CN110308306B - 一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的moems加速度计及其加工方法 - Google Patents

一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的moems加速度计及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计及其加工方法，加速度计由上至下依次包括光路保护层、器件层、氧化硅掩埋层和硅支撑层，其中，器件层包括MEMS敏感质量块、光学结构微腔、悬臂梁和支撑外框架，MEMS敏感质量块四周通过多个悬臂梁与支撑外框架相连，光学结构微腔对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上；光路保护层用于保护MEMS敏感质量块和光学结构微腔；氧化硅掩埋层用于整体结构的释放；硅支撑层用于支撑氧化硅掩埋层和器件层。本发明采用光学检测方案，相比于传统的机械检测方案，具有更高的带宽和分辨率。

Description

一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计及 其加工方法
技术领域
本发明涉及微光机电系统及惯性导航器件及加工工艺，特别是涉及基于一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计及其加工方法。
背景技术
MOEMS(微光机电系统)加速度计是在MEMS(微机电系统)加速度计的基础上发展出来的一种新型加速度计。通过MEMS加工技术为基础，结合了灵敏度更高的光学检测部件，实现加速度检测。该类器件兼具了MEMS器件尺寸小、质量轻、成本低、易集成和微光学器件测量精度高、具有抗电磁干扰能力等优点，是一种非常先进的微型加速度计。
提出的二维光子晶体腔体结构，该腔体结构的特点为当光通过光纤耦合器进入二维光子晶体腔体结构时，一部分具有能量的光会被二维光子晶体腔体吸收，从而在光纤耦合器的另一端检测到光强发生变化，当有不同强度的光通过光纤耦合器传入到二维光子晶体腔体结构中，会有不同强度的光在光纤耦合器的另一端被检测到。
发明内容
发明目的：为克服现有的技术不足，实现光机结合MOEMS(微光机电系统)加速度计的微型化，本发明提供了一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计及其加工方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计，由上至下四层结构依次包括光路保护层、器件层、氧化硅掩埋层和硅支撑层，其中，器件层包括MEMS(微机电系统)敏感质量块、光学结构微腔、悬臂梁和支撑外框架，MEMS敏感质量块四周通过多个悬臂梁与支撑外框架相连，光学结构微腔对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上；光路保护层用于保护MEMS敏感质量块和光学结构微腔；氧化硅掩埋层用于整体结构的释放；硅支撑层用于支撑氧化硅掩埋层和器件层。
可选的，MEMS敏感质量块为正方体结构，位于器件层的中心位置，其正方体结构外围的四个角分别通过悬臂梁与支撑外框架相连。
可选的，光学结构微腔采用二维光子晶体腔体结构，有两个，分别对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上，且与MEMS敏感质量块、悬臂梁及支撑架外框处于同一平面。
可选的，二维光子晶体腔体结构为多孔式结构，多孔式结构为正圆孔，通过反应离子刻蚀法刻蚀得到。
可选的，光路保护层包括保护外框架、MEMS敏感质量块保护结构和光学结构微腔保护结构，保护外框架结构与支撑外框架形状相同，MEMS敏感质量块保护结构与 MEMS敏感质量块形状相同，光学结构微腔保护结构与光学结构微腔形状相同，且其上设有凹槽；MEMS敏感质量块保护结构位于光路保护层中心，其相对的两边分别通过光学结构微腔保护结构与保护外框架连接。
可选的，氧化硅掩埋层形状与支撑外框架形状相同，且与光学结构微腔相对的边框上设有凹槽。
本发明还提供了一种基于MOEMS加速度计的加速度检测方法，具体为：外界通过一个光纤耦合器将光耦合进对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上的二维光子晶体腔体结构，当外界输入一个加速度时，MEMS敏感质量块会在悬臂梁的连接下沿某一方向移动，二维光子晶体腔体结构就会发生形变，当光通过光纤耦合器进入二维光子晶体腔体结构时，一部分具有能量的光会被产生形变的二维光子晶体腔体结构吸收，从而在光纤耦合器的另一端检测到光强发生变化，因此，在MEMS敏感质量块产生位移前后，当有不同强度的光通过光纤耦合器传入到二维光子晶体腔体结构中，会有不同强度的光在光纤耦合器的另一端被检测到，通过检测光强的变化，得到加速度的大小。
本发明还提供了一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，包括以下步骤：
(1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第一块光刻版在表面定义开孔；
(2)通过深反应离子刻蚀加工得到支撑层中的通孔，借助通孔将HF蒸汽通入，洗去后续需要加工的元件可动部分下方的掩埋氧化层；
(3)完成步骤(2)后，将底层残余的氮化硅和氧化硅层使用机械抛光磨去，然后在上表面旋涂一层电子束曝光胶并固化；
(4)在步骤(3)得到的电子束曝光胶层，利用电子束曝光，定义二维光子晶体通孔图案和位置，然后进行显影和后烘；
(5)在步骤(4)的基础上，通过反应离子刻蚀在硅结构层加工出二维光子晶体后，之后采用丙酮溶液去除残余的电子束曝光胶；
(6)清洗并干燥步骤(5)中的SOI晶圆，在光路保护层所在表面沉积另一Si3N4 层，作为包层，同时防止后续加工损坏二维光子晶体结构；
(7)在步骤(6)的基础上再次旋涂一层新的光刻胶，用第三块掩膜版将MEMS 敏感质量块结构、悬臂梁结构和支撑外框结构转移到光刻胶层；
(8)在步骤(7)的基础上，使用Bosch ICP释放得到MEMS加速度计质量块结构，最后用丙酮溶液去除残留的光刻胶，得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明借助二维光子晶体腔体测量光强的变化，从而实现对加速度的测量。由于采用了光学检测方法，相比于传统的微机电加速度计，该加速度计的可靠性和测量精度都可以达到一个更高的水平。本发明具有测量精度高，带宽频率高，不受电磁干扰等优点。
附图说明
图1是本发明的MOEMS加速度计结构示意图；
图2是图1结构的爆炸图；
图3是图1结构器件层的俯视图；
图4是MOEMS加速度计二维光子晶体多孔式结构示意图；
图5是本发明的MOEMS加速度计加工工艺流程图；
图中：1为光路保护层，2为器件层，3为氧化硅掩埋层，4为硅支撑层，11为保护外框架，12为MEMS敏感质量块保护结构，13为光学结构微腔保护结构，21为MEMS 敏感质量块，22为悬臂梁结构，23为二维光子晶体腔体结构，24为支撑外框架，231 为二维光子晶体腔体结构的孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱落本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。
本发明的一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计及其加工方法，微加速度计由上至下依次是：光路保护层、器件层、氧化硅掩埋层和硅支撑层，其中，器件层包括MEMS敏感质量块、光学结构微腔、悬臂梁和支撑外框架，MEMS敏感质量块通过悬臂梁与支撑外框架相连，MEMS敏感质量块相对的两边上对称分布相同的光学结构微腔，所述光学结构微腔与MEMS质量块结构相连。光路保护层用于保护 MEMS敏感质量块和光学结构微腔；氧化硅掩埋层用于整体结构的释放，硅支撑层用于支撑氧化硅掩埋层和器件层。
实施例1
如图1-3所示一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计，由上至下依次是：光路保护层、器件层、氧化硅掩埋层和硅支撑层，器件层包括一个MEMS 敏感质量块、支撑质量块的四个悬臂梁、支撑外框架和两个光学结构微腔，MEMS敏感质量块为正方体结构，位于器件层的中心位置，其正方体结构外围的四个角分别通过悬臂梁与支撑外框架相连，使得器件层整体的机械结构保持在同一平面上；光学结构微腔采用二维光子晶体腔体结构，对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上，且与MEMS 敏感质量块、悬臂梁及支撑架外框处于同一平面。
光路保护层包括保护外框架、MEMS敏感质量块保护结构和光学结构微腔保护结构，保护外框架结构与支撑外框架形状相同，MEMS敏感质量块保护结构与MEMS敏感质量块形状相同，光学结构微腔保护结构与光学结构微腔形状相同，且其上设有凹槽；使MEMS敏感质量块成为可动结构，MEMS敏感质量块保护结构位于光路保护层中心，其相对的两边分别通过光学结构微腔保护结构与保护外框架连接。
氧化硅掩埋层形状与支撑外框架形状相同。所述二维光子晶体腔体结构为多孔式二维光子晶体结构，所述多孔式结构为正圆孔结构，通过反应离子刻蚀法刻蚀得到。所述光路保护层为保护多孔式二维光子晶体腔体结构，保证多孔式结构结构中没有灰尘和杂物。所述氧化硅掩埋层用于释放整体结构，在加工工艺中起到保护结构的作用。所述硅支撑层用于支撑敏感质量块结构、二维光子晶体腔体结构、悬臂梁结构和支撑外框架，用于将三种结构稳定在同一平面内。
MEMS敏感质量块、支撑质量块的悬臂梁和支撑外框架通过体微加工技术得到，二维光子晶体腔体结构用于光检测，其通过在SOI晶圆器件层反应离子刻蚀(RIE)法得到；当从外界获得一个加速度时，在悬臂梁的作用下，MEMS敏感质量块沿某一方向产生位移；两组二维光子晶体腔体结构采用全差分检测的结构，同时检测光强变化，然后进行差分输入与输出，从而到达光学检测的目的，进而推算出加速度的大小。
基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的工作原理为：
外界通过一个光纤耦合器将光耦合进MEMS敏感质量块相对的两边上对称分布的二维光子晶体腔体结构，当外界输入一个加速度时，MEMS敏感质量块会在悬臂梁的连接下沿某一方向移动，二维光子晶体腔体结构就会发生形变，当光通过光纤耦合器进入二维光子晶体腔体结构时，一部分具有能量的光会被产生形变的二维光子晶体腔体吸收，从而在光纤耦合器的另一端检测到光强发生变化，因此，在MEMS敏感质量块产生位移前后，当有不同强度的光通过光纤耦合器传入到二维光子晶体腔体结构中，会有不同强度的光在光纤耦合器的另一端被检测到，通过检测光强的变化，可以得到加速度的大小。
所述的光纤耦合器用来为加速度计提供光源，以及检测光与光学微腔的光耦合，检测光通过光纤耦合器进入二维光子晶体腔体结构，经过二维光子晶体腔体结构后，从光纤耦合器的另一端检测到出射光，通过检测出射光的光强，从而得到具体的光强变化范围。
实施实例1
MEMS敏感质量块的顶部和底部分别对称分布着相同的二维光子晶体腔体结构，因此基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计采用全差分的检测方式，即上下同时检测光信号，采用两个完全相同的光纤耦合器对二维光子晶体腔体结构提供光信号，当加速度发生变化时，MEMS敏感质量块就会在平面上沿上或下产生位移，因此，两个光纤耦合器发出的光分别通过上下二维光子晶体腔体结构时，从各自二维光子晶体腔体结构输出的光强会发生变化，通过检测输入与输出光强的变化，可以得到加速度的大小。采用全差分检测结构，即在提高加速度计的分辨率和检测精度
如图4所示，一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，包括以下步骤：
(1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第一块光刻版在表面定义开孔。
(2)通过深反应离子刻蚀(DRIE)加工得到氧化硅掩埋层中的通孔即在氧化硅掩埋层上打孔，借助通孔将HF蒸汽通入，洗去后续需要加工的元件可动部分下方的掩埋氧化层。
(3)完成步骤(2)后，将底层残余的氮化硅和氧化硅层使用机械抛光磨去，然后在上表面旋涂一层电子束曝光胶并固化。
(4)在步骤(3)得到的电子束曝光胶层，利用电子束曝光，定义二维光子晶体通孔图案和位置，然后进行显影和后烘。
(5)在步骤(4)的基础上，通过反应离子刻蚀(RIE)在硅结构层加工出二维光子晶体后，采用丙酮溶液去除残余的电子束曝光胶。
(6)清洗并干燥步骤(5)中的SOI晶圆，在光路保护层所在表面沉积另一Si3N4层，作为包层，同时防止后续加工损坏二维光子晶体结构。
(7)在步骤(6)的基础上再次旋涂一层新的光刻胶，用第三块掩膜版将MEMS 敏感质量块结构、悬臂梁结构和支撑外框结构转移到光刻胶层。
(8)在步骤(7)的基础上，使用Bosch ICP释放得到MEMS加速度计质量块结构，最后用丙酮溶液去除残留的光刻胶，得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计结构。
本发明中加速度计的制作结合了电子束曝光、光刻工艺、MEMS体硅加工工艺和表面微加工工艺。
本发明利用检测光强的变化的方法来实现加速度的检测，兼具测量精度高、带宽大、体积小等特点，不易受电磁干扰和便于加工和携带等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。
本发明未提及的技术均为现有技术。
本发明属于MOEMS加速度计的范畴，采用MEMS技术实现器件测加工，并借助上述二维光子晶体腔体结构实现对加速度的检测。其中器件层包括MEMS敏感质量块结构、悬臂梁结构、二维光子晶体腔体结构和支撑外框架结构，MEMS敏感质量块结构和悬臂梁结构用于感知加速度，二维光子晶体腔体结构用于实现加速度检测，通过光纤耦合器两侧检测到输入光与输出光强的变化，进而检测出加速度的大小。由于采用了光学检测方案，相比于传统的微机械加速度计，该加速度计的可靠性和测量精度都可以达到一个更高的水平。

Claims (7)

1.一种基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于，MOEMS加速度计由上至下四层结构依次包括光路保护层、器件层、氧化硅掩埋层和硅支撑层，其中，器件层包括MEMS敏感质量块、光学结构微腔、悬臂梁和支撑外框架，MEMS敏感质量块四周通过多个悬臂梁与支撑外框架相连，光学结构微腔对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上；光路保护层用于保护MEMS敏感质量块和光学结构微腔；氧化硅掩埋层用于整体结构的释放；硅支撑层用于支撑氧化硅掩埋层和器件层，加工方法包括以下步骤：
(1)清洗SOI晶圆，干燥，在SOI晶圆下表面旋涂一层光刻胶，固化后，使用第一块光刻版在表面定义开孔；
(2)通过深反应离子刻蚀加工得到支撑层中的通孔，借助通孔将HF蒸汽通入，洗去后续需要加工的元件可动部分下方的掩埋氧化层；
(3)完成步骤(2)后，将底层残余的氮化硅和氧化硅层使用机械抛光磨去，然后在上表面旋涂一层电子束曝光胶并固化；
(4)在步骤(3)得到的电子束曝光胶层，利用电子束曝光，定义二维光子晶体通孔图案和位置，然后进行显影和后烘；
(5)在步骤(4)的基础上，通过反应离子刻蚀在硅结构层加工出二维光子晶体后，之后采用丙酮溶液去除残余的电子束曝光胶；
(6)清洗并干燥步骤(5)中的SOI晶圆，在光路保护层所在表面沉积另一Si3N4层，作为包层，同时防止后续加工损坏二维光子晶体结构；
(7)在步骤(6)的基础上再次旋涂一层新的光刻胶，用第三块掩膜版将MEMS敏感质量块结构、悬臂梁结构和支撑外框结构转移到光刻胶层；
(8)在步骤(7)的基础上，使用Bosch ICP释放得到MEMS加速度计质量块结构，最后用丙酮溶液去除残留的光刻胶，得到完整的二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计结构。
2.根据权利要求1所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于：MEMS敏感质量块为正方体结构，位于器件层的中心位置，其正方体结构外围的四个角分别通过悬臂梁与支撑外框架相连。
3.根据权利要求1所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于：光学结构微腔采用二维光子晶体腔体结构，有两个，分别对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上，且与MEMS敏感质量块、悬臂梁及支撑架外框处于同一平面。
4.根据权利要求3所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于：二维光子晶体腔体结构为多孔式结构，多孔式结构为正圆孔，通过反应离子刻蚀法刻蚀得到。
5.根据权利要求1所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于：光路保护层包括保护外框架、MEMS敏感质量块保护结构和光学结构微腔保护结构，保护外框架结构与支撑外框架形状相同，MEMS敏感质量块保护结构与MEMS敏感质量块形状相同，光学结构微腔保护结构与光学结构微腔形状相同，且其上设有凹槽；MEMS敏感质量块保护结构位于光路保护层中心，其相对的两边分别通过光学结构微腔保护结构与保护外框架连接。
6.根据权利要求1所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于：氧化硅掩埋层形状与支撑外框架形状相同，且与光学结构微腔相对的边框上设有凹槽。
7.根据权利要求1所述的基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加工方法，其特征在于，所述基于全差分二维光子晶体腔体结构的MOEMS加速度计的加速度检测方法为：外界通过一个光纤耦合器将光耦合进对称分布于MEMS敏感质量块相对的两边上的二维光子晶体腔体结构，当外界输入一个加速度时，MEMS敏感质量块会在悬臂梁的连接下沿某一方向移动，二维光子晶体腔体结构就会发生形变，当光通过光纤耦合器进入二维光子晶体腔体结构时，一部分具有能量的光会被产生形变的二维光子晶体腔体结构吸收，从而在光纤耦合器的另一端检测到光强发生变化，因此，在MEMS敏感质量块产生位移前后，当有不同强度的光通过光纤耦合器传入到二维光子晶体腔体结构中，会有不同强度的光在光纤耦合器的另一端被检测到，通过检测光强的变化，得到加速度的大小。
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