CN105004884B - 一种SiC基微光学高温加速度计及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种SiC基高温微光学加速度计设计方法，属于MOEMS技术领域。本发明通过腔长差设计形成了错位双FP腔结构，实现了交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，提高了加速度计测量的量程；采用质量块表面镀高温增透膜的方式降低了噪声干扰，从而提高了测量精度；提出了SiC基微光学高温加速度计传感结构的微加工制作工艺，辅以耐高温的光纤与空心对准套管组合结构、耐高温封装设计，实现了加速度计敏感头的耐高温特性；通过SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构设计，形成了敏感头极佳的机械响应特性和位移灵敏度。本发明提高了加速度计抗高温等恶劣环境工作能力，同时在测量精度、动态测量范围及小型化等方面性能优异。

Description

一种SiC基微光学高温加速度计及其设计方法

技术领域

本发明属于MOEMS(micro-opto-electro-mechanical-system,微光机电系统)技术领域，涉及基于第三代半导体SiC的新型耐高温微光学加速度计的光路与机械系统的设计方法。

背景技术

SiC基微型加速度计是随着SiC材料及其微加工技术发展而发展起来的一种新型、高稳定性的加速度传感器。航空航天飞行器在驶入大气层后由于跟空气发生剧烈摩擦，体表温度高达1000℃以上，其飞行姿态的控制与高速飞行过程中所处的气动力学环境密切相关，在高温环境下实现飞行器机翼振动参数的动态实时测量对现有测试技术提出了严峻考验。高精度加速度计的技术指标不仅包括常温静态测量精度，更为重要的是温度、振动等环境适应性的动态性能指标。目前国内外高精度加速度计技术在实际使用过程中相比，环境性能上的差距尤为突出，如何提高高精度加速度计的温度和振动特性，是高精度加速度计迫切需要解决的关键技术。商业化的传统加速度计所使用的材料是硅和石英，但是它们远远不能达到火箭卫星等航空航天飞行器在高温条件下的测量要求。

作为第三代宽禁带半导体材料的代表，SiC具有优良的抗辐射性能、高温稳定性以及良好的机械特性，是制作高温加速度计的理想材料。同时，与传统结构的加速计相比，光纤光学加速度计有着突出的抗电磁干扰、冲击和振动灵敏，以及更轻的质量和更高的精度等优点已成为国内外研究的热点。将SiC优异的材料特性与光纤光学加速度计结构优势相结合，对高精度加速度计尽快满足航空技术领域的要求具有重要的意义。

自2003年美国NASA Glenn研究中心的Okojie等提出压阻式6H-SiC加速度计开始，国外开展了大量的利用SiC制作加速度计和压力传感器的研究，国外压阻式和电容式SiC微加速度计已经有商业化成品出现，工作温度分别达到600℃和400℃，但目前SiC微光学加速度计研究领域国内外仍属空白。

因此，作为未来突破精密控制和装备制造的关键技术，SiC基新型微光学加速度计的研究对于实现高温环境下对飞行器机翼振动参数的动态实时测量具有重要意义。将SiC材料优点、不断进步的微加工技术与光学加速度计原理相结合的SiC微光学加速度计可以显著提高加速度计的抗高温等极端环境性能，将成为加速度计重要发展趋势之一。

发明内容

为提高加速度计的工作温度、测量精度、稳定性、环境适应能力及抗干扰能力，本发明提出了一种新型的基于第三代半导体SiC的高温微光学加速度计的光路与机械系统设计方法。

本加速度计的传感机制基于非本征型法布里-珀罗干涉仪。它利用了对光纤抛光端面和SiC质量块反射面之间形成的低精细度FP腔的腔长变化测量获得所需信号(干涉光强)的方法。光通过单模光纤传输，一部分光在光纤/空气界面发生一次反射，另一部分光穿过光纤端面和质量块反射面之间的空气空隙在质量块反射面再次发生反射。两束反射光基于二者之间的光程差发生相消或者相长干涉。根据反射到探测器的光信号进行解调便可得到腔长变化等间距信息。本发明提供一种基于第三代半导体SiC的微光学高温加速度计及其设计方法，所述的微光学高温加速度计包括LD光源、单模光纤(波长1310nm)、耦合器、环形器A、环形器B、空心对准套管A、空心对准套管B、FP(法布里-珀罗)腔、SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构、增透膜、基底、探测器A、探测器B以及外部封装。所述的微光学高温加速度计通过腔长差设计形成了错位双FP腔结构，提高了加速度计测量的量程；所述的微光学高温加速度计采用质量块表面镀高温增透膜的方式降低了噪声干扰，从而提高了测量精度；提出了新型SiC基微光学高温加速度计传感结构的微加工制作工艺，辅以耐高温的光纤与空心对准套管组合结构、耐高温封装设计，实现了加速度计敏感头的耐高温特性。

所述LD光源与耦合器输入端之间通过单模光纤连接，耦合器、环形器A和环形器B均为三端口器件，环形器A的三个端口分别通过单模光纤连接有耦合器、探测器A和空心对准套管A，环形器B的三个端口分别通过单模光纤连接耦合器、探测器B和空心对准套管B；所述空心对准套管A和空心对准套管B固定在基底上，并且相互平行。所述空心对准套管A和空心对准套管B内的单模光纤的端面与质量块的反射面之间形成不同长度的两个FP腔，所述的两个FP腔的长度差为13.59μm。所述两个FP腔的长度分别优选为98.086μm和111.676μm，所述LD光源的入射光波长1310nm。单模光纤采用最常见的G.652型，其芯径是9μm。

所述的微光学高温加速度计中设计了双FP腔干涉光强检测方案，通过腔长差设计使探测器接收的两路返回信号正交，实现了交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，从而扩大了相位探测的范围，亦即加速度计测量的量程。

所述的微光学高温加速度计采用质量块表面镀高温增透膜的方式，通过尺寸设计使增透膜光强反射率达到最小值，以有效避免其它反射面对双光束干涉信号形成干扰，提高测量精度。

所述的微光学高温加速度计悬臂梁-质量块传感结构采用自主设计的微加工工艺制作，同时辅以耐高温的光纤与外部空心对准套管组合结构、AlN高温封装、派热克斯玻璃基底等耐高温结构设计，实现了加速度计的耐高温特性。

LD光源出射的光经过耦合器产生两束光分别通过环形器A和环形器B，再分别在单模光纤的端面产生反射光和透射光，透射光进入FP腔后在质量块的反射面发生反射后返回单模光纤，与单模光纤的自身的反射光形成双光束干涉，干涉光分别经过环形器A和环形器B后，由探测器A和探测器B检测干涉光强。所述质量块背面的增透膜可以将透过质量块的光全面出射减少反射发生。

本发明提出的基于第三代半导体SiC的高温微光学加速度计的光路与机械系统设计方法，可实现加速度计工作温度的提高，同时在稳定性、测量精度、环境适应能力及抗干扰能力方面性能优异。

本发明的优点在于：

1、本发明提出的基于第三代半导体SiC的高温微光学加速度计设计方法机械结构，具有良好的抗辐射性能和高温稳定性等抗极端环境工作能力。采用具有高熔点、高击穿场强、化学稳定的第三代半导体SiC材料制作SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构，同时辅以耐高温光纤与空心对准套管结构、AlN高温封装等耐高温设计，具有比硅基微加速度计等加速度计高得多的工作温度和抗极端环境工作能力。

2、本发明提出的基于第三代半导体SiC的高温微光学加速度计设计方法具有很高的测量精度。机械传感结构具有很高的位移灵敏度，提高了加速度计的分辨率，同时质量块背面镀高温增透膜可以有效避免其它反射面对双光束干涉信号形成干扰，因而系统的检测精度较高。

3、本发明提出的基于第三代半导体SiC的高温微光学加速度计设计方法中的光学结构，所设计加速度计基于FP腔干涉光强检测方案，具有抗电磁干扰、小型化、抗腐蚀、可利用波分复用或时分复用等信号处理技术等优点。

4、本发明采用了双FP腔干涉光强检测方案和质量块表面镀高温增透膜等设计。基于所设计的双FP腔干涉光强检测方案，通过腔长差设计使探测器接收的两路返回信号正交，进而以交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，有效克服了单光路干涉分析方法在正弦输出光强极值附近区域的函数非线性和方向性模糊等缺点，从而扩大了相位探测的范围，提高了加速度计的量程。

5、本发明中采用SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构、敏感头与外部封装间静电键合、抗高温封装材料以及整体热膨胀系数匹配等技术方案设计。SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构设计作用是提升了敏感头单轴方向离轴灵敏度，同时避免了悬臂梁残余应力和大的挠度引起梁张力形成非线性加速度-挠曲特性等问题，保证了加速度计振动过程中光纤抛光端面与检测质量的下表面间的平行度。这种结构具有极高的位移灵敏度，从而提高了系统的测量精度。所述敏感头与外部封装间静电键合、抗高温封装材料选择提高了机械传感系统的工作温度与环境稳定性。所述整体热膨胀系数匹配是对各材料之间热膨胀系数、工作温度等温度特性方面的综合权衡设计。

附图说明

图1为SiC基微光学高温加速度计的结构示意图；

图2为SiC基微光学高温加速度计敏感头FP腔结构示意图；

图3为SiC基微光学高温加速度计FP腔光路反射示意图；

图4为SiC单晶镀增透膜布置示意图；

图5为增透膜的反射比MATLAB仿真示意图；

图6为增透膜反射比曲线示意图；

图7为双光路干涉信号输出；

图8为SiC微光学加速度计敏感头机械敏感系统结构设计示意图；

图9为SiC基回旋形悬臂梁-质量块整体俯视图；

图10为回旋形悬臂梁长臂受力分析示意图；

图11为回旋形悬臂梁短臂受力分析示意图；

图12为SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构1g载荷下位移变化；

图13为SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构10g载荷下Von Mises应力分布云图；

图14为开环单周期加速度计光强-载荷响应示意图；

图15为SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构加工流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于第三代半导体SiC的微光学高温加速度计及其设计方法，所述的微光学高温加速度计如图1所示，包括LD光源、单模光纤(波长1310nm)、耦合器、环形器A、环形器B、空心对准套管A、空心对准套管B、FP(法布里-珀罗)腔、SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构、增透膜、基底、探测器A、探测器B以及外部AlN封装。所述微光学高温加速度计实现光信号敏感位移变化，位移变化敏感飞行器的加速度，通过光强检测获得待测加速度信号。

所述LD光源与耦合器输入端之间通过单模光纤连接，耦合器、环形器A和环形器B均为三端口器件，环形器A的三个端口分别通过单模光纤连接有耦合器、探测器A和空心对准套管A，环形器B的三个端口分别通过单模光纤连接耦合器、探测器B和空心对准套管B；所述空心对准套管A和空心对准套管B固定在基底上，并且相互平行。所述空心对准套管A和空心对准套管B内的单模光纤的端面与质量块的反射面之间形成不同长度的两个FP腔，所述的两个FP腔的长度差(也称腔长差)为13.59μm。所述两个FP腔的长度分别优选为98.086μm和111.676μm，所述LD光源的入射光波长1310nm。单模光纤采用最常见的G.652型，其芯径是9μm。

所述的基底、SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构和外部AlN封装组成敏感头。所述的增透膜设置在质量块的背面，增透膜材料为氧化铝，增透膜厚度e＝100nm。所述的基底材料选取派热克斯玻璃。

所述的SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构包括回旋形悬臂梁、质量块和基座，所述的回旋形悬臂梁、质量块和基座采用6H-SiC晶片一体加工而成。如图9所示，所述的质量块为正方形结构，四个回旋形悬臂梁相互正交回旋式分布在质量块四周，回旋形悬臂梁的短臂连接质量块，长臂连接基座。

LD光源出射的光经过耦合器产生两束光分别通过环形器A和环形器B，再分别在单模光纤的端面产生反射光和透射光，透射光进入FP腔后在质量块的反射面发生反射后返回单模光纤，与单模光纤的反射光形成双光束干涉，干涉光分别经过环形器A和环形器B后，由探测器A和探测器B检测干涉光强。所述质量块背面的增透膜可以将透过质量块的光大部分出射，极大的降低反射回到FP腔中的干扰光强度。

本发明通过将第三代半导体SiC材料与光学加速度计原理以及体微加工技术相结合的方式，实现了加速度计工作温度的提高，同时在小型化、稳定性、测量精度、环境适应能力及抗干扰能力等方面性能优异。

本发明提供的SiC基微光学高温加速度计的光学敏感系统的基本原理：

如图1所示，利用一个激光器作为LD光源，为敏感头提供相干光，同时利用探测器A和探测器B探测反射光。光通过单模光纤传输，依次经过耦合器、环形器，经质量块反射面和单模光纤端面反射后由探测器接收。光传输过程中，一部分光在单模光纤/空气界面发生一次反射，另一部分光穿过单模光纤端面和质量块反射面之间的空气空隙在质量块反射面再次发生反射，也称二次反射。两束反射光基于二者之间的光程差发生相消或者相长干涉。

为了便于分析，对图1中非本征型法布里-珀罗干涉仪EFPI结构部分进行放大，如图2所示。双光路(光路A和光路B)输出信号之间为正交关系，以图1中的光路A进行传感原理分析，光路B原理相同，可类推之。

当入射光束传输到空心对准套管A和空心对准套管B内的两个单模光纤端面时，在单模光纤端面与质量块反射面之间形成的FP腔内部发生了多次反射，并且从单模光纤端面有一系列的平行光出射，如图3所示。入射光束垂直入射至单模光纤端面(简称光纤端面)上(为了将一次、二次等反射光束区分开，图中采用了一定的倾角θ₁来表达)，并设光纤端面与质量块反射面之间间距为d。如图3所示，入射光强的幅值为A，单模光纤纤芯的折射率为n₁，FP腔内气体折射率为1，质量块的折射率为n₂，光从单模光纤到空气层分界面的光强反射比和透射比分别为r₁和t₁，光从空气层到质量块分界面的光强反射比为r₂，光从空气层到光纤端面的光强反射比和透射比分别为r₁′和t₁′。干涉场光强可表示反射光波之和，即，

根据菲涅尔公式可知正入射时光从单模光纤端面到FP腔内的空气层的光强振幅反射系数为：

振幅反射系数ρ₁与光强反射比r₁之间满足：

r₁＝|ρ₁|² (3)

代入单模光纤的折射率n₁＝1.5,可得r₁＝|ρ₁|²＝0.04，实际中由于存在其它损耗(光的吸收等)，反射比略低于4％。光从空气层到质量块反射面的光强反射系数：

质量块所采用的SiC晶体材料为多型体，不同型的SiC的材料性质有所不同，3C-SiC的折射率为2.55，4H-SiC、6H-SiC存在各向异性，正入射时折射率亦为2.55，由式(3)、(4)可知：

r_3C,4H,6H＝|ρ_3C,4H,6H|²＝19.75％ (5)

式中，r_3C,4H,6H为三种材料的光强反射比，ρ_3C,4H,6H为三种材料的光强反射系数。所述三种材料为3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC，三种材料的光强反射比相等，光强反射系数相等。

同理，由菲涅尔公式可得：

计算可得三次反射光(图3中)能量仅为入射光的1.34‰左右，相较参考光的4％小很多，因此三次以上高次项可忽略，本发明仅考虑双光束干涉是合理的。另一方面为了提高干涉效果，前两次干涉光束间强度较为接近，根据式(5)、(6)进行简单计算可知选择6H-SiC时二次反射光(图3中At₁t₁′r₂)的强度与一次反射光(Ar₁)的强度较为接近。

本发明中SiC质量块及其镀膜结构光学参数设计过程如下：

双面抛光未掺杂厚度500μm的6H-SiC透射率曲线在紫外区高达46％，400nm后趋于稳定大约25％，在靠近2500nm处出现异常值。异常值的出现与SiC晶体对光频率响应的色散曲线有关。由此可见，在可见光到近红外光范围内SiC的反射与透射特性相差无几，光源的选择有较大活动空间，但必须考虑的是单模传输的要求。单模传输所采用的光器件是LD，通常按照波长可分为1310nm和1550nm两个波长，考虑到增加量程，同时1.31μm波长区是现在实用光纤通信系统的主要工作波段，本发明选择波长1310nm的LD光源。单模光纤采用最常见的G.652型，其芯径是9μm。

为避免SiC质量块反射面反射光束对FP腔信号产生干扰噪声，本发明采用了镀增透膜的设计方案，并分别对其进行了验证。双光束干涉是提取出位移信号的理论基础，采用镀增透膜的方式可以有效避免其它表面反射光的干扰。镀膜材料必须满足抗高温(>500℃)，热膨胀系数与SiC接近以及应当满足的与增透性能有关的几何参数，二者之间的结构如图4所示。根据单层薄膜干涉理论，若薄膜吸收不计，增透薄膜反射比R(正入射)满足：

式中n_s和n_z分别为质量块和增透膜的折射率，δ为增透膜前后表面反射光束间的相位差，δ满足：

式中e为增透膜的厚度。

对于确定的增透膜折射率n_z，增透膜的反射比是δ的函数,也即n_ze的函数。利用MATLAB软件对增透膜反射比与薄膜折射率与厚度相关性进行仿真，结果如图5所示。

由仿真结果可知，折射率在1.5～2.0的增透膜较易获得低反射比，同时折射率固定时e与n_z具有明显的相关性。另一方面增透膜必须具有良好的耐高温性能，首先考虑的是目前研究比较热的AlN薄膜作为增透膜。AlN薄膜的热导率较高，热膨胀系数与SiC相当，具有很好的机械性能，在国外有关研究中多次被用来同SiC结合使用。根据外文文献研究，AlN单晶薄膜折射率约2.2，非晶薄膜折射率约1.8。另外一种更常见的耐高温增透膜为Al₂O₃。Al₂O₃薄膜具有高温抗氧化性、高机械强度、高透光率、化学性质稳定等优点，同时它具有与6H-SiC相近的热膨胀系数，是SiC加速度计增透膜理想选择。利用MATLAB软件模拟分析时，AlN薄膜折射率取2.0，Al₂O₃折射率取1.62，入射光垂直入射，λ为1310nm。如图6所示，不同薄膜折射率与厚度对增透膜反射比的关系具有明显的规律性。

AlN与Al₂O₃均在n_ze＝λ/8,5λ/8,9λ/8处反射比最小，将上述n_ze值代入式(8)可知此时δ＝π。Al₂O₃的最小反射比R_min≈2.07×10^-4，AlN的最小反射比R_min≈4.9×10^-2，Al₂O₃的反射效果要比AlN好很多。使用Al₂O₃作为增透膜满足降低反射信号，避免噪声干扰的设计要求。另一方面，AlN薄膜折射率易受制备工艺参数影响，折射率变化区间较大，同时成本相对较高，因此本发明选择Al₂O₃薄膜作为增透膜材料。根据仿真结果，考虑到成本与降低对质量块作为理想刚体的影响，结合图6，取薄膜厚度e＝100nm。

本发明中SiC基微光学高温加速度计双光路设计方法如下：

易证输出是一个峰-峰值和偏置决定于相对强度A₁和A₂的正弦信号，根据反射到探测器的光信号进行分析便可得到FP腔长变化等间距信息。这种单光路干涉分析方法的缺点是函数非线性以及正弦输出的方向性模糊。光路系统通过采用合适的“两光源”，使调制返回信号正交，从而扩大了相位探测的范围，如图7所示，其在具有高频响应的同时保证了方向明确性和高带宽，所设计双FP腔结构如图2所示。

SiC基微光学高温加速度计敏感头包括质量块、回旋形悬臂梁、单模光纤和基座。其中单模光纤部分出于抗高温的考虑，内芯为去涂覆的单模光纤纤芯，内芯外部起保护和准直作用的是空心对准套管。根据双光路波长解调系统设计要求，应使两路返回信号相位差270°。以图7横坐标所示的相位差为参考量，应有：

其中和分别是光路A和光路B中两次反射光之间的相位差。式中Δl为光路A和光路B中两个FP腔的腔长之差，考虑到相位差变化360°对应一个条纹变化周期或FP腔的腔长变化λ/2，设计：

式中λ为入射光波长。

为满足FP腔干涉条件，反射光的相干长度应大于FP腔光程差。由于FP腔的腔长在100μm左右，入射光波长1310nm，因而选取N＝20，可得Δl≈13.59μm。经耦合器处理之后的光分两路分别到达环形器A和环形器B，形成光路A和光路B。光路A和光路B的光分别经空心对准套管A和空心对准套管B中的单模光纤分别到达光纤端面，一部分光束在光纤抛光端面被反射回光纤中，即参考光，另一部分光束经过光纤端面到达FP腔中，反射光束与透射光束能量之比大约为4％：96％。一次透射光束经质量块反射面反射回单模光纤中，即信号光。由于在FP腔中经历3次反射后进入光纤中的光能量相较一次反射光(参考光)小很多，因此可忽略。两路参考光与信号光分别在光纤端面处发生干涉，两路干涉光进入环形器和探测器组成数据采集系统(采样频率1kHz)，被信号检测系统所检测和分析。

通过采用双光路系统可以使加速度计开环量程加倍。利用一个周期内两光路信号光强差分布特性，即可区分加速度分布于前半周期还是后半周期，从而扩大了量程。加速度计光强变化半周期对应位移变化λ/4即327.5nm。

本发明中SiC基微光学高温加速度计具有光学敏感特性分析如下：

在以上分析基础上可知，本发明中仅需考虑FP腔的一次与二次反射光之间的干涉即可。根据几何光学理论，可知二次反射光反射时存在半波损失，两次反射光之间的相位差满足：

式中k为波数，n₀为FP腔中空气折射率，d为FP腔的腔长，θ_t为光信号入射角。设光信号正入射，代入波数k＝2π/λ,空气折射率n₀＝1，则(11)式可以化简为：

反射信号间的相位差变化360°对应一个条纹变化周期，输出干涉光强满足：

式中A₁和A₂分别为两束干涉光的光信号振幅。

将式(5)、(6)代入上式可得

单位位移增量变化引起的归一化输出光强变化大小称为微光学高温加速度计的光学灵敏度。根据上述定义，对(14)式关于d求导可得：

上式中，I_r为两束干涉光的光强，I_in为入射光的光强。

从式(15)可以看出对于确定的λ，在满足下式时光学灵敏度有最大值：

由式(12)可得此时d满足：

由式(15)知光学灵敏度与波长成反比，因而光源波长选择1310nm是合理的，考虑到所设计敏感头尺寸量级，对应d设计为98.086μm(m取300)。

本发明中SiC基微光学高温加速度计的结构设计方法：

在前述对SiC微光学加速度计光学敏感系统分析与建模的基础上，对所设计加速度计机械敏感系统进行理论分析与建模。首先对SiC材料的性质和选材进行了分析，进而综合考虑测试对检测质量敏感性的要求，对加速度计关键结构进行分析计算，提出一种完善的SiC微光学加速度计整体结构的设计方案。

SiC MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System,微机电系统)器件的性能和可靠性强烈依赖于所用材料体系的性能。从技术的角度看，目前外延层技术的发展情况使得3C、4H和6H形态的SiC才是有用的；而从体硅工艺来看，只有4H和6H是有用的。3C-SiC成为MEMS应用中主要的形态，这是因为它能够在Si晶片上合成，而4H-SiC和6H-SiC则需在高于Si的熔点才能生成。3C-SiC通常都作为薄膜来沉积，其厚度也达到几微米，其多晶和无定形态薄膜也被用于MEMS。然而，因为存在热失配和晶格常数不匹配，与六角结构SiC的体材料相比，薄膜中缺陷密度要高的多。4H-SiC和6H-SiC的长有n型和p型外延的晶圆已经商业化，晶格质量已经很高。综合考虑本发明选择采用6H-SiC晶体材料。

SiC微光学加速度计机械敏感系统结构设计如图8所示。外部AlN封装、质量块和基底的材料选择需要考虑可能存在的热膨胀系数失配以及抗高温等极端环境的特性，这对于加速度计敏感头机械敏感系统结构高温工作可靠性与系统实际工作精度至关重要。通常封装材料、基底材料、石英之间高温下存在着严重的热膨胀系数失配(coefficient ofthermal expansion-CTE)，这严重影响了敏感头的性能，也限制了传感器的工作温度。派热克斯玻璃是一类含二氧化硅很高的硼酸盐硬质玻璃。热膨胀系数(3.2～4.5)×10^-6/℃，软化温度800～853℃。具有热膨胀系数低、热稳定性高、机械强度大耐酸性强、软化点较高、能经受火焰加工的温度巨变等优点，理论上来说基底材料选择派热克斯玻璃是可行的。外部封装材料选择的是AlN材料，其热膨胀系数(4.2×10^-6/℃)与6H-SiC较为接近，同时具有优异的耐高温性能。为了保证加速度计在目标工作温度(500℃)下的性能，高温下质量块反射面和光纤端面之间的平行对准必须得到保证。如图8所示，陶瓷粘合被用于光组件的组装。本发明采用的陶瓷粘合剂是940LE，用于将空心对准套管A和空心对准套管B粘结固定在基底上。所述的陶瓷粘合剂可以工作在1357℃，能够保证敏感头在高温下的尺寸稳定性和极高的粘合强度。基座和外部AlN封装之间的连接采用静电键合方式实现。

在器件设计中必须综合考虑几个结构参数和材料的选择对器件性能的影响,结构设计中悬臂梁-质量块的结构设计是核心。根据设计要求，加速度敏感头仅对单一方向的加速度敏感，即离轴灵敏度较低。单一悬臂梁支撑质量块时，对悬臂梁的梁宽要求较高，垂直于梁的径向加速度将使质量块绕悬臂梁发生转动。而对于双悬臂梁结构，对于垂直于梁的径向加速度灵敏度较低，然而质量块的质心低于悬臂梁平面，沿梁的径向加速度仍将使悬臂梁弯曲，这将与法向加速度造成的弯曲混淆。多悬臂梁提升了单轴方向离轴灵敏度，但也存在着悬臂梁残余应力和大的挠度引起梁张力形成非线性加速度-挠曲特性等问题。在本发明中，质量块的朝向FP腔的一侧为反射面，反射面的转动将会导致输出光干涉强度与对比度变化，影响输出信号的检测与分析。综合考虑以上约束，本发明设计了图9中所示悬臂梁结构，以获得尽可能低的离轴灵敏度保持光纤端面与质量块的反射面的平行。

质量块将加速度转化为力作用于悬臂梁，惯性质量大小直接正比于位移灵敏度，质量越大，机械灵敏度越高。另一方面，随着质量块的增大，其受布朗热运动的影响就越小，检测的精度也就随之增加。理论上质量块质量越大越好,但是所设计加速度计作为MOEMS加速度计的一种，从成本、用途、性能上来说不宜太大。在实际工作中，还需考虑高阶模态和横向串扰对1阶模态的干扰。如图9所示，质量块为正方形，四个回旋形悬臂梁相互正交均匀分布在质量块的四周。质量看与回旋形悬臂梁所使用材料为单晶6H-SiC，其材料参数：密度ρ＝3.21g/cm³，弹性模量E＝470GPa＝4.7×10¹¹N/m²。碳化硅质量块、增透膜的设计尺寸分别为：1000μm×1000μm×60μm和1000μm×1000μm×0.1μm。回旋形悬臂梁的设计尺寸为宽100μm、厚10μm、短臂长l₁＝400μm、长臂长l₂＝1600μm。由于质量块的厚度远大于梁厚，而梁厚远大于增透膜的厚度，因而可以将质量块视作理想刚体，同时增透膜对质量块和悬臂梁质量的影响忽略不计。质量块的质量m_k和悬臂梁单梁的质量m_l分别为：

式中V_k，V_l分别为质量块和单个回旋形悬臂梁的体积，ρ为单晶6H-SiC的密度。

回旋形悬臂梁相对质量块长度较长，宽度较窄，厚度较薄，质量较小，因而可以认为力主要集中在质量块上。在进行理论计算之前，首先做出两点基本假设：连续性假设和各向同性假设。连续性假设指整个回旋形悬臂梁-质量块传感结构的物质分布均匀、紧密无空隙，各点处有着完全一致的力学性质，与体积大小无关。各向同性假设指构成微传感结构的材料的力学性质沿各个方向均相同。下面利用材料力学理论分析悬臂梁-质量块传感结构力学模型。

结构受力分析如图10、11所示。根据材料力学理论，结构各个方向的扭矩是必须考虑在z方向的机械刚度计算中的。每个梁节点的端部边界条件满足：

ΣF＝0，ΣM＝0，ΣT＝0 (19)

式中F为梁节点端部的受力，M为转矩，T为扭矩。设G为剪切弹性模量，则G与E满足式(20)，J为扭转系数满足式(21)。

t为悬臂梁的厚度，e′为悬臂梁的宽度。

回旋形悬臂梁与质量块连接处满足边界条件：绕x轴弯转角θ₀＝0和绕y轴扭转角即

式中M₀和T₀分别为质量块作用于梁的弯矩和扭矩，M₁和M₂分别为梁长臂和短臂内部受到的弯矩，T₁和T₂分别为梁长臂和短臂内部受到的扭矩，I_x为悬臂梁关于x轴的惯性矩，J₁和J₂分别为短臂与长臂的扭转系数，如图10、11所示。他们之间满足：

式中ξ为F_z沿梁长度方向距梁端部的距离，其取向如图10、11所示。式(22)，(23)中J₁＝J₂，将上三式联立，并根据卡氏(Castigliano)定理可得：

式中Δz为悬臂梁在F_z作用下引起的z向位移。

联立可得：

式中k_z为回旋形梁传感结构机械刚度，对上式进行化简可得：

式中η为常数，其值满足：

根据双曲正切函数性质，利用式(21)进行近似计算可得：

联立式(27)-(29)，并代入6H-SiC的泊松比μ＝0.16，计算可得η≈1.6698。

将η值和梁尺寸代入式(27)中可得k_z满足：

从而可得质量块位移Δz＝F^z/k_z≈59.19nm。

显然式(30)较繁琐，但其较为准确的反映了质量块位移情况，该式说明了质量块的法向位移与输入加速度存在线性关系。

ANSYS有限元分析一般按照建立有限元模型、加载和求解、结果后处理和结果查看三个步骤。对所设计SiC加速度计机械结构进行实体建模后，部分仿真结果如图12、13所示。

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数。在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。如果在某个DOF处指定了非零位移约束，程序将以零位移约束替代该设置。模态分析仿真时采用了20节点solid186单元，对前五阶谐振模态进行了仿真分析。从仿真结果可知，1阶模态下检测质量沿y轴上下振动，保持了良好的与初始端面的平行性，其亦即工作模态，谐振频率为2194Hz。同时，2阶以上模态均有着检测质量的转动，不符合质量块反射面与光纤端面平行的设计原则。

静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构随时间变化载荷的情况。对悬臂梁-质量块传感结构上施加1g加速度惯性载荷后的位移分布进行仿真。质量块位移仿真结果如图12所示，在1g载荷下传感质量块的位移均为52.4nm，符合与光纤端面平行的设计准则。此外，利用ANSYS软件对悬臂梁-质量块传感结构上施加横向1g加速度惯性载荷后的横向串扰进行了分析，仿真结果显示在x轴和y轴施加1g载荷时，靠近质量块中心区域的节点y法向位移约为0.179nm。可知加速度计敏感头横向串扰约为3.42‰。

对法向10g加速度惯性载荷下悬臂梁-质量块的响应进行仿真分析。由图13可知x法向施加10g加速度惯性载荷时，Von Mises应力最大点均位于回旋形悬臂梁拐角内侧，质量块位移均为524nm，最大值均为5.29MPa。根据强度理论，单晶6H-SiC加速度计所能承受的最大安全应力为～450MPa，显然10g属于安全范围。

由ANSYS建模仿真分析可知加速度计机械敏感系统位移灵敏度为52.4nm/g，质量块z向位移与加速度载荷在10g范围内保持着良好的线性关系，同时最大Von Mises应力远低于SiC安全应力。

本发明所设计加速度计开环量程为6.25g×2＝12.5g，而通过闭环设计量程可超过20g乃至更高。根据对加速度计开环单周期加速度计光强-位移响应关系的分析，结合MATLAB软件可得开环单周期加速度计光强-载荷响应理论曲线如图14所示。在线性区内有：

假设输入光强I_in为1mW，将式(31)代入式(15)中可得线性区内光学灵敏度：

假设最小可分辨光强变化ΔI_r＝1nW，则相应的可分辨位移6.218×10^-4nm，因此可得加速度计理论分辨率R满足：

因此光强探测可分辨1nW时，所设计加速度计理论分辨率可达11.87μg。

SiC的莫氏硬度为9，化学性质稳定，一般不与酸或碱反应，只有熔融的(大于600℃)碱金属氢氧化物可以腐蚀它。刻蚀SiC的方法包括熔盐冲刷、高温气体、电化学工艺以及等离子刻蚀。利用熔盐腐蚀对设备与掩膜要求很高，即使利用Pt制作掩膜，仍会因湿法刻蚀各向同性的因素形成钻蚀。光电化学刻蚀基于高能光子照射改变溶解速度的机理，也能够进行SiC的刻蚀。其工艺技术的缺点包括表面形貌粗糙、不能图形化小尺寸的结构、刻蚀速率不均匀等。

干法刻蚀方面激光刻蚀基于强激光光源加热样品使样品快速升温气化制作图形的方式也可以加工出通孔等结构，但表面光滑度较差、加工深度较小。等离子体刻蚀利用高能粒子轰击晶体发生化学反应的方式形成刻蚀。综合来说，等离子体刻蚀在刻蚀速度、刻蚀各向异性、刻蚀表面光滑度等方面具有优势，研究成果最多，是最适合本结构的加工方式。

本发明中采用的SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构的微加工制作工艺如图15所示，采用如下步骤实现：

第一步，SiC晶圆减薄。考虑到降低干法刻蚀难度，晶圆厚度从330μm减薄到60μm。晶片减薄采用ICP深刻蚀工艺，设定反应室气体压力等参数使刻蚀速率超过1μm/min，刻蚀时间约270min，晶片边缘夹持区域(1～2mm)无法进行刻蚀。

第二步，SiC基底片预处理。包括清洗、干燥、表面成膜等，SiC片清洗使用丙酮和乙醇。

第三步，溅射Al₂O₃增透膜。在SiC基底片正面溅射Al₂O₃增透膜，厚度为100nm。

第四步，涂光刻胶，涂胶机涂胶。

第五步，光刻胶图形化。曝光光刻胶表面指定区域，再经显影实现光刻胶图形化。

第六步，腐蚀Al₂O₃。图形化Al₂O₃增透膜层。

第七步，去胶。

第八步，涂光刻胶，涂胶机涂胶。

第九步，光刻胶图形化。曝光光刻胶表面指定区域，再经显影实现光刻胶图形化。

第十步，ICP干法刻蚀。反应气体SF₆+O₂，刻蚀指定区域，深度10μm，刻蚀速率约1μm/min，。

第十一步，去胶。

第十二步，SiC基底片背面涂光刻胶掩膜，涂胶机涂胶，厚度要足够厚，满足深刻蚀要求。

第十三步，光刻胶图形化。紫外曝光，显影。

第十四步，ICP干法刻蚀。反应气体SF₆+O₂，刻蚀指定区域，深度50μm，刻蚀速率约1μm/min，形成悬臂梁-质量块传感结构。

第十五步，去胶，此步之后基片上只剩下耐高温的Al₂O₃增透膜和SiC回旋形悬臂梁-质量块传感结构。

第十六步，图形检查。利用显微镜或扫描式电子显微镜检查器件结构，与设计值进行比较，满足即完成。

Claims (3)

1.一种SiC基微光学高温加速度计，所述的微光学高温加速度计包括LD光源、单模光纤、耦合器、环形器A、环形器B、空心对准套管A、空心对准套管B、FP腔、SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构、增透膜、基底、探测器A、探测器B以及外部封装；所述的微光学高温加速度计通过腔长差设计形成了错位双FP腔结构，实现了交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，提高了加速度计测量的量程；所述的微光学高温加速度计采用质量块表面镀高温增透膜的方式降低了噪声干扰，从而提高了测量精度；提出了SiC基微光学高温加速度计传感结构的微加工制作工艺，辅以耐高温的光纤与空心对准套管组合结构、耐高温封装设计，实现了加速度计敏感头的耐高温特性；所述的基底、SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构和外部封装组成敏感头；所述的增透膜设置在质量块的背面，增透膜材料为氧化铝，厚度e为e＝100nm；使用Al₂O₃作为增透膜降低反射信号，避免噪声干扰；基底材料选取派热克斯玻璃；外部封装材料选取AlN；

所述LD光源与耦合器输入端之间通过单模光纤连接，耦合器、环形器A和环形器B均为三端口器件，环形器A的三个端口分别通过单模光纤连接有耦合器、探测器A和空心对准套管A，环形器B的三个端口分别通过单模光纤连接耦合器、探测器B和空心对准套管B；所述空心对准套管A和空心对准套管B固定在基底上，并且相互平行；所述空心对准套管A和空心对准套管B内的单模光纤的端面与质量块的反射面之间形成不同长度的两个FP腔；所述的环形器A与空心对准套管A之间的光路称为光路A，所述的环形器B与空心对准套管B之间的光路称为光路B；

LD光源出射的光经过耦合器产生两束光分别通过环形器A和环形器B，再分别在单模光纤的端面产生反射光和透射光，透射光进入FP腔后在质量块的反射面发生反射后返回单模光纤，与单模光纤的反射光形成双光束干涉，干涉光分别经过环形器A和环形器B后，由探测器A和探测器B检测干涉光强；当待测加速度信号发生变化，SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构将发生位移变化，质量块位移变化亦即FP腔腔长变化随之引起返回干涉光信号强度变化，通过光强检测即可获得待测加速度信号；

所述的SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构包括回旋形悬臂梁、质量块和基座，所述的回旋形悬臂梁、质量块和基座采用6H-SiC晶片一体加工而成；质量块为正方形结构，四个回旋形悬臂梁相互正交回旋式分布在质量块四周，回旋形悬臂梁的短臂连接质量块，长臂连接基座；

所述的SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构的梁机械刚度通过如下方式设计：

式中η为常数，其值满足：

式中G为悬臂梁剪切弹性模量，E为悬臂梁弹性模量，J为扭转系数，I为悬臂梁的截面惯性矩，l₁和l₂分别为回旋形悬臂梁的短臂长和长臂长。

2.根据权利要求1所述的一种SiC基微光学高温加速度计，其特征在于：所述错位双FP腔的腔长差通过如下方式设计：

根据双光路波长解调系统设计要求，应使光路A和光路B中两路信号的相位差相差270°，即：

式中和分别是光路A和光路B中两次反射光之间的相位差，Δl为光路A和光路B中两个FP腔的腔长之差，考虑到相位差变化360°对应FP腔长的变化为λ/2，设计最终的两个FP腔的腔长差为：

其中，λ为入射光的波长，N＝0,1,2,3...。

3.根据权利要求1所述的一种SiC基微光学高温加速度计，其特征在于：所述的SiC基回旋形悬臂梁-质量块传感结构的微加工制作工艺包括如下步骤：

第一步，SiC晶圆减薄；

第二步，SiC基底片预处理；

第三步，溅射Al₂O₃增透膜；

第四步，涂光刻胶，涂胶机涂胶；

第五步，光刻胶图形化；曝光光刻胶表面指定区域，再经显影实现光刻胶图形化；

第六步，腐蚀Al₂O₃，图形化Al₂O₃增透膜层；

第七步，去胶；

第八步，涂光刻胶，涂胶机涂胶；

第九步，光刻胶图形化；曝光光刻胶表面指定区域，再经显影实现光刻胶图形化；

第十步，ICP干法刻蚀；

第十一步，去胶；

第十二步，SiC基底片背面涂光刻胶掩膜，涂胶机涂胶；

第十三步，光刻胶图形化：紫外曝光，显影；

第十四步，ICP干法刻蚀，形成SiC回旋形悬臂梁-质量块传感结构；

第十五步，去胶，此步之后基片上只剩下耐高温的Al₂O₃增透膜和SiC回旋形悬臂梁-质量块传感结构；

第十六步，图形检查，检查器件结构与设计值比较，满足即完成。