 硅至埋氧阻挡层2制作出悬臂梁图形；

不去除上一步骤的残胶，以此为掩膜利用反应离子束刻蚀工艺去除悬臂梁图 形区域以外埋氧阻挡层2的氧化硅；

在所述SOI基片的基底层1上通过反面套刻以及深反应离子束刻蚀工艺刻 蚀单晶硅至埋氧阻挡层2制作出质量块与基底的下半部分并释放悬臂梁；

利用缓冲氧化硅腐蚀液(BOE)腐蚀掉附着在悬臂梁上的残留埋氧阻挡层2；

去残胶完成结构释放并退火释放残余应力。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、针对基于衍射光栅的高精度单轴光学微加速度计，在不改变微机械加速 度敏感系统加速度-位移灵敏度的前提下，通过设计五层SOI基片分布以及悬臂 梁、质量块在SOI基片中的位置，将质量块的重心调整至悬臂梁中心平面上， 实现了微机械加速度敏感系统的高度对称，从根本上消除了由于非敏感轴向加速 度导致的质量块敏感轴向位移以及转动，抑制了离轴串扰；

2、采用的微加工工艺多为成熟的光刻与刻蚀工艺，避免了湿法深硅刻蚀中 的凸角补偿等问题，可以保证较高的深宽比与侧壁垂直度，且可与IC工艺兼容， 实现批量生产；

3、优化了去胶和划片流程避免微机械加速度敏感结构在刻蚀和释放的过程 中由于压差过大或应力失配等原因发生损毁，在保证抑制串扰的前提下提高了流 片的成功率。

附图说明

图1是高精度单轴光学微加速度计的结构示意图；

图2是原微机械加速度敏感结构示意图，其中(a)原微机械加速度敏感结 构俯视图；(b)原微机械加速度敏感结构剖面图；

图3是本发明采用的五层SOI基片剖面示意图；

图4是本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构示意图；

图5-图12是本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构的微加工制作方法 的流程示意图，其中图5.制作质量块上表面的反射膜；图6.制作质量块与基底上 半部分；图7.去除埋氧阻挡层1-16；图8.制作悬臂梁图形；图9.预刻蚀埋氧阻挡 层2-18；图10.制作质量块与基底下半部分；图11.去除埋氧阻挡层2-18；图12. 去胶、退火，连接衬底基座；

图13是单轴光学微加速度计的实验测试平台示意图；

图14是采用了原微机械加速度敏感结构的单轴光学微加速度计敏感轴向加 载的加速度与输出电压的关系曲线图；

图15是采用了原微机械加速度敏感结构的单轴光学微加速度计非敏感轴向 加载的加速度与输出电压的关系曲线图；

图16是采用了本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构的单轴光学微加 速度计敏感轴向加载的加速度与输出电压的关系曲线图；

图17是采用了本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构的单轴光学微加 速度计非敏感轴向加载的加速度与输出电压的关系曲线图；

图中包含基于光学位移测量系统1、微机械加速度敏感系统2、激光器3、 衍射光栅4、压电陶瓷5、光电探测器6、光电探测器7、入射激光束8、一级衍 射干涉信号光9、敏感质量块10、蟹脚型悬臂梁11、硅基底12、反射膜13、衬 底14、SOI基片中的基底层1-15、埋氧阻挡层1-16、单晶硅器件层17、埋氧阻 挡层2-18、基底层2-19、精密转台20、调整旋钮21、差分运算电路22、信号调 理电路23、输出电压信号24。

具体实施方式

以下将结合附图和特定的具体实例详细说明本发明的实施方式，本领域技术 人员可由本说明书了解本发明的其他优点与功效。需要说明的是，本实施例中提 供的图示仅以示意图的方式说明本发明的基本构想，示意图中的有关组件并不一 定按照实际实施中的组件数目、形状与尺寸绘制，实际实施例中的各组件形态、 数目、布局以及比例可能更为复杂。

本发明提供的抑制串扰的微机械加速度敏感结构应用于高精度单轴光学微 加速度计中，目的是抑制由于微机械结构不对称性造成的离轴串扰，改善光学微 加速度计在受到非敏感轴向加速度作用时的输出信号对比度和灵敏度。如图1 所示，该高精度单轴光学微加速度计主要由光学位移测量系统1和微机械加速度 敏感系统2这两大部分组成，两者配合完成单轴加速度的高精度测量。其中光学 位移测量系统包含：激光器3、衍射光栅4、压电陶瓷5、信号光路光电探测器6、 环境光路光电探测器7以及质量块上的反射膜13；微机械加速度敏感系统包含： 敏感质量块10、悬臂梁11、硅基底框架12、质量块上的反射膜13以及衬底14。 激光器3用以提供测量用的632.8nm入射激光束8，一级衍射干涉光信号9中包 含了质量块10与衍射光栅4之间位移变化量信息与外界输入加速度大小信息。

该单轴光学微加速度计的工作原理如下：激光器3发射出一束激光8，该激 光垂直入射到衍射光栅4上，其中一部分激光发生反射式衍射，形成0级、±1 级和±3级衍射级次；另一部分透过衍射光栅4，被反射膜13反射再次通过光栅 4并发生透射式衍射，产生0级、±1级和±3级衍射级次。在保证衍射光栅4平 行于反射膜13的前提下，反射式衍射级次会与透射式衍射级次相干叠加形成干 涉条纹，具体地说，反射式衍射的+1(-1)级次会与透射式衍射的-1(+1)级次 相干叠加，形成的1级衍射干涉信号光强与质量块10、衍射光栅4之间位移变 化量有着明确的关系；而当有外界加速度加载到微机械加速度敏感系统2上时， 敏感质量块10受惯性力作用使得悬臂梁11发生形变，并改变质量块上表面的反 射膜13与衍射光栅4之间的位移量。当施加加速度处在光学微加速度计的加速 度动态范围内时，位移变化量与施加加速度成线性关系，通过光学位移测量系统 1高精度地测量该位移量即可获得施加的加速度大小。通过加入压电陶瓷5可引 入相位调制解调，以此提高光学微加速度计的信噪比和测量精度。

在理想状况下，单轴光学微加速度计仅对敏感轴向加速度敏感，也即微机械 加速度敏感结构的质量块在敏感轴向的位移不会受到非敏感轴向加速度的影响。 然而对于原微机械加速度敏感结构和很多光学微加速度计而言，由于微机械加速 度敏感结构的不对称性，非敏感轴向的加速度会导致质量块在敏感轴向的额外位 移和偏转，这样就造成了单轴光学微加速度计中的离轴串扰。

以下将结合附图详细说明本发明通过抑制串扰的微机械加速度敏感结构抑 制离轴串扰的原理。

本发明提供的抑制串扰的微机械加速度敏感结构如图4所示，所述结构由一 块如图3所示的特殊五层SOI基片制作。该基片为基底层15-埋氧层16-器件层 17-埋氧层18-基底层19的高度对称结构，其中基底层15和基底层19，埋氧层 16和埋氧层18分别关于器件层17即SOI中心平面对称。对称的SOI基片具体 尺寸可以根据实际需求进行变更，在该实施例中，所述SOI总厚度约为415μm， SOI的基底层15与基底层19为厚度200μm的单晶硅，器件层为厚度10μm晶向 (100)的单晶硅，埋氧层16和埋氧层18为厚度约2μm的二氧化硅。质量块10 的厚度等于SOI基片的总厚度，重心位于SOI基片的中心平面，也即器件层17 的中心平面上；基底框架12的厚度也等于SOI基片的总厚度；悬臂梁11完全构 建在器件层17上，其厚度等于器件层17，中心平面与器件层17的中心平面重 合。因为该抑制串扰的微机械加速度敏感结构的质量块10重心位于悬臂梁11的 中心平面上，因此非敏感轴向的加速度不会引起额外的扭矩，质量块不会产生额 外的扭转和敏感轴向的位移，这样就起到了抑制离轴串扰的目的。并且，通过调 整SOI中器件层17与基底层15和19的厚度，可以调整悬臂梁11-质量块10结 构的弹性系数，在不降低原机械加速度敏感结构的加速度-位移灵敏度的前提下， 完成串扰的抑制。

参阅图5至图12，本发明还提供了该抑制串扰的微机械加速度敏感结构的 微加工制造方法，具体包括以下步骤：

图5：在所述SOI基片上表面上制作质量块10上表面的反射膜；

图6：在所述SOI基片上表面上制作质量块10与基底12的上半部分；

图7：去除所述SOI基片中暴露的埋氧阻挡层16；

图8：在所述SOI基片的器件层17上制作悬臂梁11图形；

图9：预刻蚀所述SOI基片中的埋氧阻挡层18；

图10：从所述SOI基片的下表面制作质量块10与基底12的下半部分；

图11：去除所述SOI基片中暴露的埋氧阻挡层18；

图12：去胶、退火，连接衬底基座14；

具体的，在进行图5的步骤之前，需要对所述SOI基片进行标准RCA清洗， 并去除SOI表面的氧化层。

具体的，在执行图5的步骤时，先以双层胶为掩膜，采用光刻的方式做出镀 膜用的掩膜图形，再采用磁控溅射的方式分别镀上金膜和介质膜，最后采用剥离 工艺去除非质量块10区域的反射膜层，得到质量块10上表面的反射膜13。

具体的，在执行图6的步骤时，先以厚胶作为掩膜，采用光刻的方式将质量 块10与基底12的图形转移至所述SOI上表面，再利用深反应离子束刻蚀将沟 槽区域刻蚀至埋氧阻挡层16，制作出质量块10与基底12的上半部分。

具体的，在执行图7的步骤时，利用缓冲的氧化硅腐蚀液(BOE)去除暴露 的埋氧阻挡层16至器件层。

具体的，在执行图8的步骤时，先用喷胶工艺将SPR胶喷至槽底暴露的器 件层17上，并保证胶的厚度足够进行两次刻蚀以及边角和侧壁的完全覆盖，再 进行光刻将悬臂梁11图形转移至器件层17上，最后利用深反应离子束刻蚀刻蚀 出悬臂梁11。

具体的，在执行图9的步骤时，将上一步的悬臂梁11图形残胶作为掩膜对 埋氧阻挡层18进行预刻蚀，直至刻蚀至基底层19为止完成预刻蚀，这一步可以 防止在反向刻蚀时由于薄层埋氧阻挡层18的存在而导致的压强与应力失配，避 免结构的爆裂损毁。

具体的，在执行图10的步骤时，通过反面套刻将质量块10与基底12的图 形转移至所述SOI基片的下表面，并通过深反应离子束刻蚀将沟槽区域刻蚀至 剩余的埋氧阻挡层18，制作出质量块10与基底12的下半部分。

具体的，在执行图11的步骤时，利用缓冲的氧化硅腐蚀液(BOE)去除暴 露的残留埋氧阻挡层18。

具体的，在执行图12的步骤时，利用有机浸泡和干法等离子去胶的方式去 除残胶以避免悬臂梁11-质量块10结构的损毁，然后利用预留的刻蚀划片槽采用 激光划片的方式完成划片，最后与衬底14连接完成抑制串扰的微机械加速度敏 感结构的制作。

在本实施例中，采用本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构已被应用于 具体的高精度单轴光学微加速度计中，具体的实验装置图如图13所示。其中， 由光学位移测量系统1和微机械加速度敏感系统2组成的单轴光学微加速度计被 安装在精密转台20上，光电探测器6和7输出的信号经过差分运算电路22以及 信号调理电路23的处理得到输出电压信号24。通过转动调整旋钮21引入可以 对该加速度计施加不同大小的加速度，加速度计敏感轴向施加的加速度为重力加 速度的一个正交分量，同样的，在转动转台改变加速度计敏感轴向的加速度时， 重力加速度的另一个正交分量作为加载到加速度计非敏感轴向的加速度也会同 时改变，影响该加速度计的输出信号24。通过该测量方式不仅可以检测该光学 微加速度计敏感轴向的加速度测量灵敏度，也可以得到离轴串扰对该光学微加速 度计输出信号的影响。

图14为采用了原微机械加速度敏感结构的单轴光学微加速度计敏感轴向加 载的加速度与输出电压的关系曲线图；图15为采用了原微机械加速度敏感结构 的单轴光学微加速度计非敏感轴向加载的加速度与输出电压的关系曲线图；图 16为采用了本发明的抑制串扰的微机械加速度敏感结构的单轴光学微加速度计 敏感轴向加载的加速度与输出电压的关系曲线图；图17为采用了本发明的抑制 串扰的微机械加速度敏感结构的单轴光学微加速度计非敏感轴向加载的加速度 与输出电压的关系曲线图。各图中的曲线斜率反应了采用不同微机械加速度敏感 结构的光学微加速度计对不同方向的加速度的灵敏度。由图14和图16可见，本 发明提出的抑制串扰的微机械加速度敏感结构相比于原结构不会降低该光学微 加速度计对于敏感轴向加速度测量的灵敏度，其灵敏度仍能维持在1000V/g量级。 由图15和图17可见，本发明提出的抑制串扰的微机械加速度敏感结构可以将光 学微加速度计对于非敏感轴向加速度的灵敏度下降约13倍，很好地达到串扰抑 制的目的。实际的串扰抑制效果可以通过控制SOI基片的结构参数和提高工艺 精确度进一步提升。

综上所述，本发明提供了一种应用于高精度单轴光学微加速度计中的抑制串 扰的微机械加速度敏感结构及其微加工制造方法。本发明在一个特别设计的高对 称五层SOI基片上制作质量块10、悬臂梁11与基底12等结构，将质量块10的 重心精确调整至悬臂梁层的中心平面上，并以此构建出具有高对称性的串扰抑制 结构，在不影响光学微加速度计的测量精度的前提下，从根本上抑制了离轴串扰。 本发明提出的微加工制造方法已被实施例验证切实有效并可与IC工艺兼容，为 大批量制作打下基础。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任 何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修 饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的 精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵 盖。