CN106841679B - 抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。主要由封装外壳和布置在封装外壳中的微机械加速度敏感单元和光学微位移测量单元组成，微机械加速度敏感单元位于光学微位移测量单元正下方；微机械加速度敏感单元从上到下依次为光栅、质量块‑悬臂梁‑硅基底微机械结构和下限位板。微机械加速度敏感单元将外界输入的加速度转化为质量块的位移，光学微位移测量单元将位移量转化为电信号并实现高精度的加速度测量。本发明能保证微机械结构在大冲击下不失效，固定封装的光学微位移测量单元能保证各个光学元件在大冲击下不损毁，相对位置保持不变，从而实现抗大冲击的高精度加速度测量。

Description

抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计

技术领域

本发明属于光学微加速度传感器技术领域，涉及了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。

背景技术

飞行器的惯性导航，电磁炮发射，爆炸侵彻等领域，不仅对加速度计的测量灵敏度和精度有一定的要求，并且对抗大冲击的性能也提出了很高的要求。同时，为了满足现有先进装备和战略武器装备的小型化、集成化需求，设计制作高性能的微型加速度计也成为了现阶段加速度计的研究重点之一。

目前已经有了很多具有高测量精度的加速度计，如冷原子干涉加速度计[Canuel,B.,et al.,Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry.PhysicalReview Letters,2006.97:010402.]、基于微光纤的光学加速度计[Chen,G.Y.,et al.,Theoretical and experimental demonstrations of a microfiber-based flexuraldisc accelerometer.Opt Lett.,2011.36(18):p.3669-71.]、隧穿式加速度计[Hiu,C.H.,et al.,A High-Precision,Wide-Bandwidth Micromachined TunnelingAccelerometer.Journal of Microelectromechanical Systems,2001.10(3):p.425-433.]，但是它们在承受巨大冲击后无法正常工作，并且冷原子干涉型加速度计也很难实现小型化。微机电系统(MEMS)加速度计已有许多实例可以抵抗高冲击，比如美国专利号为US7013730B2的专利“Internally shock caged serpentine flexure for micro-machined accelerometer”公开了一种抗冲击的MEMS加速度计，该设计通过引入限位缓冲块和调整弹性结构的宽度实现了良好的抗冲击性能，该种MEMS加速度计可以抵抗16000到20000g的冲击；世界专利号为WO2012/047996A1的专利“Shock resistant mounting forhigh gshock Accelerometer”提出了一种基于无引线芯片载体(LLC)的抗冲击MEMS加速度计，该设计通过将MEMS加速度敏感单元封装进高弹性的无引线芯片载体的方式实现了进一步的抗冲击性能，该种MEMS加速度计最高可以抵抗300000g的冲击。现有许多文献也报道了多种抗大冲击的MEMS加速度计，例如Jiachou Wang等人曾报道了一种双悬臂梁型MEMS加速度计，该种加速度计采用自限位保护面来抵抗冲击，可以抵抗20500g的冲击[Wang,J.andX.Li,A High-Performance Dual-Cantilever High-Shock Accelerometer Single-SidedMicromachined in(111)Silicon Wafers.Journal of MicroelectromechanicalSystems,2010.19(6):p.1515-1520.]；Kebin Fan等人提出了一种基于键合铰链的MEMS加速度计，并实验证明该种加速度计可以抵抗44614g的冲击[Dong,J.,et al.,Siliconmicromachined high-shock accelerometers with a curved-surface-applicationstructure for over-range stop protection and free-mode-resonancedepression.Journal of Micromechanics and Microenigneering,2002.12:p.742-746.]；Peitao Dong等人提出了能够承受50000到100000g冲击的三轴压阻式MEMS加速度计[Dong,P.,et al.,High-performance monolithic triaxial piezoresistive shockaccelerometers.Sensors and Actuators A:Physical,2008.141(2):p.339-346.]。在大冲击应用场合，MEMS加速度计可以通过加入限位措施或者提高弹性机构的刚度来提升抗冲击性能，目前已可以有效抵抗大于10000g的冲击。但是，基于MEMS的加速度计由于其测量原理的限制(电容、压阻、压电等形式由于工艺误差的存在)，很难实现高加速度测量灵敏度和测量精度。以上所述的抗高冲击MEMS加速度计的典型灵敏度在μV/g的量级，很难满足高测量灵敏度及精度的需求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，结合带柔性限位装置的三明治式微机械加速度敏感单元和聚合物固定封装的光学微位移测量单元进行构建，兼顾了MEMS加速度计和光学测量原理测量抗冲击性能和精度高的优点。

本发明加速度计中的微机械敏感结构与现有MEMS加速度计可以充分利用现有MEMS加速度计抗大冲击性能的方法，并利用聚合物固定封装保证光学微位移测量单元的各部分相对位置不变，有望同时实现抗大冲击和高加速度测量精度的性能。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计：

所述加速度计主要由封装外壳和布置在封装外壳中的微机械加速度敏感单元和光学微位移测量单元组成，微机械加速度敏感单元属于三明治式结构，位于光学微位移测量单元正下方。

微机械加速度敏感单元将外界输入的加速度转化为质量块的位移，光学微位移测量单元将位移量转化为电信号并实现高精度的加速度测量。

二、带有上下限位结构的微机械加速度敏感单元

包括一个质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构，其中悬臂梁连接质量块和硅基底，静止状态下质量块、悬臂梁、硅基底的中心平面与SOI基片的中心平面重合，质量块的厚度略小于硅基底，两者的厚度均远大于悬臂梁的厚度。

包括质量块上表面的高反膜，高反膜由对相应波长反射率高的金属和起保护作用的介质组成，作为微纳光腔中的反射膜。

包括光栅，光栅除了进行衍射外还充当上限位板的作用，光栅的材料为透明石英片，上面镀有铬膜，通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅。

包括由多层单晶硅厚膜构成的柔性的下限位板，最上层的单晶硅厚膜上覆盖有聚对二甲苯的柔性薄膜作为缓冲层。

本发明上述三明治式微机械加速度敏感单元不仅具有高加速度位移灵敏度，同时可以保证微机械结构在大冲击下不失效。

所述的质量块厚度为悬臂梁厚度的20～60倍，质量块上下表面经过对称刻蚀使得其厚度稍小于硅基底的厚度，为质量块与上下限位板间提供空气间隙，光栅和质量块之间以及质量块与下限位板之间具有合适的距离，使得本发明的加速计既能抵抗大冲击，又能在最大可能冲击下不被破坏内部的微机械结构。具体实施的硅基底厚度比质量块大10～20μm，从SOI基片上下表面分别刻蚀5～10μm构成质量块上下表面，质量块的中心平面与SOI基片的中心平面重合。

所述的四个悬臂梁以质量块中心呈中心对称分布在质量块周围，其厚度为器件层的厚度，SOI基片厚度的1/20-1/50，悬臂梁连接质量块和硅基底，它与质量块连接处位于质量块的四个边角，静止状态下所述悬臂梁、所述质量块和所述硅基底三者的中心平面重合。

所述的硅基底中心开有通槽，使得质量块能够通过悬臂梁悬浮于通槽中央，硅基底的厚度为SOI基片的厚度，硅基底与悬臂梁的末端相连。

所述质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构均采用SOI基片制作；SOI基片采用高度对称的五层基片，基片从上到下分别为厚度为100～250μm的基底层一，厚度为1～3μm的阻挡层一，厚度为5～20μm的器件层，厚度为1～3μm的阻挡层二和厚度为100～250μm的基底层二，其中阻挡层一和阻挡层二为二氧化硅材料，基底层一、基底层二和器件层均为单晶硅材料。

所述的高反膜镀在质量块的上表面，位于光栅的正下方，高反膜与光栅共同构成了微纳光腔。

所述的光栅由透明的石英片制作，石英片厚度为100～250μm，石英片上镀有铬膜，通过电子束曝光和刻蚀的方法在铬膜上制作出占空比为1：1的刻线，刻线周期为1～2μm。

所述的下限位板由多层单晶硅厚膜构成，厚膜面积与硅基底中央的方形通槽大小相同，每层厚膜之间有0.5～1μm的空气间隙，最上层的厚膜上覆盖有聚对二甲苯的柔性薄膜作为缓冲层，多层单晶硅厚膜通过多层硅片减薄键合工艺进行制作。

三、光学微位移测量单元

包括相对位置确定的一个VCSEL激光器，两个光电探测器，信号处理电路，以及由聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯组成的固定封装。本发明所述的VCSEL激光器、光电探测器、信号处理电路均被厚聚二甲基硅氧烷包裹固连在封装外壳上，可以保证各个元件和微机械加速度敏感单元在大冲击下不发生相对位置变化和失效。

所述VCSEL激光器位于光栅正上方，激光出射端面正对着光栅上表面；VCSEL激光器周围包裹厚聚二甲基硅氧烷，固连在封装外壳上，与VCSEL激光器的激光出射端面接触处聚二甲基硅氧烷开有小孔。

所述两个光电探测器，其中光电探测器二放置于从光栅出射第一级干涉衍射光束出射方向上，光电探测器二光敏面正对光栅出射第一级干涉衍射光束，光电探测器一紧邻光电探测器二放置，两个光电探测器配合实现信号光与环境光的差分探测；两个光电探测器周围用厚聚二甲基硅氧烷包裹固连在封装外壳上，在探测器光敏面开有窗口。

所述信号处理电路与两个光电探测器相连，通过特定用途集成电路(ASIC)工艺制作，布置在封装外壳上，信号处理电路通过厚聚二甲基硅氧烷包裹固定。

所述由聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯组成的固定封装，不仅固连了VCSEL激光器、光电探测器、信号处理电路，同样的，如前所述的三明治式微机械加速度敏感单元也通过固定封装固连在封装外壳内，在光栅上表面栅线区域开有窗口。

所述的VCSEL激光器的工作波长根据光栅栅线的周期选择，工作波长为光栅栅线周期的1/5～1/2。

本发明的有益效果是：

本发明结合了MEMS加速度计抗冲击的方案和光学微腔加速度测量方案，通过引入三明治式上下限位措施的方法保证微机械结构在大冲击下不失效，并且通过聚合物封装保证了光学微位移测量单元各个元件相对位置不变，从而在较高的加速度测量精度的前提下实现了抗大冲击性能。

本发明光栅同时充当微纳光腔的衍射元件和上限位板，不仅大大提升了系统的集成度，还降低了系统的复杂度，提高了可靠性；带有空气间隙的多层单晶硅厚膜充当柔性下限位板，有效地防止微机械结构在大冲击下损毁，实验实测最大可达到10000g的加速度冲击。

本发明的所有器件均封装在一个微腔内，大大减小了加速度计的体积，具有很高的集成度和可靠性；且所采用的工艺为成熟的微加工工艺，可与IC工艺兼容，可实现大规模生产，有助于后期成本的降低。

附图说明

图1是本发明加速度计的结构示意图；

图2是三明治式微机械加速度敏感单元的剖面示意图；

图3是质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的俯视图；

图4是受到冲击后质量块向下运动的微机械加速度敏感单元的剖面示意图；

图5是受到冲击后质量块向上运动的微机械加速度敏感单元的剖面示意图；

图6是加速度计正常工作时的输出电压与敏感轴向加载的加速度的关系图；

图7是加速度计正常工作时的输出信号噪声水平图。

图中：微机械加速度敏感单元1、光学微位移测量单元2、光栅(上限位板)3、硅基底4、反射膜5、质量块6、悬臂梁7、下限位板8、VCSEL激光器9、光电探测器一10、光电探测器二11、信号处理电路12、聚合物固定封装材料13、封装外壳14、入射激光束15、第一级干涉衍射光束16、基底层一17、阻挡层一18、器件层19、阻挡层二20、基底层21、聚对二甲苯薄膜22、空气间隙23、单晶硅厚膜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。

本发明微光机电系统加速度计的工作原理描述如下：

VCSEL激光器9出射入射激光束15，入射激光束15垂直照射到光栅3的上表面，其中一部分光在经过光栅3的上表面时发生反射式衍射，另一部分光透过光栅3照射到反射膜5上表面并被反射膜5反射回光栅3，在透过光栅3时发生透射式衍射。

当光栅3严格平行于反射膜5时，反射式衍射和透射式衍射的出射光束方向相同，此时两种衍射光束发生相干叠加，形成第一级干涉衍射光束16。第一级干涉衍射光束16的光强I随着反射膜5和光栅3的距离d改变发生剧烈变化，该第一级干涉衍射光束16被光电探测器二11接收后，与光电探测器一10接收到的环境光进行差分，然后经信号处理电路12处理后得到输出电压。

当有外界加速度作用于该微光机电系统加速度计时，质量块6受惯性力作用发生z轴向位移，z轴为该微光机电系统加速度计的加速度敏感轴向。当输入加速度的频率位于微光机电系统加速度计的工作带宽内，并且未超出质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的弹性线性范围时，质量块6的位移大小与外界加速度成正比关系，该位移改变了反射膜5和光栅3之间的距离d，从而改变了第一级第一级干涉衍射光束16的光强I。通过如前所述的光学微位移测量单元2得到输出电压，即可通过加速度-位移-输出光强的关系计算得到外界输入加速度的大小。由于本发明的质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构拥有很小的弹性系数，进而可以将外界加速度大比例地转化为质量块6的位移；同时，基于微纳光腔的光学微位移测量单元2拥有很高的位移测量精度，因此本发明提出的微光机电系统加速度计可以实现高精度的加速度测量。

当敏感轴向输入外界加速度大到超出质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的弹性线性范围时，或者当微光机电系统加速度计受到一个敏感轴向大冲击时，微机械结构中的悬臂梁7发生极大的形变，带动质量块6产生很大的位移。本发明中的上下限位板对质量块起到了限位作用，从而防止微机械结构在经受大冲击时发生损毁。

具体的，如图4所示，当质量块6产生向下的大位移使得质量块6的小表面触碰到聚对二甲苯薄膜22时，质量块6会带动多层单晶硅厚膜24发生形变，同时挤压多层空气间隙23。由聚对二甲苯薄膜22、多层单晶硅厚膜24和多层空气间隙23组成的柔性限位机构可以极大地缓冲和释放大冲击带来的巨大惯性力。由于本发明设置的聚对二甲苯薄膜22以及多层单晶硅厚膜24与质量块6的距离在微机械结构的弹性线性范围内，并且多层空气间隙23的距离也在单晶硅厚膜24的屈服范围内，因此可以使得包括多层单晶硅厚膜24在内的微机械结构在经受大冲击时形变量不超出单晶硅材料的屈服量，保证其不失效。在撤去大冲击后，各个部件可以回复到平衡位置，继续正常工作。

如图5所示，当质量块6产生向上的大位移时，光栅3会充当上限位板的作用阻挡质量块6的继续移动和悬臂梁7的形变。由于本发明设置的光栅3与质量块6的距离在微机械结构的弹性线性范围内，因此可以使得包括多层单晶硅厚膜24在内的微机械结构在经受大冲击时形变量不超出单晶硅材料的屈服量，保证其不失效。在经受大冲击的情况下，质量块6可能会在微机械加速度敏感单元1内反复振荡，上述两个过程可能会不断重复，但上下限位板保证质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构在振荡过程中不产生屈服和失效，从而保证其能在撤去冲击中回复正常工作。

当光学微位移测量单元2经受大冲击时，由于聚合物固定封装材料13的紧密包裹和保护，VCSEL激光器9、光电探测器一10和光电探测器二11的相对位置都不会发生改变，同时，由于聚合物固定封装材料13同样包裹了微机械加速度敏感单元1，这些元件，尤其是VCSEL激光器9和光电探测器二11相对于微机械加速度敏感单元1的位置也不会发生改变。由于微纳光腔的出射光束随着反射膜5和光栅3的距离d只发生光强变化，而不引起位置的变化，因此只要各个元件相对位置不发生改变，大冲击对光学微位移测量单元2的影响就可以被消除。同时由于聚合物固定封装材料13包含了柔性聚对二甲苯和厚聚二甲基硅氧烷，因此可以保证各个元件在经受大冲击情况下不发生损毁。

本发明的实施例及其实施过程如下：

如图1所示，具体实施主要由封装外壳14和布置在封装外壳14中的微机械加速度敏感单元1和光学微位移测量单元2组成，微机械加速度敏感单元1位于光学微位移测量单元2正下方。

如图2所示，微机械加速度敏感单元1属于三明治式结构，从上到下依次为光栅3、质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构和下限位板8，光学微位移测量单元2和微机械加速度敏感单元1均通过聚合物固定封装材料13封装在封装外壳14中，具体是通过聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯进行固定封装，保证受冲击时各部件的相对位置以及与微机械加速度敏感单元1的相对位置不发生变化。

光栅3材料为透明的石英片，上面镀有铬膜，并通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅结构。

如图3所示，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构包括硅基底4、质量块6和悬臂梁7，光栅3置于硅基底4顶面，硅基底4中心开有方形通槽，质量块6置于方形通槽中，光栅3和质量块6上表面严格平行，质量块6四周侧面分别经各自的悬臂梁7与方形通槽的内侧面连接，各个悬臂梁7结构相同并以质量块6中心呈中心对称分布在质量块6四周，硅基底4底面置于下限位板8上，下限位板8中位于方形通槽正下方的部分采用柔性微限位结构；质量块6上表面镀有高反膜5，高反膜5与光栅3构成微纳光腔。

光栅3和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底4上表面通过硅玻璃阳极键合，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底4下表面和下限位板8通过硅硅键合。

下限位板8的柔性微限位结构为开设在下限位板8上部的多层间隔层叠布置的单晶硅厚膜24，每层单晶硅厚膜24的厚度为20～50μm，面积与方形通槽大小相同，相邻层单晶硅厚膜24之间有0.5～1μm的空气间隙23，最上层的单晶硅厚膜24上覆盖有聚对二甲苯薄膜22作为柔性缓冲层。

如图1所示，光学微位移测量单元2包括VCSEL激光器9、光电探测器一10、光电探测器二11和信号处理电路12，VCSEL激光器9固定在光栅3中间正上方的封装外壳14内顶面，光电探测器一10和光电探测器二11固定在光栅3同一侧方的封装外壳14内顶面，光电探测器一10紧邻光电探测器二11放置，信号处理电路12固定在光栅3另一侧方的封装外壳14内顶面，VCSEL激光器9、微机械加速度敏感单元1、两个光电探测器和信号处理电路12通过聚合物固定封装材料13保证相对位置不变。

VCSEL激光器9出射激光15垂直入射到光栅3表面，经光栅3衍射到质量块6顶面的高反膜上，经高反膜反射后再经光栅3衍射，出射光被光电探测器一10和光电探测器二11接收，光电探测器一10和光电探测器二11中的其中一个光电探测器置于从光栅3出射的第一级干涉衍射光束16的条纹方向上。VCSEL激光器9、光电探测器一10和光电探测器二11均连接到信号处理电路12，信号处理电路12连接到外部的采集卡。

微机械加速度敏感单元1和光学微位移测量单元2均通过聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯封装材料进行固定封装；其中VCSEL激光器9用聚二甲基硅氧烷包裹固连在封装外壳14上，在聚二甲基硅氧烷的封装材料端面上开有作为激光出射的小孔；两个光电探测器同样用聚二甲基硅氧烷包裹固连在封装外壳14上，在探测器光敏面所在的封装材料端面开有作为接收的窗口；信号处理电路12用聚二甲基硅氧烷固定；三明治式微机械加速度敏感单元1用聚二甲基硅氧烷包裹固连在封装外壳14上，在光栅3栅线区域留出透光窗口。

质量块6厚度为悬臂梁7厚度的20～60倍，质量块6上下表面经过对称刻蚀使得其厚度稍小于硅基底4的厚度，为质量块6与上下限位板间提供空气间隙，光栅3和质量块6之间以及质量块6与下限位板8之间具有合适的距离，使得本发明的加速计既能抵抗大冲击，又能在最大可能冲击下不被破坏内部的微机械结构。具体实施的硅基底4厚度比质量块6大10～20μm。

如图2所示，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构由五层SOI基片制作而成，SOI基片从上到下分别为厚度为100～250μm的基底层一17，厚度为1～3μm的阻挡层二18，厚度为5～20μm的器件层19，厚度为1～3μm的阻挡层二20和厚度为100～250μm的基底层二21，其中阻挡层一18和阻挡层二20为二氧化硅材料，基底层一17、基底层二21和器件层19均为单晶硅材料；硅基底4由整片SOI基片制作而成，质量块6由正片SOI基片上下表面刻蚀而成，悬臂梁7由SOI基片中的器件层19制作而成。

如图2所示，下限位板8包括多层单晶硅厚膜24、多层空气间隙23以及覆盖在最上层单晶硅厚膜上表面的聚对二甲苯薄膜22，其中单晶硅厚膜24的厚度为20～50μm，空气间隙23的厚度为0.5～1μm。

制作过程是：

本发明提出的加速度计在制作工艺中需要五块掩膜板进行光刻。掩膜板通过电子束刻蚀工艺制作，分别包括：制作反射膜5的掩膜板一，制作质量块6与上下限位板之间的间隙的掩膜板二，制作质量块6与硅基底4的掩膜板三，制作悬臂梁7的掩膜板四以及制作单晶硅厚膜24区域的掩膜板五。

在所述的石英片上表面镀上铬，并利用电子束刻蚀曝光可刻蚀的方法制作出占空比1：1的刻线，并减薄到所需厚度，完成光栅3的制作；

在所述SOI基片的基底层一17上表面通过光刻、溅射和剥离工艺制作反射膜5。光刻用到的掩膜板为掩膜板一；

对所述的SOI基片的基底层一17、基底层二21进行双面光刻和反应离子束刻蚀，刻蚀深度为5～10μm，该深度即为质量块6与上下限位板之间的间隙。光刻用到的掩膜板为掩膜板二；

对所述的SOI基片的基底层一17、基底层二21进行双面光刻和深反应离子束刻蚀，刻蚀进行至阻挡层一18和阻挡层二20停止，制作出质量块6与硅基底4之间的凹槽区域。光刻用到的掩膜板为掩膜板三；

利用缓冲的氢氟酸去除所述SOI基片中的暴露的阻挡层一18和阻挡层二20；

对所述的SOI基片的器件层19进行光刻和反应离子束刻蚀，刻蚀深度即为器件层19的厚度，制作出悬臂梁7。光刻用到的掩膜板为掩膜板四；

利用有机溶剂及等离子去胶对所述质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构进行去胶，并进行快速退火进行残余应力释放；

取数片硅片，先采用热氧化生长出二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为0.5～1μm，该厚度即为空气间隙23的厚度，再利用掩膜板五光刻出单晶硅厚膜24的窗口区域，利用缓冲的氢氟酸去除窗口内的二氧化硅层；

对上述数片硅片进行减薄处理，每片硅片减薄至20～50μm，为单晶硅厚膜24的厚度，用阳极键合工艺将减薄后的硅片键合，并在最上层的硅片上制作聚对二甲苯薄膜22，形成下限位板8；

利用硅玻璃键合和硅硅键合工艺键合光栅3、质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构和下限位板8，形成微机械加速度敏感单元1；

利用厚聚二甲基硅氧烷包裹微机械加速度敏感单元1，并固定于封装外壳14上，依次安装调整VCSEL激光器9、光电探测器一10、光电探测器二11和信号处理电路12，在确定位置后用聚合物固定封装材料13包裹这些元件，并将它们固定于封装外壳14上，完成封装后引出信号输出线和电源输入线。

本发明提出的微光机电系统加速度计实施例在正常工作时的输出电压与敏感轴向加载的加速度的关系及其线性拟合如图6所示。图中的拟合线斜率反应了微光机电系统加速度计的加速度测量灵敏度约为2486V/g。微光机电系统加速度计正常工作时的噪声水平如图7所示，约为2.5mV，结合灵敏度和噪声水平可以得到本发明提出的微光机电系统加速度计的加速度测量精度在10^-6g量级。另外，实施例的微光机电系统加速度计经过冲击实验证明，能够在承受10000g加速度的大冲击时依然不损毁，在冲击撤除后，加速度计依然能够正常工作。

综上所述，本发明结合了MEMS加速度计抗冲击的方法和光学微腔加速度测量方案，通过引入三明治式上下限位板的方法保证微机械结构在大冲击下不失效，并且通过聚合物封装保证了光学微位移测量单元各个元件相对位置不变，在保证高加速度测量精度的前提下实现了抗大冲击性能。本发明提供的制造工艺已被实施例验证切实有效与当前IC工艺兼容，这为后期的大规模生产奠定了基础。

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。

Claims (8)

1.一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述加速度计主要由封装外壳（14）和布置在封装外壳（14）中的微机械加速度敏感单元（1）和光学微位移测量单元（2）组成，微机械加速度敏感单元（1）位于光学微位移测量单元（2）正下方；所述微机械加速度敏感单元（1）从上到下依次为光栅（3）、质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构和下限位板（8），所述的光学微位移测量单元（2）和微机械加速度敏感单元（1）均通过聚合物固定封装材料（13）封装在封装外壳（14）中；

所述光学微位移测量单元（2）包括VCSEL激光器（9）、光电探测器一（10）、光电探测器二（11）和信号处理电路（12），VCSEL激光器（9）固定在光栅（3）中间正上方的封装外壳（14）内顶面，光电探测器一（10）和光电探测器二（11）固定在光栅（3）同一侧方的封装外壳（14）内顶面，信号处理电路（12）固定在光栅（3）另一侧方的封装外壳（14）内顶面；VCSEL激光器（9）出射激光（15）垂直入射到光栅（3）表面，经光栅（3）和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构反射衍射后的出射光被光电探测器一（10）和光电探测器二（11）接收，光电探测器一（10）和光电探测器二（11）中的其中一个光电探测器置于从光栅（3）出射的第一级干涉衍射光束（16）上；

所述质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构包括硅基底（4）、质量块（6）和悬臂梁（7），光栅（3）置于硅基底（4）顶面，硅基底（4）中心开有方形通槽，质量块（6）置于方形通槽中，光栅（3）和质量块（6）上表面严格平行，质量块（6）四周侧面分别经各自的悬臂梁（7）与方形通槽的内侧面连接，各个悬臂梁（7）结构相同并以质量块（6）中心呈中心对称分布在质量块（6）四周，硅基底（4）底面置于下限位板（8）上，下限位板（8）中位于方形通槽正下方的部分采用柔性微限位结构；质量块（6）上表面镀有高反膜（5），高反膜（5）与光栅（3）构成微纳光腔；

所述下限位板（8）的柔性微限位结构为开设在下限位板（8）上部的多层间隔层叠布置的单晶硅厚膜（24），相邻层单晶硅厚膜（24）之间有空气间隙（23），最上层的单晶硅厚膜（24）上覆盖有聚对二甲苯薄膜（22）作为柔性缓冲层；

所述光栅（3）充当上限位板；

所述质量块（6）上下表面经过对称刻蚀使得厚度小于硅基底（4）的厚度，为质量块（6）与上下限位板间提供空气间隙；

微机械加速度敏感单元（1）和光学微位移测量单元（2）均通过聚合物固定封装材料（13）进行固定封装；其中VCSEL激光器（9）用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在聚合物固定封装材料（13）端面上开有作为激光出射的小孔；两个光电探测器同样用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在探测器光敏面所在的聚合物固定封装材料（13）端面开有作为接收的窗口；信号处理电路（12）用聚合物固定封装材料（13）固定；三明治式微机械加速度敏感单元（1）用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在光栅（3）栅线区域留出透光窗口。

2.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅（3）材料为透明的石英片，上面镀有铬膜，并通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅结构。

3.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅（3）和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底（4）上表面通过硅玻璃阳极键合，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底（4）下表面和下限位板（8）通过硅硅键合。

4.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：每层单晶硅厚膜（24）的厚度为20~50μm，面积与方形通槽大小相同，相邻层单晶硅厚膜（24）之间有0.5~1μm的空气间隙（23）。

5.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的质量块（6）厚度为悬臂梁（7）厚度的20~60倍。

6.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：静止状态下，所述悬臂梁（7）、所述质量块（6）和所述硅基底（4）三者的中心平面重合。

7.根据权利要求1或3所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构采用SOI基片制作，SOI基片采用高度对称的五层基片，五层基片从上到下分别为基底层一（17）、阻挡层一（18）、器件层（19）、阻挡层二（20）和基底层二（21），其中阻挡层一（18）和阻挡层二（20）为二氧化硅材料，基底层一（17）、基底层二（21）和器件层（19）均为单晶硅材料，悬臂梁（7）由SOI基片中的单晶硅器件层（19）制作，悬臂梁（7）厚度等于SOI基片中单晶硅器件层（19）的厚度。

8.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的VCSEL激光器（9）的工作波长根据光栅（3）栅线的周期选择，工作波长为光栅（3）栅线周期的1/5~1/2。