CN106443065B - 高精度波长形加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度波长形加速度传感器及其制备方法，包括：1）提供第一半导体基底，在第一半导体基底的表面形成第一凹槽；2）提供第二半导体基底，在第二半导体基底的表面形成闪耀光栅结构；3）将第一半导体基底与第二半导体基底键合以形成键合基底；4）提供第一盖板，将第一盖板与键合基底键合；5）依据第一凹槽及闪耀光栅结构对键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁及惯性质量块；6）提供第二盖板，在第二盖板表面形成第二凹槽；7）将第二盖板与步骤5）得到的结构进行键合。本发明将加速度敏感单元与检测单元集成批量化制造，具有体积小、结构简单、成本低、封装简单等特点。

Description

高精度波长形加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及一种高精度波长形加速度传感器及其制备方法。

背景技术

加速度传感器是一种重要的惯性传感器，是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电学或光学信号的测试器件。加速度传感器种类繁多，按信号检测方式分类，可分为电学检测加速度传感器和光学检测加速度传感器。

电学检测加速度传感器采用机电方法测量质量块的惯性力或位移，光学检测加速度传感器则采用光学信号测量质量块的惯性力或位移，与前者相比，不但具有抗电磁干扰无与伦比的独特优点，而且体小质轻，动态范围宽，精度高，能在高温、高湿等恶劣环境下工作。光学检测加速度传感器为了提高传输距离和抗电磁干扰能力，通常采用光纤作为信号传输手段，因此，衍生出了光纤加速度传感器。光纤加速度传感器按光纤传感机理可以分为光强调制、相位调制、波长调制和频率调制等几类。目前对光纤加速度传感器，研究较多的是光强和相位调制两种方式，技术也相对成熟。光强调制型又可分为透射式、反射式和偏振式三种；相位调制型又可分为F-P型、Michelson型和Mach-Zender干涉型。其中F-P相位调制型光纤加速度传感器分辨率可达数μg，但其动态范围仅为70dB左右。

目前，加速度传感器的技术发展现状如下：

20世纪20年代初第一个商业化的加速度传感器面世以来，基于压电和压阻效应不同性能的加速度传感器也相继出现。然而传统中高性能的加速度传感器价格昂贵，使其应用只限制于军事和航空航天等领域。为了解决这些问题，20世纪60年代，许多研究者开展了利用半导体加工方法制造集成传感器的研究。1979年，美国Stanford大学的Rolyance和Angell等人首次报道了在硅片上基于MEMS体硅微机械技术制造的加速度传感器，标志着加速度传感器的发展进入了新时代。采用MEMS技术制造的加速度传感器具有体积小，重量轻，成本低，功耗低，易集成和批量化生产等优点，为加速度传感器在汽车电子、消费电子等领域的应用铺平了道路。

进入21世纪，随着光通信技术的发展以及光器件成本的大幅度下降，光纤为光检测技术和MEMS技术提供了很好的结合方式。由于光纤具有耐腐蚀、抗电磁干扰、长距离传输、易于组网等优点，因而利用光纤将光束通过各种路径导入到被测敏感结构上，很适合复杂结构空间和环境条件下的加速度传感。因此国内外越来越关注适合于MEMS敏感结构的加速度光学检测技术并开展了研究。与传统光学检测应用不同，适合于MEMS敏感结构的加速度光学检测要求检测光路本身必须微型化，可与MEMS敏感结构集成制造并实现微型封装。传统光学加速度传感器采用传统机械工艺制作振动敏感质量块，体积较大。光学检测技术与MEMS技术相结合的光学MEMS加速度传感器，不但具有传统光学加速度传感器高灵敏度、高频响、高分辨率的特点，而且还使传统光学加速度传感器的体积缩小，重量减轻，便于批量生产。

(1)基于倏逝波耦合光学MEMS加速度传感器

当光波从高折射率的介质(光密介质)射向低折射率介质(光疏介质)发生全反射时，光波并不是绝对的在界面上被全部反射回高折射率的介质，而是透入低折射率介质很薄的一层界面(约一个波长)并沿着界面传输一段距离(波长量级)，最后返回高折射率的介质中。这种存在于低折射率介质的界面附近的光波称为倏逝波。基于亚波长光栅倏逝波耦合的光学MEMS加速度传感器的光学转换元件由具有不同光栅常数的两块振幅光栅组成，其中一块光栅制作在玻璃衬底表面，另一块光栅制造在由梁支撑的质量块表面。当入射光的波长小于两振幅光栅的周期时，入射光经第一个亚波长光栅衍射只有沿Z轴方向传播零级衍射光束，1级和高级衍射光以倏逝波的形式沿X轴方向传播，再经过第二个亚波长光栅时，则会产生1级和高级衍射光，且1级和高级衍射光的光强与两光栅的垂直距离有关。

(2)基于光纤耦合光学MEMS加速度传感器

两光纤通相互耦合的耦合效率取决于两光纤的相对位置(两光纤的横向距离，纵向距离以及两光纤轴线的夹角)以及间隙之间的折射率分布。因此当两光纤的相对位置或间隙之间的折射率分布由于外界加速度作用而发生改变时，可以通过测量耦合光功率探测外界的加速度。一种实用化的通过改变波导之间折射率分布方式探测外界加速度的光学加速度传感器，固定在衬底槽型结构中的两根光纤端面正对，并且其沟道间隙有光挡板。挡板一端与悬臂梁支撑的质量块连接。在外界加速度作用下挡板会随质量块移动，改变两光纤的耦合效率。

(3)基于光谐振器的光学MEMS加速度传感器

光学谐振器一般通过反馈的方式将光送入一个闭合的回路，当光波在回路中传播一个周期后的相位位移为2π的整数倍时，由于谐振效应则在回路中形成稳定的谐振模式。当谐振器的腔长较大时，谐振器中存在许多谐振模式，不同的模式则对应不同的谐振波长。按结构形式可分为Fabry-Perot光学谐振器和微环光学谐振器。

Fabry-Perot光学谐振器由两个互相平行的高反射率的镜面组成，当一束入射光以任意角度入射Fabry-Perot谐振腔后，在两个高反射镜面间发生多次的反射和透射。反射光和投射光产生多光束干涉，形成的透射光谱和反射光谱具有一系列独立的谱线，且随腔长的变化而变化。

微环谐振器可以看作Fabry-perot谐振器的波导实现方式，单个微环包括全通型微环和上下载型两种，其中单环全通型结构目前广泛应用于光学传感。单环全通型含有一个输入/输出直波导和一个微环波导，当光经过环型波导和直波导的耦合区，由于倏逝波的耦合，直波导的一部分光耦合入环型波导，另一部分直接穿过直波导。而环形波导的光波经过延迟后在耦合区也分为两部分，一部分光耦合入直波导，另一部分继续沿环形波导传输。通过干涉，直波导输出端形成透射光谱，且与光绕环形波导传输的光程有关。

一种基于Fabry-perot谐振器的平面内加速度传感器，Fabry-Perot谐振器的两个高反射率镜面由空气和单晶硅构成的布拉格反射镜组成，其中一面布拉格反射镜制作在由双质量块支撑的横梁上，另一面布拉格反射镜制作在光传输波导上。在外界加速度作用下，两布拉格反射镜的距离发生改变，从而对Fabry-perot谐振器的透射光强度(波长)进行调制。

(4)基于衍射光栅光学MEMS加速度传感器

衍射光栅是光学仪器的一种核心单元器件，能对入射光的振幅或相位，或者两者同时进行产生周期性的空间调制。光栅具有四个基本的性质：色散、分束、偏振和相位匹配。光栅的色散特性是可将入射复色光波按照不同波长在空间传播方向上分离形成光谱。光栅的分束特性是指光栅能够将一束单色入射光分成多束出射光的本领。光栅的偏振特性是指当光栅的特征尺寸接近入射光的波长时，光栅可以起到偏振作用。光栅的相位匹配特性是指光栅具有将两个传播常数不同的波耦合起来的本领。

一种基于衍射光栅的光强调制型加速度传感器，它的光学转换元件由两组梳齿构成的，其中一组梳齿制作在传感器的边框上形成固定光栅；另一组梳齿附着在弹性梁支撑的质量块上，可随质量块垂直移动形成可动光栅。当光照射两光栅时，由于衍射而产生多束衍射光。在传感器敏感方向的加速度作用下，可动光栅会相对于固定光栅移动，使两光栅的相位发生改变，进而导致各级衍射光的强度发生改变。

随着加速度传感器应用场合的拓展，对加速度传感器的性能也提出了更高要求，现有的MEMS加速度传感器还面临以下几个关键技术的难点：

1)光强或相位调制型微光机电加速度传感器绝对分辨率高，但线性度差，动态范围(满量程与分辨率的比值)小，受光纤弯折影响大；

2)加速度传感器高频响与高灵敏度之间相互制约；

3)传感头敏感芯片与封装材料的耐高温能力有限；

4)用于频谱测量分析时对线性度和抑制横向灵敏度的能力提出更高要求；

5)需要传感头具有尽可能小的体积和重量才能真实还原振动信号。

为此，本发明试图将MEMS(Micro-Electromechanical Systems，微机电系统)技术与闪耀光栅检测技术相结合，提出一种MEMS微型化高精度波长型加速度传感器及制备方法。利用MEMS技术制作加速度敏感结构与闪耀光栅检测相结合，以实现体积小、无需电流激励、低成本、可以广泛应用于各个领域的微型高精度加速度传感器为目标。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高精度、小型化、高可靠性、可广泛应用于各个领域的高精度波长形加速度传感器及其制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高精度波长形加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供第一半导体基底，所述第一半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第一半导体基底的第一表面形成第一凹槽；

2)提供第二半导体基底，所述第二半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第二半导体基底的第一表面形成闪耀光栅结构；

3)将所述第一半导体基底与所述第二半导体基底键合以形成键合基底，所述第一半导体基底的第二表面及所述第二半导体基底的第二表面为键合面；

4)提供第一盖板，将所述第一盖板与所述键合基底键合，所述第一半导体基底的第一表面及所述第一盖板的任意一面为键合面；

5)依据所述第一凹槽及所述闪耀光栅结构对所述键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁及惯性质量块；

6)提供第二盖板，在所述第二盖板表面形成第二凹槽；

7)将所述第二盖板与步骤5)得到的结构进行键合，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述第一半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述衬底硅层内。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，在所述第二半导体基底一表面形成闪耀光栅结构包括：

21)将所述第二半导体基底进行氧化处理，以在所述第二半导体基底表面形成氧化层；

22)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述氧化层；

23)使用KOH溶液腐蚀所述第二半导体基底，以在所述第二半导体基底内形成周期性的V型闪耀光栅；

24)在所述V型闪耀光栅表面形成光学高反膜。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，所述惯性质量块与位于其外围的所述键合基底及位于其下方的所述第一盖板均相隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁与所述键合基底相连接。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，所述弹性扭转梁位于所述惯性质量块的一侧；所述惯性质量块相对于所述弹性扭转梁上下、左右对称。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)中，所述第二盖板为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)与步骤7)之间还包括在所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述闪耀光栅结构的位置形成光学增透膜的步骤。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤7)中，所述第二盖板与步骤5)得到的结构通过介质层进行键合。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的制备方法的一种优选方案，步骤7)之后还包括：

提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤，所述准直透镜、所述输入光纤及所述输出光纤通过光学树脂封装在一壳体内；

将步骤7)得到的结构中的所述闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并将步骤7)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内。

本发明还提供一种高精度波长形加速度传感器，所述高精度波长形加速度传感器包括：

第一半导体基底，包括相对的第一表面及第二表面；所述第一半导体基底的第一表面形成有第一凹槽；

第二半导体基底，包括相对的第一表面及第二表面；所述第二半导体基底键合于所述第一半导体基底的第二表面以形成键合基底，所述第二半导体基底的第二表面及所述第一半导体基底的第二表面为键合面；

闪耀光栅结构，位于所述第二半导体基底的第一表面；

第一盖板，键合于所述第一半导体基底的第一表面；

惯性质量块，嵌入所述键合基底内，且与所述键合基底及所述第一盖板相隔一定的间距；

弹性扭转梁，一端与所述惯性质量块相连接，另一端与所述键合基底相连接；

第二盖板，表面形成有第二凹槽，所述第二盖板键合于所述第二半导体基底的第一表面，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面；

光学增透膜，位于所述第二凹槽底部及所述第二盖板背面对应于所述闪耀光栅结构的位置。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述第一半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述衬底硅层内。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述闪耀光栅结构包括位于所述第二半导体基底第一表面的V型闪耀光栅及位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述弹性扭转梁位于所述惯性质量块的一侧；所述惯性质量块相对于所述弹性扭转梁上下、左右对称。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述第二盖板为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述高精度波长形加速度传感器还包括介质层，所述介质层位于所述第二盖板与所述第二半导体基底之间。

作为本发明的高精度波长形加速度传感器的一种优选方案，所述高精度波长形加速度传感器还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤；所述闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并与所述光纤准直器共同封装在一壳体内。

本发明的一种高精度波长形加速度传感器及其制备方法具有以下有益效果：

1)将加速度敏感单元(梁-惯性质量块系统)与检测单元(闪耀光栅)集成批量化制造，具有体积小、结构简单、成本低、封装简单等特点；

2)利用具有精细光学谱线的闪耀光栅实现对加速度敏感单元(梁-惯性质量块系统)角度扭转的高分辨率波长检测。属于光波长调制原理，无源，电磁免疫，测量精度不受光纤弯折和光源功率波动的影响；

3)加速度传感器封装后的探头为全光器件，输出光信号可通过光纤长距离传输，加速度传感器可在高温、高压、高湿或电源受限等恶劣环境下正常工作；

4)采用MEMS技术制作，有利于器件的批量化生产，降低器件成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的高精度波长形加速度传感器的制备方法的流程图。

图2至图11显示为本发明实施例一中提供的高精度波长形加速度传感器的制备方法各步骤中的结构示意图。

元件标号说明

11 第一半导体基底

111、181 顶层硅

112、182 中间氧化层

113、183 衬底硅层

12 第一凹槽

13 第二半导体基底

14 闪耀光栅结构

141 V型闪耀光栅

142 光学高反膜

15 第一盖板

16 弹性扭转梁

17 惯性质量块

18 第二盖板

181 第二凹槽

19 光学增透膜

20 介质层

21 准直透镜

22 输入光纤

23 输出光纤

24 壳体

25 光学树脂

26 密封胶

27 粘结胶

28 准直器金属套管

29 金属底座

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图11。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种高精度波长形加速度传感器的制备方法，所述高精度波长形加速度传感器的制备方法包括以下步骤：

1)提供第一半导体基底，所述第一半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第一半导体基底的第一表面形成第一凹槽；

2)提供第二半导体基底，所述第二半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第二半导体基底的第一表面形成闪耀光栅结构；

3)将所述第一半导体基底与所述第二半导体基底键合以形成键合基底，所述第一半导体基底的第二表面及所述第二半导体基底的第二表面为键合面；

4)提供第一盖板，将所述第一盖板与所述键合基底键合，所述第一半导体基底的第一表面及所述第一盖板的任意一面为键合面；

5)依据所述第一凹槽及所述闪耀光栅结构对所述键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁及惯性质量块；

6)提供第二盖板，在所述第二盖板表面形成第二凹槽；

7)将所述第二盖板与步骤5)得到的结构进行键合，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面。

在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供第一半导体基底11，所述第一半导体基底11包括相对的第一表面及第二表面，在所述第一半导体基底11的第一表面形成第一凹槽12。

作为示例，所述第一半导体基底11为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层113、中间氧化层112及顶层硅111，其中，所述顶层硅111为晶向为(100)的单晶硅；所述顶层硅111的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层112的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层113的厚度可以为但不仅限于380μm。

作为示例，可以通过光刻、深反应离子刻蚀(DRIE)工艺形成所述第一凹槽12，所述第一凹槽12形成于所述衬底硅层113内，所述第一凹槽12作为后续形成的所述加速度传感器机械结构的运动空间；所述第一凹槽12的深度可以为但不仅限于7μm左右。

在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，提供第二半导体基底13，所述第二半导体基底13包括相对的第一表面及第二表面，在所述第二半导体基底13的第一表面形成闪耀光栅结构14。

作为示例，所述第二半导体基底13可以为但不仅限于双抛硅片，所述第二半导体基底13厚度可以但不仅限于360μm。

作为示例，在所述第二半导体基底13第一表面形成所述闪耀光栅结构14包括以下步骤：

21)将所述第二半导体基底13进行氧化处理，以在所述第二半导体基底13表面形成氧化层(未示出)；

22)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述氧化层；

23)使用KOH溶液腐蚀所述第二半导体基底13的第一表面，以在所述第二半导体基底13的第一表面形成周期性的V型闪耀光栅141；

24)在所述V型闪耀光栅141表面形成光学高反膜142；所述光学高反膜142可以为金属反射膜或多层介质膜，优选地，本实施例中，所述光学高反膜142可以为采用磁控溅射工艺在所述V型闪耀光栅141表面溅射的Au膜。

在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，将所述第一半导体基底11与所述第二半导体基底13键合以形成键合基底，所述第一半导体基底11的第二表面及所述第二半导体基底13的第二表面为键合面。

作为示例，所述第一半导体基底11的第二表面即为未形成有所述第一凹槽12的一面，亦即为所述第一半导体基底11中的所述顶层硅111的表面；所述第二半导体基底13的第二表面为未形成有所述闪耀光栅结构14的一面。

作为示例，可以采用硅-硅共晶键合工艺将所述第一半导体基底11与所述第二半导体基底13进行对准键合，键合面为所述第一半导体基底11的第二表面及所述第二半导体基底13的第二表面；键合后所述第一凹槽12的位置与所述闪耀光栅结构14的位置上下对应。

在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5，提供第一盖板15，将所述第一盖板15与所述键合基底键合，所述第一半导体基底11的第一表面及所述第一盖板15的任意一面为键合面。

作为示例，所述第一盖板15可以为但不仅限于玻璃基底；可以采用阳极键合工艺将所述第一半导体基底11与所述第二半导体基底13键合得到的所述键合基底与所述第一盖板15进行硅-玻璃键合。

在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图6及图7，其中，图7为图6的俯视图，依据所述第一凹槽12及所述闪耀光栅结构14对所述键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁16及惯性质量块17。

作为示例，在所述第二半导体基底13的表面涂覆光刻胶层(未示出)，通过光刻工艺定义出所述弹性扭转梁16及所述惯性质量块17的形状，依据所述光刻胶层利用深反应离子刻蚀(DIRE)工艺刻蚀所述第一半导体基底11及所述第二半导体基底13以释放所述弹性扭转梁16及所述惯性质量块17。

作为示例，所述惯性质量块17嵌入所述键合基底内，即所述惯性质量块17为通过刻蚀所述第一半导体基底11及所述第二半导体基底13键合得到的所述键合基底而得到，所述惯性质量块17与位于其外围的所述键合基底及位于其下方的所述第一盖板15均相隔一定的间距，且所述惯性质量块17通过所述弹性扭转梁16与所述键合基底相连接。

作为示例，所述弹性扭转梁16的位置可以根据实际需要设置，优选地，本实施例中，所述弹性扭转梁16位于所述惯性质量块17的一侧；所述弹性扭转梁16的数量及形状可以根据实际需要进行设定，图7中，以所述弹性扭转梁16的数量为两个，且两个所述弹性扭转梁16形成近似的V型作为示例；所述惯性质量块17相对于所述弹性扭转梁16上下、左右对称，即所述弹性扭转梁16至所述惯性质量块17的上表面的距离与至所述惯性质量块17的下表面的距离相等，所述弹性扭转梁16至所述惯性质量块17一侧的距离与至所述弹性质量块17另一侧的距离相等。

作为示例，所述弹性扭转梁16为通过刻蚀所述第一半导体基底11中的所述顶层硅111而形成。

在步骤6)中，请参阅图1中的S6步骤及图8，提供第二盖板18，在所述第二盖板18表面形成第二凹槽184，以形成所述加速度传感器中的所述惯性质量块17与所述第二盖板18之间的运动空间。

作为示例，所述第二盖板18为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层183、中间氧化层182及顶层硅181，其中，所述顶层硅181为晶向为(100)的单晶硅；所述顶层硅181的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层182的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层183的厚度可以为但不仅限于380μm。

作为示例，可以通过光刻、深反应离子刻蚀(DRIE)工艺形成所述第二凹槽184，所述第二凹槽184贯穿所述顶层硅181及所述中间氧化层182。

作为示例，请参阅图9，步骤6)之后还包括在所述第二凹槽184底部及所述衬底硅层183背面对应于所述闪耀光栅结构14的位置形成光学增透膜19的步骤，具体方法为：首先，在所述顶层硅181、所述第二凹槽184的底部及所述衬底硅层183的表面涂覆光刻胶层(未示出)；其次，通过光刻工艺图形化所述光刻胶层以定义出所述光学增透膜19的形状；然后，在所述第二凹槽184底部及所述衬底硅层183背面对应于所述闪耀光栅结构14的位置形成所述光学增透膜层；最后，去除所述光刻胶层及多余的所述光学增透膜层，即得到所述光学增透膜19。

在步骤7)中，请参阅图1中的S7步骤及图10，将所述第二盖板18与步骤5)得到的结构进行键合，所述第二盖板18形成有所述第二凹槽184的一面及所述第二半导体基底13的第一表面为键合面。

作为示例，所述第二盖板18中的所述顶层硅181的表面通过介质层20与所述步骤5)得到的结构进行键合。所述介质层20可以为但不仅限于BCB胶(苯并环丁烯)。

作为示例，如图11所示，步骤7)之后还包括：

8)提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜21、输入光纤22及输出光纤23，所述准直透镜21、所述输入光纤22及所述输出光纤23通过光学树脂25(包括密封胶26及粘结剂27)封装在一壳体24内；所述壳体24为一金属封装套管，所述准直透镜21与所述壳体24之间设有准直器金属套管28；

9)将步骤7)得到的结构中的所述闪耀光栅结构14与所述光纤准直器对准，并将步骤7)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体24内。

需要说明的是，图11中为位于金属底座29上的结构应为步骤6)所得到的结构，为了便于显示，图11中仅以所述闪耀光栅结构14予以示意。

需要说明的是，当使用所述第二盖板18与步骤6)得到的结构进行键合封装后，将键合封装后的结构与所述光纤准直器再进行对准封装时，位于所述金属底座29上的结构应为所述第二盖板18与步骤6)得到的结构进行键合封装后的结构。由于所述第二盖板18对应于所述闪耀光栅结构14的位置形成有所述光学增透膜19，所述光学增透膜19可以允许特定波长的光(如波长为1525nm～1565nm的光)通过而几乎没有损耗，所以，所述第二盖板18并不影响所述闪耀光栅结构14与所述光纤准直器对准，也不影响光的通过，不会对检测造成影响。

作为示例，可以采用基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术来制备上述高精度波长形加速度传感器，基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术为本领域人员所熟知，此处不再累述。

实施例二

请继续参阅图2至图10，本发明还提供一种高精度波长形加速度传感器，所述高精度波长形加速度传感器为实施例一中所述的制备方法制备而成，所述高精度波长形加速度传感器包括：第一半导体基底11，所述第一半导体基底11包括相对的第一表面及第二表面；所述第一半导体基底11的第一表面形成有第一凹槽12；第二半导体基底13，所述第二半导体基底13包括相对的第一表面及第二表面；所述第二半导体基底13键合于所述第一半导体基底11的第二表面以形成键合基底，所述第二半导体基底13的第二表面及所述第一半导体基底11的第二表面为键合面；闪耀光栅结构14，所述光栅结构14位于所述第二半导体基底13的第一表面；第一盖板15，所述第一盖板15键合于所述第一半导体基底11的第一表面；惯性质量块17，所述惯性质量块17嵌入所述键合基底内，且与所述键合基底及所述第一盖板15相隔一定的间距；弹性扭转梁16，所述弹性扭转梁16一端与所述惯性质量块17相连接，另一端与所述键合基底相连接；第二盖板18，所述第二盖板18表面形成有第二凹槽184，所述第二盖板18键合于所述第二半导体基底13的第一表面，所述第二盖板18形成有所述第二凹槽184的一面及所述第二半导体基底13的第一表面为键合面，键合后所述闪耀光栅结构14位于所述第二凹槽184内；光学增透膜19，所述光学增透膜19位于所述第二凹槽184底部及所述第二盖板18背面对应于所述闪耀光栅结构14的位置。

作为示例，所述第一半导体基底11为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层113、中间氧化层112及顶层硅111，其中，所述顶层硅111为晶向为(100)的单晶硅；所述顶层硅111的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层112的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层113的厚度可以为但不仅限于380μm。所述第一凹槽12形成于所述衬底硅层113内。

作为示例，所述第二半导体基底13可以为但不仅限于双抛硅片，所述第二半导体基底13厚度可以但不仅限于360μm。

作为示例，所述闪耀光栅结构14包括位于所述第二半导体基底13第一表面的V型闪耀光栅141及位于所述V型闪耀光栅141表面的光学高反膜142。

作为示例，所述光学高反膜142为金属反射膜或多层介质膜，优选地，所述光学高反膜142为金属膜，更为优选地，本实施例中，所述光学高反膜142为Au膜。

作为示例，即所述惯性质量块17嵌入所述键合基底内，即所述惯性质量块17为通过刻蚀所述第一半导体基底11及所述第二半导体基底13键合得到的所述键合基底而得到，所述惯性质量块17与位于其外围的所述键合基底及位于其下方的所述第一盖板15均相隔一定的间距，且所述惯性质量块17通过所述弹性扭转梁16与所述键合基底相连接。

作为示例，所述弹性扭转梁16的位置可以根据实际需要设置，优选地，本实施例中，所述弹性扭转梁16位于所述惯性质量块17的一侧；所述弹性扭转梁16的数量及形状可以根据实际需要进行设定，图7中，以所述弹性扭转梁16的数量为两个，且两个所述弹性扭转梁16形成近似的V型作为示例；所述惯性质量块17相对于所述弹性扭转梁16上下、左右对称，即所述弹性扭转梁16至所述惯性质量块17的上表面的距离与至所述惯性质量块17的下表面的距离相等，所述弹性扭转梁16至所述惯性质量块17一侧的距离与至所述弹性质量块17另一侧的距离相等。

作为示例，所述第二盖板18为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层183、中间氧化层182及顶层硅181，其中，所述顶层硅181为晶向为(100)的单晶硅；所述顶层硅181的厚度可以为但不仅限于30μm，所述中间氧化层182的厚度可以为但不仅限于2μm，所述衬底硅层183的厚度可以为但不仅限于380μm。所述第二凹槽184贯穿所述顶层硅181及所述中间氧化层182。

作为示例，所述高精度波长形加速度传感器还包括介质层20，所述介质层20位于所述第二盖板18与所述第二半导体基底13之间。

作为示例，所述高精度波长形加速度传感器还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜21、输入光纤22及输出光纤23；所述闪耀光栅结构14与所述光纤准直器对准，并与所述光纤准直器共同封装在一壳体24内。

需要说明的是，图11中为位于金属底座29上的结构应为步骤6)所得到的结构，为了便于显示，图11中仅以所述闪耀光栅结构14予以示意。

所述高精度波长型加速度传感器的工作原理为基于外界加速度与所述惯性质量块17作用产生机械扭矩，造成机械结构的扭转来实现检测加速度的。所述惯性质量块17可以与垂直于所述惯性质量块17表面的外界加速度作用产生机械扭矩，在该机械扭矩作用下，所述闪耀光栅结构14将与所述惯性质量块17一起产生扭转运动，产生的机械扭矩最终与所述弹性扭转梁16的扭转力矩平衡，所述闪耀光栅结构14的扭转角度与外界加速度对应；通过所述输入光纤22和所述准直透镜21的光经过所述闪耀光栅结构14的衍射后通过所述准直透镜21和所述输出光纤23得到一特定波长的光，该波长与所述闪耀光栅结构14的扭转角度相关，通过该特定波长的变化就可以得到外界加速度的信息。

作为示例，所述高精度波长型加速度传感器工作过程包括所述惯性质量块17与外界加速度作用产生机械扭矩、所述闪耀光栅结构14的扭转、所述闪耀光栅结构14衍射分光的波长变化三个步骤。

综上所述，本发明提供一种高精度波长形加速度传感器及其制备方法，所述高精度波长形加速度传感器的制备方法包括以下步骤：1)提供第一半导体基底，所述第一半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第一半导体基底的第一表面形成第一凹槽；2)提供第二半导体基底，所述第二半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第二半导体基底的第一表面形成闪耀光栅结构；3)将所述第一半导体基底与所述第二半导体基底键合以形成键合基底，所述第一半导体基底的第二表面及所述第二半导体基底的第二表面为键合面；4)提供第一盖板，将所述第一盖板与所述键合基底键合，所述第一半导体基底的第一表面及所述第一盖板的任意一面为键合面；5)依据所述第一凹槽及所述闪耀光栅结构对所述键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁及惯性质量块；6)提供第二盖板，在所述第二盖板表面形成第二凹槽；7)将所述第二盖板与步骤5)得到的结构进行键合，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面。本发明的高精度波长形加速度传感器及制备方法，具有以下有益效果：将加速度敏感单元(梁-惯性质量块系统)与检测单元(闪耀光栅)集成批量化制造，具有体积小、结构简单、成本低、封装简单等特点；利用具有精细光学谱线的闪耀光栅实现对加速度敏感单元(梁-惯性质量块系统)角度扭转的高分辨率波长检测。属于光波长调制原理，无源，电磁免疫，测量精度不受光纤弯折和光源功率波动的影响；加速度传感器封装后的探头为全光器件，输出光信号可通过光纤长距离传输，加速度传感器可在高温、高压、高湿或电源受限等恶劣环境下正常工作；采用MEMS技术制作，有利于器件的批量化生产，降低器件成本。

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。

Claims (18)

1.一种高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)提供第一半导体基底，所述第一半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第一半导体基底的第一表面形成第一凹槽；

2)提供第二半导体基底，所述第二半导体基底包括相对的第一表面及第二表面，在所述第二半导体基底的第一表面形成闪耀光栅结构；

3)将所述第一半导体基底与所述第二半导体基底键合以形成键合基底，所述第一半导体基底的第二表面及所述第二半导体基底的第二表面为键合面；

4)提供第一盖板，将所述第一盖板与所述键合基底键合，所述第一半导体基底的第一表面及所述第一盖板的任意一面为键合面；

5)依据所述第一凹槽及所述闪耀光栅结构对所述键合基底进行刻蚀，以形成弹性扭转梁及惯性质量块；

6)提供第二盖板，在所述第二盖板表面形成第二凹槽；

7)将所述第二盖板与步骤5)得到的结构进行键合，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面。

2.根据权利要求1所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述第一半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述衬底硅层内。

3.根据权利要求2所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在所述第二半导体基底第一表面形成闪耀光栅结构包括：

21)将所述第二半导体基底进行氧化处理，以在所述第二半导体基底表面形成氧化层；

22)通过光刻、HF腐蚀选择性地去除所述氧化层；

23)使用KOH溶液腐蚀所述第二半导体基底，以在所述第二半导体基底内形成周期性的V型闪耀光栅；

24)在所述V型闪耀光栅表面形成光学高反膜。

4.根据权利要求3所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

5.根据权利要求1所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述惯性质量块与位于其外围的所述键合基底及位于其下方的所述第一盖板均相隔一定的间距，且通过所述弹性扭转梁与所述键合基底相连接。

6.根据权利要求5所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：所述弹性扭转梁位于所述惯性质量块的一侧；所述惯性质量块相对于所述弹性扭转梁上下、左右对称。

7.根据权利要求1所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤6)中，所述第二盖板为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层。

8.根据权利要求7所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤6)与步骤7)之间还包括在所述第二凹槽底部及所述衬底硅层背面对应于所述闪耀光栅结构的位置形成光学增透膜的步骤。

9.根据权利要求1所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤7)中，所述第二盖板与步骤5)得到的结构通过介质层进行键合。

10.根据权利要求1所述的高精度波长形加速度传感器的制备方法，其特征在于：步骤7)之后还包括：

提供光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤，所述准直透镜、所述输入光纤及所述输出光纤通过光学树脂封装在一壳体内；

将步骤7)得到的结构中的所述闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并将步骤7)得到的结构与所述光纤准直器共同封装在所述壳体内。

11.一种高精度波长形加速度传感器，其特征在于，包括：

第一半导体基底，包括相对的第一表面及第二表面；所述第一半导体基底的第一表面形成有第一凹槽；

第二半导体基底，包括相对的第一表面及第二表面；所述第二半导体基底键合于所述第一半导体基底的第二表面以形成键合基底，所述第二半导体基底的第二表面及所述第一半导体基底的第二表面为键合面；

闪耀光栅结构，位于所述第二半导体基底的第一表面；

第一盖板，键合于所述第一半导体基底的第一表面；

惯性质量块，嵌入所述键合基底内，且与所述键合基底及所述第一盖板相隔一定的间距；

弹性扭转梁，一端与所述惯性质量块相连接，另一端与所述键合基底相连接；

第二盖板，表面形成有第二凹槽，所述第二盖板键合于所述第二半导体基底的第一表面，所述第二盖板形成有所述第二凹槽的一面及所述第二半导体基底的第一表面为键合面；

光学增透膜，位于所述第二凹槽底部及所述第二盖板背面对应于所述闪耀光栅结构的位置。

12.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：所述第一半导体基底为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述顶层硅为晶向为(100)的单晶硅，所述第一凹槽形成于所述衬底硅层内。

13.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：所述闪耀光栅结构包括位于所述第二半导体基底第一表面的V型闪耀光栅及位于所述V型闪耀光栅表面的光学高反膜。

14.根据权利要求13所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：所述光学高反膜为金属反射膜或多层介质膜。

15.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：所述弹性扭转梁位于所述惯性质量块的一侧；所述惯性质量块相对于所述弹性扭转梁上下、左右对称。

16.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：所述第二盖板为SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括衬底硅层、中间氧化层及顶层硅；所述第二凹槽贯穿所述顶层硅及所述中间氧化层。

17.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：还包括介质层，所述介质层位于所述第二盖板与所述第二半导体基底之间。

18.根据权利要求11所述的高精度波长形加速度传感器，其特征在于：还包括光纤准直器，所述光纤准直器包括准直透镜、输入光纤及输出光纤；所述闪耀光栅结构与所述光纤准直器对准，并与所述光纤准直器共同封装在一壳体内。