CN106908624A - 一种加速度敏感器及加速度计 - Google Patents

一种加速度敏感器及加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加速度敏感器及加速度计，包括基座、悬臂梁和通过悬臂梁固定在基座上的质量块；质量块的形状为中心对称形状；悬臂梁包括四个L型臂，其中各L型臂的长臂连接基座，L型臂的短臂连接质量块，且任意相邻两个L型臂呈轴对称设置。由于悬臂梁由四个对称设置的L型臂组成，四个L型臂之间横向相互钳制，因而抗横向干扰能力强，且结构简单，制作难度较低。

Description

一种加速度敏感器及加速度计
技术领域
本发明涉及微光机电技术领域，尤指一种加速度敏感器及加速度计。
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广泛的商业化应用。
现有的加速度计一般由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。加速度计的工作原理为：在加速环境中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。因此，提高质量块的抗干扰性能是提升加速度计性能的重要因素。
发明内容
本发明实施例提供的一种加速度敏感器及加速度计，用以提高加速度计中加速度敏感器的抗横向干扰能力。
本发明实施例提供的一种用于加速度计的加速度敏感器，包括基座、悬臂梁和通过所述悬臂梁固定在所述基座上的质量块；
所述质量块的形状为中心对称形状；
所述悬臂梁包括四个L型臂，其中各所述L型臂的长臂连接所述基座，所述L型臂的短臂连接所述质量块，且任意相邻两个所述L型臂呈轴对称设置。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，所述悬臂梁、所述基座以及所述质量块为一体结构。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，所述悬臂梁、所述基座以及所述质量块的材料为碳化硅材料。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，所述碳化硅材料为6H-SiC单晶材料。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，所述质量块的形状为矩形，且所述L型臂的短臂与所述质量块的连接点分别位于所述矩形的四个角附近。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，所述L型臂的长臂的长度为1700μm～1900μm，短臂的长度为450μm～550μm，臂宽为110μm～130μm。
相应地，本发明实施例还提供了一种加速度计，包括本发明实施例提供的任一种加速度敏感器。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度计中，还包括：与所述加速度敏感器相对且间隔设置的基板，封装所述加速度敏感器与基板的外封装结构，位于所述外封装结构外的光源、环形器、光电倍增管和信号处理电路；其中，
所述基板在与所述加速度敏感器中的质量块对应的区域贯穿有空心套管，且所述空心套管内有单模光纤，所述所述空心套管内的单模光纤的端面与质量块面向所述基板的一面之间形成EFPI腔；
所述光源通过单模光纤与所述环形器的第一端口相连，用于向所述环形器提供光；
所述环形器的第二端口通过单模光纤与所述空心套管内的模光纤相连，用于将所述光源提供给所述环形器的光通过所述空心套管内的单模光纤传输至所述质量块；
所述环形器的第三端口通过单模光纤与所述光电倍增管相连，用于将所述空心套管内的单模光纤接收的反射光提供给所述光电倍增管；
所述信号处理电路用于根据所述光电倍增管输出的信号计算加速度。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，所述质量块背向基板一侧还设置有增透膜。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，所述增透膜的材料为氮化铝或。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，所述增透膜的厚度为λ/8nz、5λ/8nz或9λ/8nz，其中λ为所述光源的波长，nz为所述增透膜的折射率。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，所述光源为波长1550nm的激光光源。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，所述基板的材料为派热克斯玻璃。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，外封装结构的材料为氧化铝陶瓷。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，还包括显示屏，用于显示所述信号处理电路计算所得的加速度。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的上述加速度敏感器及加速度计，包括基座、悬臂梁和通过悬臂梁固定在基座上的质量块；质量块的形状为中心对称形状；悬臂梁包括四个L型臂，其中各L型臂的长臂连接基座，L型臂的短臂连接质量块，且任意相邻两个L型臂呈轴对称设置。由于悬臂梁由四个对称设置的L型臂组成，四个L型臂之间横向相互钳制，因而抗横向干扰能力强，且结构简单，制作难度较低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的加速度敏感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的加速度计的结构示意图之一；
图3为本发明实施例提供的加速度敏感器的等效力学模型的示意图；
图4为本发明实施例提供的加速度计的结构示意图之二；
图5a至图5h为在制作本发明实施例提供的加速度计中的速度计敏感器时执行各步骤后对应的结构示意图；
图6为图5h所示的设置有增透膜的速度计敏感器的俯视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。
附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
本发明实施例提供的一种用于加速度计的加速度敏感器1，如图1所示，包括基座01、悬臂梁02和通过悬臂梁02固定在基座01上的质量块03；
悬臂梁02、基座01以及质量块03为一体结构；
质量块03的形状为中心对称形状；
悬臂梁02包括四个L型臂021，其中各L型臂021的长臂连接基座01，L型臂021的短臂连接质量块03，且任意相邻两个L型臂021呈轴对称设置。
本发明实施例提供的加速度敏感器，包括基座、悬臂梁和通过悬臂梁固定在基座上的质量块；质量块的形状为中心对称形状；悬臂梁包括四个L型臂，其中各L型臂的长臂连接基座，L型臂的短臂连接质量块，且任意相邻两个L型臂呈轴对称设置。由于悬臂梁由四个对称设置的L型臂组成，四个L型臂之间横向相互钳制，因而抗横向干扰能力强，且结构简单，制作难度较低。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，悬臂梁、基座以及质量块为一体结构，这样可以通过一次构图工艺形成，从而不需要增加悬臂梁与基座以及质量块连接的工艺。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，悬臂梁、基座以及质量块的材料为碳化硅SiC材料。这是由于SiC的禁带宽度是Si的2.5倍，Si-C键的高键能使得SiC具有更高惰性，抗氧化、化学腐蚀以及辐射能力均超强。SiC在抗中子辐射方面远超硅数倍，适于高辐射探测应用。此外，SiC的高击穿场强使其耐压性能好、尺寸小；高热导率使其功率密度高，适合工作在高温环境，SiC材料的工作温度可超过1000℃。
由于6H-SiC单晶材料是SiC中机械性能与耐高温性能最为优异的一种，因此，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，碳化硅材料选取6H-SiC单晶材料。
在具体实施时，当质量块的形状为正方形或长方形时，制作成本低且计算加速度时推导公式相对简单，因此，较佳地，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，如图1所示，质量块03的形状为矩形，且L型臂021的短臂与质量块03的连接点分别位于矩形的四个角附近。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度敏感器中，L型臂的长臂的长度为1700μm～1900μm，短臂的长度为450μm～550μm，臂宽为110μm～130μm。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种加速度计，该加速度计包括本发明实施例提供的上述任一种加速度敏感器。由于该加速度计解决问题的原理与前述一种加速度敏感器相似，因此加速度计的实施可以参见前述加速度敏感器的实施，重复之处不再赘述。
下面详细说明通过加速度敏感器检测加速度的原理。由于加速度难以被直接测量，在实际应用中，将加速度计系统看成一个二阶连续时间系统，工作在惯性空间中。根据牛顿力学定律，可以将加速度敏感器等效为一个如图2所示的质量-弹簧-阻尼(m-k-f)系统。加速度敏感器与加速度计外壳固定，在惯性空间中随加速度的变化发生相对运动。在惯性空间中，加速度计外壳绝对位移为zf，质量块绝对位移为z，质量块相对于基座的位移为：
x＝z-zf (1.1)
在惯性力、弹簧弹性力和阻尼力相互作用处于力平衡状态时，根据牛顿第二定律可以得出该系统的二阶运动方程为：
式中m为质量块的质量，km为弹簧刚度、f为阻尼系数。将式(1.1)代入(1.2)，进行整理变换可得：
式中a为整个系统所受到的加速度。设系统输入变量为a(t)，输出变量为质量块相对于壳体的位移x(t)，在零初始条件下对(1.3)进行拉氏变换，可得系统的传递函数为：
式中ω0为质量块固有的谐振频率，ζ为阻尼比，根据工程力学知识：
式中Q为机械品质因素。当加速度输入为固定值，x(t)趋于定值，则式(1.3)变形为：
由式可知质量块相对于基座的位移x和加速度a之间的函数关系，从而可以通过测量相对位移得到加速度。
下面通过一个具体的实施例说明本发明实施例提供的加速度计的具体实施方式，但是不限于此。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度计中，如图3所示，还包括：与加速度敏感器1相对且间隔设置的基板2，封装加速度敏感器1与基板2的外封装结构3，光源4，环形器5，光电倍增管6、信号处理电路7；其中，
基板2在与加速度敏感器1中的质量块03对应的区域贯穿有空心套管21，且空心套管21内有单模光纤，空心套管21内的单模光纤的端面与质量块03面向基板2的一面之间形成非本征型法布里珀罗干涉(Extrinsic Fabry-perot Interferometric，EFPI)腔9；
光源4通过单模光纤与环形器5的第一端口51相连，用于向环形器5提供光；
环形器5的第二端口52通过单模光纤与空心套管21内的单模光纤相连，用于将光源4提供给环形器5的光通过空心套管21内的单模光纤传输至质量块；
环形器5的第三端口53通过单模光纤与光电倍增管6相连，用于将空心套管21内的单模光纤接收的反射光提供给光电倍增管6；
信号处理电路7用于根据光电倍增管6输出的信号计算加速度。
本发明实施例提供的加速度计，加速度的作用会引起质量块的振动，质量块的振动引起质量块的法向位移，质量块的法向位移带来EFPI腔长的改变，亦即干涉光的光程差发生变化，从而干涉光强信号改变。而加速度计中光路传输路径如图3中箭头所指，光源4出射的光自环形器5的第一端口51进入环形器5，从环形器5的第二端口52出射后再经空心套管21内的单模光纤进入EFPI腔，EFPI腔的光纤出射端面产生反射光和透射光，透射光经EFPI腔到达质量块03的下表面发生反射后返回经空心套管21内的单模光纤，一部分光在单模光纤与空气界面直接发生反射。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，干涉光通过环形器5的第三端口53经由单模光纤到达光电倍增管6。因此信号处理电路7根据光电倍增管6输出的信号可以计算加速度。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度计中，环形器可以使双向传输的光发生干涉串扰。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速计中，光源为波长1550nm的激光光源，当然光源也可以采用波长1310nm的激光光源，但是光源的波长越长，加速度计的量程越大。
在具体实施时，当光源的波长为1550nm时，单模光纤采用9/125SI13-PI155型聚酰亚胺涂层通信光纤，其芯径是9μm，对应截止波长为1550nm。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度计中设置在空心套管中的单模光纤可以是9/125SI13-PI155型聚酰亚胺涂层通信光纤，当然为了工作温度提高到500℃以上，设置在空心套管中的单模光纤需要将9/125SI13-PI155型聚酰亚胺涂层通信光纤中的酰亚胺涂层去掉。
较佳地，在本发明实施例提供的加速度计中，为了使经EFPI腔到达质量块的上表面的光被透射出去，以避免经EFPI腔到达质量块的上表面的光在质量块的上表面发生反射又返回至空心套管中的单模光纤，从而对单模光纤中的双光束干涉光造成干扰，如图4所示，质量块03背向基板一侧还设置有增透膜04。
在具体实施时，在本发明实施例提供的加速度计中，增透膜的材料为氮化铝AlN，这是由于AlN的热膨胀系数与SiC更为接近，可以降低热失配。
在具体实施时，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。由菲涅尔公式，可知正入射时增透膜前表面的反射系数ρ1和增透膜前表面的反射系数ρ2分别为：
根据单层薄膜干涉理论，可知增透膜的振幅反射系数为：
若薄膜吸收不计，可得增透薄膜的反射比为：
式中ns、nz和n0分别为SiC、增透膜和空气介质的折射率。
联立式(2.1)～(2.5)，代入已知的SiC和空气介质的折射率值，整理可得增透膜反射比(正入射)为：
对于确定的增透膜折射率nz，增透膜的反射比是δ的函数，也即nze的函数。利用MATLAB软件对增透膜反射比与增透膜折射率与厚度相关性进行仿真，可得nze＝λ/8，5λ/8，9λ/8处反射比最小。
因此，在本发明实施例提供的加速度计中，增透膜的厚度为λ/8nz、5λ/8nz或9λ/8nz时增透膜的反射比最小，其中λ为光源的波长，nz为增透膜的折射率。
进一步地，从制作工艺考虑，增透膜的厚度越厚，工艺越难，且成本越高，因此当光源的波长为1550nm时，且增透膜的材料为氮化铝时，增透膜的厚度设置为70nm左右。
进一步地，为了保证了基底和外封装结构的耐高温特性，在本发明实施例提供的加速度计中，基板的材料可以为派热克斯玻璃，外封装结构的材料可以为氧化铝陶瓷，在此不作限定。
进一步地，在本发明实施例提供加速度计中，信号处理电路包括运算放大器、可调电阻与滤波电容。
进一步地，在本发明实施例提供的加速度计中，如图4所示，还包括显示屏8，用于显示信号处理电路7计算所得的加速度。
本发明实施例提供的上述加速度计，由于加速度敏感器中悬臂梁机械性能更稳定，并且加速度计使用了EFPI(extrinsic fabry-perot interferometric非本征型法布里珀罗干涉)技术和SiC微加工技术结合。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。在车载发动机涡轮增压器、燃气涡轮机监测，航空航天自动驾驶与火箭卫星等振动参数测试环境较为恶劣的情形下，精度和灵敏度更高，因此具有广泛的应用前景。
当本发明实施例提供的加速度计中在加速度敏感器的质量块上还设置有增透膜时，在制作时，可以先在SiC晶圆上形成增透膜的图形后再形成悬臂梁和质量块的图形，具体步骤如下：
(1)减薄SiC晶圆形成基座。
在具体实施时，SiC晶圆的厚度一般在340μm左右，为了降低SiC晶圆的厚度，可以采用金刚石进行磨削的方式使晶圆厚度从减薄到80μm，以降低之后进行的构图工艺难度。
(2)在基座01上形成厚度为70nm左右增透膜04，其中增透膜04的材料为AlN，如图5a所示。
(3)对增透膜04进行构图，保留将要形成质量块的区域内的增透膜04，去除其他区域的的增透膜04，如图5b所示。
(4)涂覆光刻胶05并图形化，如图5c所示。
在具体实施时，利用涂胶机涂覆光刻胶，经紫外曝光后进行图形化。
(5)以图形化的光刻胶05为掩膜，采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀基座01，其中反应气体为SF6和O2，刻蚀深度为12μm，如图5d所示。
(6)去除光刻胶05，并将基座01反转，以进行背面刻蚀，如图5e所示。
(7)电镀Ni掩膜06并图形化，如图5f所示。
(8)采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀基座01，其中反应气体为SF6和O2，刻蚀深度为68μm，形成悬臂梁02、质量块03和基座01的一体结构图形，如图5g所示。
(9)去除Ni掩膜06，如图5h所示，其中，图5h对应的俯视图如图6所示，图5h为图6沿AA’方向的剖面示意图。
(10)进行清洗和图形检查。
本发明实施例提供的上述加速度敏感器及加速度计，包括基座、悬臂梁和通过悬臂梁固定在基座上的质量块；质量块的形状为中心对称形状；悬臂梁包括四个L型臂，其中各L型臂的长臂连接基座，L型臂的短臂连接质量块，且任意相邻两个L型臂呈轴对称设置。由于悬臂梁由四个对称设置的L型臂组成，四个L型臂之间横向相互钳制，因而抗横向干扰能力强，且结构简单，制作难度较低。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种加速度敏感器，包括基座、悬臂梁和通过所述悬臂梁固定在所述基座上的质量块；其特征在于，
所述质量块的形状为中心对称形状；
所述悬臂梁包括四个L型臂，其中各所述L型臂的长臂连接所述基座，所述L型臂的短臂连接所述质量块，且任意相邻两个所述L型臂呈轴对称设置。
2.如权利要求1所述的加速度敏感器，其特征在于，所述悬臂梁、所述基座以及所述质量块为一体结构。
3.如权利要求1所述的加速度敏感器，其特征在于，所述悬臂梁、所述基座以及所述质量块的材料为碳化硅材料。
4.如权利要求3所述的加速度敏感器，其特征在于，所述碳化硅材料为6H-SiC单晶材料。
5.如权利要求1-4任一项所述的加速度敏感器，其特征在于，所述质量块的形状为矩形，且所述L型臂的短臂与所述质量块的连接点分别位于所述矩形的四个角附近。
6.如权利要求5所述的加速度敏感器，其特征在于，所述L型臂的长臂的长度为1700μm～1900μm，短臂的长度为450μm～550μm，臂宽为110μm～130μm。
7.一种加速度计，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的加速度敏感器。
8.如权利要求7所述的加速度计，其特征在于，还包括：与所述加速度敏感器相对且间隔设置的基板，封装所述加速度敏感器与基板的外封装结构，位于所述外封装结构外的光源、环形器、光电倍增管和信号处理电路；其中，
所述基板在与所述加速度敏感器中的质量块对应的区域贯穿有空心套管，且所述空心套管内有单模光纤，所述所述空心套管内的单模光纤的端面与质量块面向所述基板的一面之间形成EFPI腔；
所述光源通过单模光纤与所述环形器的第一端口相连，用于向所述环形器提供光；
所述环形器的第二端口通过单模光纤与所述空心套管内的模光纤相连，用于将所述光源提供给所述环形器的光通过所述空心套管内的单模光纤传输至所述质量块；
所述环形器的第三端口通过单模光纤与所述光电倍增管相连，用于将所述空心套管内的单模光纤接收的反射光提供给所述光电倍增管；
所述信号处理电路用于根据所述光电倍增管输出的信号计算加速度。
9.如权利要求8所述的加速度计，其特征在于，所述质量块背向基板一侧还设置有增透膜。
10.如权利要求9所述的加速度计，其特征在于，所述增透膜的材料为氮化铝。
11.如权利要求10所述的加速度计，其特征在于，所述增透膜的厚度为λ/8nz、5λ/8nz或9λ/8nz，其中λ为所述光源的波长，nz为所述增透膜的折射率。
12.如权利要求8-11任一项所述的加速度计，其特征在于，所述光源为波长1550nm的激光光源。
13.如权利要求8-11任一项所述的加速度计，其特征在于，所述基板的材料为派热克斯玻璃。
14.如权利要求8-11任一项所述的加速度计，其特征在于，外封装结构的材料为氧化铝陶瓷。
15.如权利要求8-11任一项所述的加速度计，其特征在于，还包括显示屏，用于显示所述信号处理电路计算所得的加速度。
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