CN106290982B

CN106290982B - 一种加速度计及其制作方法

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Publication number: CN106290982B
Application number: CN201610616973.7A
Authority: CN
Inventors: 王烨; 黄璞; 周经纬; 田添; 杜江峰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: CN106290982A

Abstract

本发明提供一种加速度计及制作该加速度计的方法，利用振动电极振动，产生对应的感应电动势，通过与振动电极相连的一个自组装单分子在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应，从而使得所述感应电动势与所述待测加速度相对应，进而得到对应的加速度信息。本发明利用了单分子的非线性效应改变振动电极的振动频率，使振动电极的振动频率与待测加速度相对应，而振动频率的改变易于测量且灵敏度高，使得本发明的加速度计测量精度高，且灵敏度高。

Description

一种加速度计及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种加速度计及其制作方法。

背景技术

加速度计是一种用来测量物体运动状态的器件。传统的加速度计，以一个质量块作为敏感部件，当载体有某一方向的加速度时，质量块向一个方向偏移，然后通过电极测量这个偏移的位移量(或产生偏移的惯性力)，进而换算得到加速度的值。

按传感元件分类，加速度计包括压电式、电容式和隧道电流式等。其中，压阻式加速度计在质量块的支撑臂上嵌压敏电阻，通过该压敏电阻来感应质量块偏移对支撑臂产生的应力，进而获得加速度的信息；电容式加速度计设置有与质量块对应的极板，质量块的位移会造成该质量块和极板之间的电容变化，通过该电容变化可以换算得到加速度的值；隧道电流式加速度计通过在活动部件上添加一个隧穿针尖，使之与另一电极之间产生隧穿电流，而活动部件产生的位移会导致隧道电流的剧烈变化，通过该隧道电流变化可以获得加速度的信息。

然而，这些加速度计均通过测量质量块的偏移值进行加速度的换算。由于在加速度的测量过程中，质量块的偏移值和质量块感应加速度的灵敏度小，造成这些加速度计测量精度低，灵敏度低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种加速度计及其制作方法，所述加速度计灵敏度高，测量精度高，且不易受到外界环境的干扰。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种加速度计，包括：

衬底，位于所述衬底上的第一电极、第二电极、第三电极和振动电极；

所述第一电极用于连接电源；

所述振动电极与所述第一电极相连，所述振动电极用于在外加磁场下振动，以产生对应的感应电动势；

所述第二电极与所述振动电极通过一个自组装单分子相连，所述自组装单分子用于在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应；

所述第三电极与所述振动电极相连，用于输出所述感应电动势。

优选的，所述振动电极包括位于所述振动电极两端的第一固定端和第二固定端，和位于所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极本体，所述振动电极本体用于在外加磁场下振动，以产生对应的感应电动势。

优选的，所述第二电极与所述振动电极本体通过一个自组装单分子相连，所述述第一电极与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连，所述第二电极与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连。

优选的，所述衬底包括基底，位于基底上的牺牲层和贯穿所述牺牲层的第一沟槽，所述第一沟槽位于所述振动电极本体下方。

优选的，还包括，位于所述衬底上的支撑层和贯穿所述支撑层的第二沟槽，所述第一固定端、所述第二固定端和所述第二电极位于所述支撑层上，所述振动电极本体位于所述第二沟槽上。

优选的，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极的材料为金属。

优选的，所述振动电极的材料为金、银、铬和铜中的任意一种或任意多种的组合。

优选的，所述第二电极与所述振动电极之间包括纳米桥，所述纳米桥包括连接所述第二电极的第一悬臂，连接所述振动电极的第二悬臂，以及连接所述第一悬臂和第二悬臂的所述自组装单分子。

优选的，所述自组装单分子为两端带有巯基基团的有机分子。

一种加速度计的制作方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成第一电极和第三电极；

在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接；

在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层；

断开所述纳米桥，使所述单分子层的一个自组装单分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结，以连接所述第二电极与所述振动电极；

其中，所述第一电极和第三电极分别与所述振动电极相连，所述振动电极用于在外加磁场下振动，以产生对应的感应电动势，所述自组装单分子用于在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应。

优选的，所述在所述衬底上形成第一电极和第三电极，包括：

在所述衬底上形成图形化的第一掩膜；

在所述第一掩膜上形成第一电极层，所述第一电极层包括第一电极和第三电极；

去除所述第一掩膜，形成第一电极和第三电极。

优选的，所述衬底包括基底和牺牲层，所述在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接，包括：

在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜；

在所述第二掩膜上形成第二电极层，所述第二电极层包括第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接；

去除所述第二掩膜；

以所述振动电极的两端分别为第一固定端和第二固定端，以所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极为振动电极本体，在所述振动电极本体下方形成贯穿所述牺牲层的第一沟槽，以使所述振动电极本体在外加磁场下振动。

优选的，所述在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜，包括：

采用电子束光刻工艺在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜。

优选的，所述在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接，包括：

在所述衬底上形成图形化的支撑层；

在所述支撑层上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接；

以所述振动电极的两端分别为第一固定端和第二固定端，以所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极为振动电极本体，在所述振动电极本体下方形成贯穿所述支撑层的第二沟槽，以使所述振动电极本体在外加磁场下振动。

优选的，采用自组装工艺在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层。

优选的，采用电迁移工艺断开所述纳米桥，使所述单分子层的分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种加速度计的结构示意图；

图2为本发明提供的一种加速度计的结构示意图；

图3为本发明图2中振动电极部分的放大图；

图4为本发明振动电极和第二电极通过自组装单分子相连的结构示意图；

图5为本发明振动电极的剖面示意图；

图6为本发明一种加速度计的制作方法流程示意图；

图7为本发明一种加速度计的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

如背景技术所述，现有的加速度计均通过测量质量块的偏移值进行加速度的换算。由于在加速度的测量过程中，质量块的偏移值和质量块感应加速度的灵敏度小，造成这些加速度计测量精度低，灵敏度低。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种加速度计及其制作方法，其中，所述加速度计包括：衬底，位于所述衬底上的第一电极、第二电极、第三电极和振动电极；所述第一电极用于连接电源；所述振动电极与所述第一电极相连，所述振动电极用于振动，以产生对应的感应电动势；所述第二电极与所述振动电极通过一个自组装单分子相连，所述自组装单分子用于在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应；所述第三电极与所述振动电极相连，用于输出所述感应电动势。

所述加速度计的制作方法，包括：提供衬底；在所述衬底上形成第一电极、第二电极、第三电极和振动电极，所述振动电极与所述第二电极之间通过纳米桥连接；在所述纳米桥表面形成自组装分子的单分子层；断开所述纳米桥，使所述单分子层的分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结；形成所述加速度计。

本发明提供的一种加速度计及制作该加速度计的方法，利用振动电极振动，产生对应的感应电动势，通过与振动电极相连的一个自组装单分子在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应，从而使得所述感应电动势与所述待测加速度相对应，进而得到对应的加速度信息。本发明利用了单分子的非线性效应改变振动电极的振动频率，使振动电极的振动频率与待测加速度相对应，而振动频率的改变易于测量且灵敏度高，使得本发明的加速度计测量精度高，且灵敏度高。

以上是本申请的基础思想，为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，下面对该加速度计进行详细说明，以对本发明上述技术方案进行详细描述。

本发明一个实施例提供了的一种加速度计，如图1～5所示，图1～5为本发明提供的一种加速度计的结构示意图，其中，图2为图1的中间部分放大图，图3为图2中振动电极部分104的放大图，图4为振动电极104和第二电极102通过自组装单分子相连的结构示意图，可以看出，所述加速度计包括：

衬底100，位于所述衬底上的第一电极101、第二电极102、第三电极103 和振动电极104；其中，所述第一电极101用于连接电源；所述振动电极104 与所述第一电极相连，所述振动电极104用于振动，以产生对应的感应电动势；所述第二电极102与所述振动电极104通过一个自组装单分子相连，所述自组装单分子用于在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应；所述第三电极103 与所述振动电极104相连，用于输出所述感应电动势。

其中，在本实施例中衬底100为半导体衬底，在器件中起到机械支撑的作用。在本申请的其他实施例中，所述衬底还可以为其他材料，只要其能够支撑本申请的所述加速度计且不影响位于衬底上的各个电极的电气性能即可。在本实施例中，所述衬底100具体为硅衬底。

在衬底100上，设置有第一电极、第二电极、第三电极和振动电极，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极的材料为导电材料，用于进行电信号的传输，具体的，在本实施例中，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极的材料为金属，可以为金、银、铬和铜中的任意一种或任意多种的组合。具体的，在本实施例中，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极的材料为金和铬的组合。具体的，金属铬用于作为金与衬底的粘附材料，金属金则是作为主要的导电材料，实现电信号的传输。

进一步的，在本实施例中，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极分别具有不同的厚度。其中，所述第一电极和第三电极的厚度大于第二电极和振动电极的厚度。第一电极和第三电极的厚度大，可以使得第一电极和第三电极具有较小的电阻，从而利于电信号的传输。而第二电极和振动电极的厚度小可以使得振动电极能够具有较大的弹性，从而在待测加速度下具有更大幅值的振动。具体的，所述第一电极和第三电极的厚度为80～150nm，在本实施例中，所述第一电极的厚度为100nm，所述第三电极的厚度为120nm，所述第二电极和振动电极的厚度为30～60nm，在本实施例中，所述第二电极的厚度为40nm，所述振动电极的厚度为50nm，并且，为使振动电极104具有较好的弹性系数，所述振动电极的宽度越小越好，在具体的，所述振动电极的宽度为40～80nm，在本实施例中，所述振动电极的宽度为60nm。

在本实施例中，所述第二电极与所述振动电极通过一个自组装单分子相连，具体的，所述第二电极与所述振动电极之间包括纳米桥，所述纳米桥包括连接所述第二电极的第一悬臂，连接所述振动电极的第二悬臂，以及连接所述第一悬臂和第二悬臂的所述自组装单分子，进而形成第二电极与振动电极之间的连接。

其中，如图5所示的振动电极104剖面图，所述振动电极包括位于所述振动电极两端的第一固定端1041和第二固定端1042，和位于所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极本体1043，所述振动电极本体用于在外加磁场下振动，以产生对应的感应电动势。具体的，所述第一固定端和所述第二固定端可以具有比振动电极本体更大的宽度，也可以与振动电极本体具有相同的宽度。

具体的，在本实施例中，所述第二电极102与所述振动电极本体通过一个自组装分子相连，所述述第一电极101与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连，所述第二电极102与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连。在本实施例中，所述第一电极101与所述第一固定端相连，所述第二电极102与第二固定端相连。

在本实施例中，所述衬底100包括基底、位于基底上的牺牲层110和贯穿所述牺牲层的第一沟槽120，所述第一沟槽120位于振动电极本体下方，以免阻碍所述振动电极本体振动。即，在振动电极本体下方设置第一沟槽，以免阻碍振动电极的振动。

其中，为保证振动电极振动的幅值，下方设有第一沟槽的振动电极本体的长度为50～500nm，在本实施例中，所述振动电极本体的长度为200nm。在本实施例中，为保证结构的连接性，所述牺牲层为双层结构，包括一层二氧化硅层111和一层硅层112。

在本实施例中，所述第二电极与振动电极本体通过一个自组装单分子相连。并且，所述自组装单分子一端与第二电极相连，一端与第一沟槽上的振动电极相连，且所述自组装单分子位于所述第一沟槽120上，以免影响所述振动电极的振幅。

在本申请的其他实施例中，所述振动电极和所述衬底之间还可以包括位于所述衬底上的支撑层和贯穿所述支撑层的第二沟槽，所述第一固定端、所述第二固定端和所述第二电极位于所述支撑层上，所述振动电极本体位于所述第二沟槽上。

其中，所述自组装单分子为两端带有巯基基团的有机分子。所述巯基基团能够较好的与金属原子键合，进而形成连接结构。并且，所述自组装单分子可以优选为链状分子。在本实施例中，所述自组装单分子为1，8-辛二硫醇。在本申请的其他实施例中，所述自组装分子还可以为1，2-乙二硫醇，或者1， 4-丁二硫醇，或者对苯二硫酚等。

由于单分子的的非线性效应，在有外界加速度的环境下，所述单分子的振动频率会产生变化，进而带动振动电极的振动频率产生变化，而振动频率的改变易于测量且灵敏度高，使得本实施例的加速度计测量精度高，且灵敏度高。

本实施例提供的加速度计，利用振动电极振动，产生对应的感应电动势，通过与振动电极相连的一个自组装单分子在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应，从而使得所述感应电动势与所述待测加速度相对应，进而得到对应的加速度信息。本发明利用了单分子的非线性效应改变振动电极的振动频率，使振动电极的振动频率与待测加速度相对应，而振动频率的改变易于测量且灵敏度高，使得本发明的加速度计测量精度高，且灵敏度高。

相应的，本申请的另一实施例还提供了一种加速度计的制作方法。如图6 所示，具体的，所述方法包括：

步骤S101：提供衬底；

步骤S102：在所述衬底上形成第一电极和第三电极；

步骤S103：在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接；

步骤S104：在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层；

步骤S105：断开所述纳米桥，使所述单分子层的一个自组装单分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结，以连接所述第二电极与所述振动电极；

具体的，在步骤S101中，本实施例中将尺寸是15mm×15mm或25mm×25mm，厚度为700μm的硅衬底作为本申请中的衬底。

其中，可以将基片进行划片，以得到对应的衬底，所述基片可以是6英寸或8英寸的SOI基片。

首先，对基片进行清洗处理。在超声机中，依次用丙酮、异丙酮和去离子水清洗基片。清洗完毕后，从超声机中取出基片，用氮气枪吹干。在光学显微镜下检查基片的干净程度。上述清洗过程中，基板要始终浸入溶液中。在夹取基片过程中，要用镊子轻拿轻放，避免划伤基片。

清洗完成后，用划片机划成小片，小片尺寸是15mm×15mm或25mm×25mm。划片完成后，用丙酮和异丙酮分别超声清洗基片，然后用去等离子体水清洗，在高纯度的氮气流中烘干。

在本申请的其他实施例中，也可以以其他尺寸的硅衬底作为衬底，或者，直接以6英寸或8英寸的SOI基片作为衬底，先进行后续工艺，最后再进行划片。

在步骤S102中，所述在所述衬底上形成第一电极和第三电极，可以包括如下步骤：

步骤A1：在所述衬底上形成图形化的第一掩膜；

步骤A2：在所述第一掩膜上形成第一电极层，所述第一电极层包括第一电极和第三电极；

步骤A3：去除所述第一掩膜，形成第一电极和第三电极。

具体的，本实施例中步骤A1可以采用紫外光刻的方式形成图形化的第一掩膜。

如果进行了步骤S101的划片步骤，可以直接进行光刻。如果没有进行上述过程，则应进行划片步骤中的清洗过程。

之后，进行涂光刻胶、紫外曝光和显影，最终形成图形化的光刻胶层作为第一掩膜。

在本实施例中，步骤A2可以采用蒸镀工艺形成第一电极层。在本申请的其他实施例中，步骤A2可以采用磁控溅射来形成第一电极层。

具体的，所述第一电极层可以包括多层金属层，具体的，在本实施例中，所述第一电极层依次包括铬金属层、金金属层和铬金属层。

在本实施例中，步骤A3可以采用剥离工艺去除所述第一掩膜。

具体的，由于所述第一掩膜为光刻胶层，因此，直接采用剥离工艺去除所述第一掩膜。

需要说明的是，步骤S102中，步骤A1～步骤A3可以多次重复进行，以便于使第一电极和第三电极达到预设的厚度。在加速度计中，通常会将第一电极和第三电极进行加厚处理，以减小第一电极和第三电极的电阻。

在步骤S103中，在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接。具体的，可以采用两种方式进行本步骤，一种是去除部分衬底的方式形成振动电极，一种是在衬底上形成支撑层的方式形成振动电极。具体的，采用去除部分衬底的方式，在进行衬底的选取时，可以选用具有多层结构的衬底，在本实施例中，所述衬底包括基底和牺牲层，采用去除部分衬底的方式可以包括如下步骤：

步骤B1：在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜；

具体的，可以采用电子束光刻工艺形成图形化的第二掩膜。具体的，本步骤可以包括，对衬底进行清洗，之后，旋涂电子束光刻胶，烘烤180度90s，之后，进行电子束光刻，显影，形成图形化的第二掩膜。

步骤B2：在所述第二掩膜上形成第二电极层，所述第二电极层包括第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接；

具体的，本步骤可以采用蒸镀或者磁控溅射形成所述第二电极层。

步骤B3：去除所述第二掩膜；

具体的，本步骤可以采用剥离的方式去除所述第二掩膜。

步骤B4：以所述振动电极的两端分别为第一固定端和第二固定端，以所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极为振动电极本体，在所述振动电极本体下方形成贯穿所述牺牲层的第一沟槽，以使所述振动电极本体在外加磁场下振动。

具体的，可以采用刻蚀的方法在所述振动电极本体下方形成贯穿所述牺牲层的第一沟槽。本领域公知的干法刻蚀或湿法刻蚀或者两者的结合均可以实现本步骤，本申请在此不做具体的限定。

在步骤S103中，采用在衬底上形成支撑层的方式包括如下步骤：

步骤C1：在所述衬底上形成图形化的支撑层。

具体的，所述支撑层用于抬高所述第二电极和振动电极，增大所述第二电极和振动电极与衬底之间的距离。所述支撑层的厚度可以根据实际需要进行设置，在此不再限定。

步骤C2：在所述支撑层上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接。

在所述支撑层上形成第二电极和振动电极与步骤B1～B3中相似，仅仅是形成第二电极和振动电极的基底层不同，在此不做赘述。

步骤C3：以所述振动电极的两端分别为第一固定端和第二固定端，以所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极为振动电极本体，在所述振动电极本体下方形成贯穿所述支撑层的第二沟槽，以使所述振动电极本体在外加磁场下振动。

具体的，可以采用刻蚀的方法在所述振动电极本体下方形成贯穿所述支撑层的第二沟槽。本领域公知的干法刻蚀或湿法刻蚀或者两者的结合均可以实现本步骤，本申请在此不做具体的限定。

需要说明的是，在本步骤形成振动电极过程中，由于振动电极需要较高的灵敏度，因此，振动电极为线形结构。在本申请的其他实施例中，所述振动电极还可以为其他结构，本申请在此不做限定。

在步骤S104中，在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层，可以采用自组装工艺形成。

具体的，以1,8-辛二硫醇作为自组装单分子为例。首先进行清洗。采用氧等离子体处理一分钟，清除有机分子杂质。然后进行分子自组装单，放入手套箱中，浸入1,8-辛二硫醇的乙醇溶液中静置，具体的静置时间可以为24小时，使有机分子充分地与电极进行分子的自组装。由于1,8-辛二硫醇是两个末端带有巯基(-SH)，可以在电极表面，通过共价键作用与金属分子紧密结合，形成自组装单分子层。之后进行清洗，用乙醇溶液清洗，并在氮气流中吹干。之后，从手套箱中取出来，放入低温真空腔。

在步骤S105：断开所述纳米桥，使所述单分子层的一个自组装单分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结，以连接所述第二电极与所述振动电极。其中，可以采用电迁移工艺断开所述纳米桥，使所述单分子层的分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结。

具体的，在振动电极和第二电极的两端加直流电压，通过不断增加直流电压的大小来监控电阻的变化。一般来说，当电压增加到一定程度时，电阻会突然大幅增加，这时要迅速把外加电压设定为零。重复上述操作，直到达到纳米间隔的超导隧穿结的电阻，该电阻阻值通常不超过几个兆欧。采用这种方法形成的隧穿结的间距小于5nm即可，在本步骤中形成的遂穿结大约为 1-2nm，自组装单分子会落入这个间隙，形成单分子结。

具体的，采用上述实施例制作得到的加速度计，在进行使用时，应将该加速度计置于一个稳定的外加磁场中，以使振动电极振动，并产生相应的感应电动势。当进行加速度的测量时，感应电动势与加速度的关系如下：

具体的，将制作好的加速度计置于一个垂直于加速度计的衬底所在平面的匀强磁场区域，接入相应的电路中，等效电路如图7所示，加速度计等价于电阻Z_m，电感L_m，电容C_m三者并联，外加电压源V₁和电阻Z₁(|Z₁|＞＞1，Z₁远大于1欧姆)串联提供电流源，在加速度计一端接入输出电压表。设磁场强度为B，通入电流为I_D，振动电极本体质量为m，长度为l，弹性系数为k，品质因子Q₀，衰减系数为r，固有频率为ω₀。

当振动频率ω＝ω₀时，

(1)输出电压V_out随ω₀的变化关系

加速度计在磁场中受到的洛伦兹力为：

F_D(t)＝BI_D(t)l，

运动方程可以表示为：

感应电动势为：

其中，ε为磁场中的介质的介电常数。

经过傅利叶变换后，感应电动势可写为：

其中电流：

品质因子：

弹性系数：

保持ω不变，则输出电压V_out随ω₀的变化关系为：

(2)输出电压与加速度的关系

单分子结的势能函数为U(x)＝U₀(x)+F·x，

其中x是单分子结的形变量，F是分子弹性力，U₀(x)是普通谐振子的势能函数。

按照泰勒展开，

其中x＝0是U₀(x)的极小值点。

当分子势能函数在平衡位置x＝x_eq时，则

由牛顿第二定律F＝ma，则

谐振子的频率为

因此，输出电压与加速度的关系是：

加速度的灵敏度为：

通过上面计算出的输出电压与加速度的关系式，可以通过测量出的电路中的输入和输出电压，来计算出加速度的大小，进而可以实时反应加速度的关系。从而实现了振动与电信号之间的转换，通过测量电信号，即可测量出分子结的加速度。

采用本实施例方法制作的加速度计，利用振动电极振动，产生对应的感应电动势，通过与振动电极相连的一个自组装单分子在待测加速度的作用下改变所述振动电极的振动频率，以使所述振动电极的振动频率与所述待测加速度相对应，从而使得所述感应电动势与所述待测加速度相对应，进而得到对应的加速度信息。本发明利用了单分子的非线性效应改变振动电极的振动频率，使振动电极的振动频率与待测加速度相对应，而振动频率的改变易于测量且灵敏度高，使得本发明的加速度计测量精度高，且灵敏度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种加速度计，其特征在于，包括：

所述第一电极用于连接电源；

2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述振动电极包括位于所述振动电极两端的第一固定端和第二固定端，和位于所述第一固定端和第二固定端之间的振动电极本体，所述振动电极本体用于在外加磁场下振动，以产生对应的感应电动势。

3.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述第二电极与所述振动电极本体通过一个自组装单分子相连，所述第一电极与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连，所述第二电极与所述第一固定端和第二固定端中的任一固定端相连。

4.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，所述衬底包括基底，位于基底上的牺牲层和贯穿所述牺牲层的第一沟槽，所述第一沟槽位于所述振动电极本体下方。

5.根据权利要求2所述的加速度计，其特征在于，还包括，位于所述衬底上的支撑层和贯穿所述支撑层的第二沟槽，所述第一固定端、所述第二固定端和所述第二电极位于所述支撑层上，所述振动电极本体位于所述第二沟槽上。

6.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极和振动电极的材料为金属。

7.根据权利要求6所述的加速度计，其特征在于，所述振动电极的材料为金、银、铬和铜中的任意一种或任意多种的组合。

8.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述第二电极与所述振动电极之间包括纳米桥，所述纳米桥包括连接所述第二电极的第一悬臂，连接所述振动电极的第二悬臂，以及连接所述第一悬臂和第二悬臂的所述自组装单分子。

9.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述自组装单分子为两端带有巯基基团的有机分子。

10.一种加速度计的制作方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成第一电极和第三电极；

在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层；

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上形成第一电极和第三电极，包括：

在所述衬底上形成图形化的第一掩膜；

去除所述第一掩膜，形成第一电极和第三电极。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述衬底包括基底和牺牲层，所述在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接，包括：

在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜；

去除所述第二掩膜；

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述在所述牺牲层上形成图形化的第二掩膜，包括：

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上形成第二电极和振动电极，所述第二电极与所述振动电极之间通过纳米桥连接，包括：

在所述衬底上形成图形化的支撑层；

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，采用自组装工艺在所述纳米桥表面形成自组装单分子的单分子层。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，采用电迁移工艺断开所述纳米桥，使所述单分子层的分子落入所述纳米桥之间，形成单分子结。