CN105445494B - 一种基于平面环形腔的moems加速度计及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学领域和微机电系统领域，具体为一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。加速度计包括：基底、悬臂梁、光栅、直波导和微环谐振腔。该加速度计的基本工作原理：首先入射光通过光栅耦合进直波导，在直波导中传输的光以倏式场的形式耦合进微环谐振腔，满足谐振条件的光在微环谐振腔内发生谐振产生与之相对应的透射峰。当系统受外力冲击时，在加速度的作用下，悬臂梁受惯性力的作用发生形变，使集成在悬臂梁上的微环谐振腔产生微小的变形，进而使微环谐振腔的有效折射率改变，导致微环谐振腔腔的谐振峰发生偏移，通过测量谐振点产生的偏移量，就可以对相应的加速度值进行标定。
Description
技术领域
本发明属于光学领域和微机电系统领域，具体为一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。
背景技术
加速度计现已广泛应用于汽车工业、机器人、可穿戴设备、工程测振、地质勘探、导航系统、航空航天等多种领域，凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都会用到加速度计。当今在微电子机械系统（MEMS）技术不断进步的条件下，加速度计的研发取得了巨大的进步，体积不断减小，灵敏度、稳定性、抗干扰能力不断提高，各种微小型的加速度计已得到了广泛的商业化应用。伴随着微光机电系统（MOEMS）的发展，许多领域如潜艇的惯性导航系统、卫星姿态控制，对加速度计的精度提出了更高的要求。高精度微光机电加速度计是一种基于光学技术和MEMS制造技术的新型加速度计，由于其体积小、功耗低、易于集成等优点在航空、航天自动驾驶与高技术武器的高精度制导领域具有非常大的研究潜力。将光学微腔的高Q值、高精细度、高敏感等特性用于高精度微光机电加速度计的研究，可解决航空航天事业对惯性导航与制导系统高精度加速度计的瓶颈问题。悬臂梁式加速度计的悬臂梁上设置的敏感单元多为集成电容、压敏电阻等，通过检测敏感单元的电压或电流变化测量质量块的位移。但是基于这些敏感元件的悬臂梁式加速度计其分辨率、灵敏度等性能参数不易提高。
发明内容
本发明为了解决基于集成电容、压敏电阻的悬臂梁式加速度计分辨率、灵敏度等性能参数不易提高的问题，提供了一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计，包括SOI片，SOI片中的衬底硅作为基底，在基底的一侧刻蚀有悬臂梁，顶层硅上刻蚀有相互耦合的直波导和环形跑道状的微环谐振腔，其中微环谐振腔位于悬臂梁上，直波导的入射端和出射端都还刻蚀有光栅。
在直波导中传输的光以倏式场的形式耦合进微环谐振腔，满足谐振条件的光在微环谐振腔内发生谐振。当系统受外力作用时，在加速度的作用下，悬臂梁受惯性力的作用发生形变，使集成在悬臂梁上的微环谐振腔产生微小的变形，进而使微环谐振腔的有效折射率改变，导致微环谐振腔的谐振峰发生偏移，通过测量谐振点产生的偏移量，就可以标定相应的加速度值；本发明中，光栅、直波导、微环谐振腔和悬臂梁集成在一起，这种一体式的结构有助于减少由分离元器件互相连接耦合造成的损耗；悬臂梁上采用了环形跑道状的微环谐振腔，增加了谐振腔的长度，提高了加速度计的灵敏度；加速度计所用材料为硅-二氧化硅-硅SOI片。
基于平面微环谐振腔的悬臂梁式加速度计以微环谐振腔作为敏感元件，当受外力作用时，微环谐振腔的折射率发生变化，导致微环谐振腔中的光程发生变化，引起光波导透射谱的共振峰发生偏移，通过光电转换器将光信号转换成电信号，分析电信号的变化即可得到悬臂梁所受加速度的变化情况。由于微环谐振腔对悬臂梁的微弱变化非常敏感，所以可用于制作高灵敏度、高分辨率的加速度计。
上述的基于平面环形腔的MOEMS加速度计的制造方法，包括以下步骤：
第一步：选取SOI片并对SOI片进行预处理，消除SOI片中存在的残余应力，减少由于残余应力而造成的结构损坏，提高成品率；
第二步：在预处理后的SOI片上涂覆光刻胶；
第三步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻、显影，水洗吹干，在光刻胶层上得到金属标记图案胶槽；
第四步：先后在金属标记图案胶槽内镀钛和金，然后去掉SOI片上的光刻胶层，最后进行超声波清洗，在SOI片上得到加工直波导、微环谐振腔和光栅时对准所需的金属标记图案；
第五步：在得到标记图案的SOI片上涂覆光刻胶；
第六步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片曝光、显影后，SOI片上得到直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层；
第七步：进行深硅刻蚀，将直波导掩膜层左右两侧的硅刻蚀掉，将微环谐振腔掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后去掉直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层，得到所需的直波导和微环谐振腔；
第八步：在得到直波导和微环谐振腔的SOI片上涂覆光刻胶，曝光、显影，SOI片上得到位于直波导入射端和出射端的光栅掩膜层，进行深硅刻蚀，将光栅掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后将光栅掩膜层去掉，得到光栅；
第九步：在得到光栅的SOI片上涂覆光刻胶；
第十步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻、显影后，得到悬臂梁掩膜层；
第十一步：进行悬臂梁刻蚀；依次将悬臂梁掩膜层附近的顶层硅、二氧化硅以及衬底硅刻蚀掉，得到悬臂梁，最后得到加速度计。
本发明所提供的MOEMS加速度计及其制造方法具有如下优点；首先加工之前对SOI片进行了预热处理，减小了SOI片上的预应力，提高了结构的成品率；采用了跑道形的微环谐振腔增加了光程差，提高了加速度计的灵敏度，同时微环谐振腔的Q值高，可以显著提高加速度计的测量精度，平面化的微环腔结构易于集成，也适合批量生产。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
图2为MOEMS加速度计的结构示意图。
图中：1-直波导，2-微环谐振腔，3-基底，4-悬臂梁，5-光栅。
具体实施方式
一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计，包括SOI片，SOI片中的衬底硅作为基底3，在基底3的一侧刻蚀有悬臂梁4，顶层硅上刻蚀有相互耦合的直波导1和环形跑道状的微环谐振腔2，其中微环谐振腔2位于悬臂梁4上，直波导1的入射端和出射端都还刻蚀有光栅5。
上述的基于平面环形腔的MOEMS加速度计的制造方法，包括以下步骤：
第一步：选取SOI片并对SOI片进行高温预处理，消除SOI片中存在的残余应力，减少由于残余应力而造成的结构损坏，提高成品率；
第二步：在预处理后的SOI硅片上涂覆AZ5214光刻胶，涂覆光刻胶时转速为4000rad/min，匀胶持续时间为30s；
第三步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻5.5s，用显影液显影45s，水洗吹干，在光刻胶层上得到金属标记图案胶槽；
第四步：利用磁控溅射或电子束蒸发，先在金属标记图案胶槽内镀30nm厚的钛，然后在金属标记图案胶槽内镀130nm厚的金，再用丙酮浸泡半小时，去掉SOI片上的光刻胶层，最后进行超声波清洗，在SOI片上得到加工直波导、微环谐振腔和光栅时对准所需的金属标记图案；
第五步：在得到标记图案的SOI片上涂覆PMMA4光刻胶，涂覆光刻胶时转速为4000rad/min，匀胶持续时间30s；
第六步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片用电子束曝光，再用四甲基二戊酮与异丙醇的质量配比为1:3的溶液显影2min，异丙醇定影30s，吹干、镜检，SOI片上得到直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层；
第七步：进行深硅刻蚀24s，将直波导掩膜层左右两侧的硅刻蚀掉，将微环谐振腔掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后去掉直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层，得到所需的直波导和微环谐振腔；
第八步：在得到直波导和微环谐振腔的SOI片上涂覆光刻胶，涂覆光刻胶时转速为4000rad/min，匀胶持续时间30s；然后用电子束曝光，四甲基二戊酮与异丙醇的质量配比为1:3形成的溶液显影2min，异丙醇定影30s，吹干、镜检，SOI片上得到光栅掩膜层；最后进行深硅刻蚀10s，将光栅掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后将光栅掩膜层去掉，得到光栅；
第九步：在得到光栅的SOI片上涂覆AZ4620光刻胶，涂覆光刻胶时，低速600rad/min，匀胶6s，高速4000rad/min，匀胶40s；
第十步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻（套刻悬臂梁）17s，用浓度为25%的TMAH与H2O的质量配比为1:8形成的溶液显影50s，水洗、吹干、镜检，得到悬臂梁掩膜层；
第十一步：进行悬臂梁刻蚀；感应耦合等离子刻蚀24s（各向异性刻蚀顶层硅），即将悬臂梁掩膜层附近的顶层硅刻蚀掉，RIE刻蚀（埋氧层二氧化硅）每次持续15min刻3次，即将悬臂梁掩膜层附近的二氧化硅刻蚀掉，感应耦合等离子刻蚀45min（各向同性刻蚀衬底硅，释放悬臂梁），即将悬臂梁掩膜层底部的衬底硅刻蚀掉，SOI片上的底层硅作为基底，最后得到加速度计。
系统在检测加速度计的过程中，激光器产生的光束打在直波导下侧的光删5上，入射光经光栅5耦合到直波导1，并在直波导1和微环谐振腔2的耦合区域以倏逝场的形式和微环谐振腔2发生耦合，符合条件的部分光线进入了微环谐振腔2使得出射直波导的输出光强减少，而其它没有耦合进去的光则正常输出，这样在直波导端口的出射端就形成对应的谐振谱线。当悬臂梁受到外界载荷冲击时，悬臂梁发生弯曲使微环谐振腔2的折射率发生，光的传输特性也发生改变，使微环谐振腔2输出的谱线发生漂移。通过检测输出谱线的偏移就可以得到相应的加速度值。
Claims (1)
1.一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计，其特征在于包括SOI片，SOI片中的衬底硅作为基底（3），在基底（3）的一侧刻蚀有悬臂梁（4），顶层硅上刻蚀有相互耦合的直波导（1）和环形跑道状的微环谐振腔（2），其中微环谐振腔（2）位于悬臂梁（4）上，直波导（1）的入射端和出射端都还刻蚀有光栅（5），其制造方法包括以下步骤：
第一步：选取SOI片并对SOI片进行预热处理，消除SOI片中存在的残余应力，减少由于残余应力而造成的结构损坏，提高成品率；
第二步：在预处理后的SOI片上涂覆光刻胶；
第三步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻、显影，水洗吹干，在光刻胶层上得到金属标记图案胶槽；
第四步：先后在金属标记图案胶槽内镀钛和金，然后去掉SOI片上的光刻胶层，最后进行超声波清洗，在SOI片上得到加工直波导、微环谐振腔和光栅时对准所需的金属标记图案；
第五步：在得到标记图案的SOI片上涂覆光刻胶；
第六步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片曝光、显影后，SOI片上得到直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层；
第七步：进行深硅刻蚀，将直波导掩膜层左右两侧的硅刻蚀掉，将微环谐振腔掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后去掉直波导掩膜层和微环谐振腔掩膜层，得到所需的直波导和微环谐振腔；
第八步：在得到直波导和微环谐振腔的SOI片上涂覆光刻胶，曝光、显影，SOI片上得到光栅掩膜层，进行深硅刻蚀，将光栅掩膜层附近的硅刻蚀掉，然后将光栅掩膜层去掉，得到光栅；
第九步：在得到光栅的SOI片上涂覆光刻胶；
第十步：对上述涂覆光刻胶后的SOI片光刻、显影后，得到悬臂梁掩膜层；
第十一步：进行悬臂梁刻蚀；感应耦合等离子刻蚀，即将悬臂梁掩膜层附近的顶层硅刻蚀掉，RIE刻蚀，即将悬臂梁掩膜层附近的二氧化硅刻蚀掉，感应耦合等离子刻蚀，即将悬臂梁掩膜层底部的衬底硅刻蚀掉，依次将悬臂梁掩膜层附近的顶层硅、二氧化硅以及衬底硅刻蚀掉，得到悬臂梁，最后得到加速度计。
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