CN110329982B - 基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法 - Google Patents

基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法，由一个旋转折叠梁‑质量块‑硅外框的加速度位移敏感结构和一个由纳米光学谐振腔、激光器、光隔离器、分光棱镜、两个光电探测器探测组成的位移测量机构组成，其中纳米光学谐振腔包含一个覆盖银膜的亚波长硅光栅、一层空气间隙和一个覆盖银膜的硅基底。本发明利用旋转折叠梁的弹性结构实现了高加速度‑位移灵敏度、低离轴串扰的面内加速度位移转换，通过纳米光学谐振腔实现了超高灵敏度的位移测量，两者结合实现了高测量灵敏度的面内加速度测量；本发明加速度位移敏感结构和纳米光学谐振腔均由单片绝缘体上硅晶圆制成，因此本发明可实现大规模、低成本和高精度的面内加速度测量。

Description

基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法
技术领域
本发明属于加速度计领域，具体涉及一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法。
背景技术
目前微光学加速度计的测量原理通常是基于光的波动性，即通过加速度敏感结构将加速度转化为位移信号，然后利用光信号的干涉、衍射效应进行位移测量。但是基于光的波动性的位移测量受光波长的限制，无法突破光的衍射极限，因此位移和加速度的测量精度受到光波长的限制。虽然可以通过电子细分、调制解调等方式将位移测量精度提升至λ/100甚至更高从而实现μg级别的加速度测量精度，但是各种细分方式的引入也会增加加速度计的系统复杂度和成本，并且对于微光学加速度计而言，细分对理论极限灵敏度和精度的提升并无帮助。
利用伍德异常和近场光学谐振增强等手段可以突破光学标量衍射的极限，将位移测量的灵敏度提升至皮米甚至飞米量级[DW C,JP S,TA F.Laterally deformablenanomechanical zeroth-order gratings:anomalous diffraction studied byrigorous coupled-wave analysis[J].Opt Lett,2003,28(18):1636-8.]，从而将加速度测量的灵敏度提升至ng/rt Hz量级[KEELER B E N,BOGART G R,CARR D W.Laterallydeformable optical NEMS grating transducers for inertial sensingapplications；proceedings of the Nanofabrication:Technologies,Devices,andApplications,F,2005[C].]。但是，现有的近场光学谐振结构通常是由两组可动的亚波长光栅以及多种材料的多介质吸收结构组成的，一般包括三种甚至更多种材料，并且包含悬空的复杂结构，这就导致其加工难度极大，良品率也不高；另外，现有的近场光学谐振结构的光强加速度灵敏度都在1.5％/mg以下，很难实现超高灵敏度和精度的加速度测量。
例如美国Sandia实验室的Dustin等人提出的光纳米机电位移传感器由两个可动纳米光栅、空气间隙和基底组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，基底材料为二氧化硅和氮化硅；又比如王晨等人提出的光栅组加速度计[中国专利号为CN201510036416的专利“光栅组微机械加速度传感器及其测量加速度的方法”]，同样由两组可动亚波长光栅、空气间隙和基底组成，可动光栅的材料为单晶硅，基底材料为二氧化硅和氮化硅；Rogers[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,et al.Verification of evanescentcoupling from subwavelength grating pairs[J].Applied Physics B-Lasers andOptics,2011,105(4):833-7.]等人和北京航空航天大学的Yao等人[Yao B Y；Feng L S；Wang X；et al.Design of out-of-plane MOEMS accelerometer with subwavelengthgratings.IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(10):1027–30.]提出的亚波长光栅组的微光学加速度计虽然结构相对简单，但是因为该方案的两组亚波长光栅仅用来等效一个正常的衍射光栅，因此光强加速度灵敏度仅为0.0002％/mg和0.46％/mg，远未达到超灵敏加速度测量的需求。由此可见，基于近场光学谐振腔的微光学加速度计，现有方案或结构复杂，或灵敏度不高，并且由于近场光学谐振增强对结构参数敏感，加速度敏感结构未经过优化设计，现有的方案对材料和加工工艺要求极高，存在成本高和可靠性不高的缺点。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法，利用旋转折叠梁能在其胫梁方向上实现较低的弹性系数的前提下，较大程度地抵抗其他方向的扭转，纳米光学谐振腔能在降低结构和材料复杂度的同时提升位移测量灵敏度，两者结合实现了超高灵敏度和精度的加速度测量。
本发明的技术方案是：一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面内位移传感单元；
所述加速度敏感结构包括质量块、旋转折叠梁和硅外框；所述质量块通过四个旋转折叠梁固定于所述硅外框内，四个所述旋转折叠梁两两对称设置；所述质量块为长方体结构，其相对两侧分别刻蚀两个旋转折叠梁；所述旋转折叠梁包含三根胫梁和四根股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，通过股梁将所述胫梁首尾相连为仿S型结构，所述股梁与所述胫梁垂直，并与所述质量块刻蚀旋转折叠梁的侧边平行；在所述质量块中心处开有亚波长硅光栅，所述亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；
所述面内位移传感单元包括激光器、光隔离器、分光棱镜、所述质量块上的亚波长硅光栅、硅基底以及覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜，所述覆盖在硅基底上的银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜；所述硅外框通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述旋转折叠梁和质量块悬空于硅基底的正上方，在亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述质量块上的亚波长硅光栅位于所述分光棱镜的正下方，同时所述亚波长硅光栅与硅基底互相平行；由覆盖了银膜的亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个纳米光学谐振腔；
覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜的周期均为756±10nm，占空比均为35.4％，厚度均为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。
本发明的进一步技术方案是：所述质量块的长宽均为5.2mm，厚度为664±10nm，与所述旋转折叠梁的厚度一致。
本发明的进一步技术方案是：所述旋转折叠梁的三根胫梁的长度分别为25μm、28μm和28μm；四根股梁的长度均为4μm；所述胫梁和股梁宽度一致，均为0.4μm。
本发明的进一步技术方案是：所述旋转折叠梁的胫梁与亚波长硅光栅的栅线方向一致。
本发明的进一步技术方案是：所述激光器输出的激光波长为641nm，模式为TE模。
一种加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：所述绝缘体上硅晶圆从上到下依次包括器件层、埋氧层和基底层；在单抛的绝缘体上硅晶圆的器件层上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层，制作出亚波长硅光栅；
步骤二：利用湿法腐蚀去除所述亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成亚波长硅光栅的释放；
步骤三：利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上生长一层金属银膜，由于亚波长硅光栅被镂空，因此银膜会分别溅射在亚波长硅光栅和基底层上，基底层上的下银膜与亚波长硅光栅上的上银膜周期互补；
步骤四：在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上利用光刻工艺完成旋转折叠梁、质量块和硅外框的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层，制作出器件层上的加速度敏感结构；
步骤五：利用湿法腐蚀去除所述加速度敏感结构图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成加速度敏感结构的释放。
本发明的进一步技术方案是：所述器件层的厚度为664±10nm，埋氧层的厚度为1364±20nm，基底层的厚度为300-500μm。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明通过优化纳米光学谐振腔的各个参数，使得微光学加速度计的面内加速度测量灵敏度超越了以往的光学测量方案，达到了2.8％/mg，即输入1mg的侧向加速度时，反射光束的光强变化入射激光光强的2.8％。亚波长硅光栅距离初始位置存在350-400nm的面内位移时，该面内位移传感单元的位移测量灵敏度最大，达到1.8％/nm。
本发明采用的旋转折叠梁的设计，当有方向为垂直于胫梁方向的面内加速度输入时，加速度敏感结构受惯性力作用发生弹性形变，质量块产生与加速度方向相反的位移，在材料的弹性范围内，该位移大小与输入加速度大小呈线性关系。由于胫梁长度远大于股梁长度，因此加速度敏感结构在垂直于胫梁方向上拥有较小的弹性系数，即拥有较大的加速度-位移灵敏度，同时，这种旋转折叠梁在其他方向的弹性系数较大，并且可以较大程度地抵抗扭转，因此可以保证拥有垂直于胫梁方向(敏感轴向)的高加速度-位移灵敏度和较低的机械离轴串扰。同时亚波长硅光栅既充当了光学敏感元件，又起到了质量块的作用，使得加速度敏感结构能和纳米光学谐振腔完美集成。
本发明简化了纳米光学谐振腔的设计，用两层金属银膜代替了寻常的近场光学谐振腔的两组硅光栅，并且用单一的硅基底代替了多介质吸收层，大大降低了工艺难度和加工成本，这些工艺在国内是很难完成的；两层金属银膜可以通过一次磁控溅射工艺加工而成，加速度敏感结构和纳米光学谐振腔可以由一个单片绝缘体上硅晶圆加工而成，大大减小了工艺的复杂度，降低制作成本的同时提升了器件的可靠性。
本发明的设计过程中考虑了加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的参数容差，使得现有的微纳加工工艺可以满足其加工误差的需求，保证了整体方案的可行性。
附图说明
图1是本发明的微光学加速度计示意图；
图2是基于旋转折叠梁的加速度敏感结构的示意图；
图3是所用绝缘体上硅晶圆的剖面示意图；
图4是加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的工艺流程示意图；
图5是有面内敏感轴向加速度输入时反射光束的光强与加速度大小的关系图；
附图标记说明：1.激光器、2.光隔离器、3.分光棱镜、4.纳米光学谐振腔、5.加速度敏感结构、6.第一光电探测器、7.第二光电探测器、8.固定外框、9.封装管壳、10.上银膜、11.亚波长硅光栅、12.下银膜、13.硅基底、14.空气间隙、15.入射激光、16.反射光束、17.旋转折叠梁、18.质量块、19.硅外框、20.第一股梁、21.第一胫梁、22.第二股梁、23.第二胫梁、24.第三股梁、25.第三胫梁、26.第四股梁、27.绝缘体上硅晶圆上的器件层、28.埋氧层、29.基底层。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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。
本发明的实施例及其实施过程如下：
如图1所示，本发明提供了一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的微光学加速度计，该加速度计包括激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、纳米光学谐振腔4、加速度敏感结构5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、固定外框8、封装管壳9；其中纳米光学谐振腔4由上银膜10、亚波长硅光栅11、下银膜12、硅基底13、空气间隙14构成，上银膜10覆盖在亚波长硅光栅11上，下银膜12覆盖在硅基底13上，两层银膜周期一致但是交错布置；加速度敏感结构5包括四个旋转折叠梁17、质量块18和硅外框19；如图2所示，第一股梁20、第一胫梁21、第二股梁22、第二胫梁23、第三股梁24、第三胫梁25、第四股梁26共同构成了一个旋转折叠梁。
本发明的具体测量原理描述如下：
当有面内加速度输入时，加速度敏感结构5中的质量块18受惯性力作用发生面内位移，由于亚波长硅光栅11位于质量块18的中央，因此亚波长硅光栅11也同样会发生相对硅基底的微小面内位移，此时纳米光学谐振腔的耦合谐振条件发生改变；激光器1出射波长为641nm的TE模式激光，入射激光16经光隔离器2和分光棱镜3后垂直入射至纳米光学谐振腔4；由于亚波长硅光栅11、上银膜10和下银膜12的线宽特征小于入射激光15的波长，因此入射激光15经过亚波长硅光栅11及上银膜10后不会产生衍射效应，而是转变为倏逝场信号；倏逝场信号在纳米光学谐振腔4中振荡，部分电磁场透过硅基底13上的下银膜12间隙产生损耗，部分电磁场在纳米光学谐振腔4中谐振产生可以传递到远场的反射光束16，反射光束16同样垂直于上银膜10上表面；纳米光学谐振腔4的参数经过优化设计，随着亚波长硅光栅11的面内移动和上银膜10与下银膜12的相对位置变化，反射光束16的光强随着亚波长硅光栅的面内移动会发生剧烈变化。当两个银膜的横向间距为300nm时，倏逝场信号在纳米光学谐振腔中发生谐振增强，此时反射光束的光强最强。将亚波长硅光栅调整至350nm附近时，即光强位移灵敏度的最大位置处，可以实现最高灵敏度的位移和加速度探测。
加速度敏感结构5的结构参数包括：质量块18的长宽相同，同为5.2mm，厚度为664±10nm；硅外框19的厚度为664±10nm；第一股梁20的长度为4μm、第一胫梁21的长度为28μm、第二股梁22的长度为4μm、第二胫梁23的长度为25μm、第三股梁24的长度为4μm、第三胫梁25的长度为28μm、第四股梁26的长度为4μm；所有梁的宽度均为0.4μm。
纳米光学谐振腔4的参数包括：入射激光15的波长为641nm；亚波长硅光栅11的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10；上银膜10和下银膜12的周期与占空比与亚波长硅光栅11相同，厚度为194±20nm；空气间隙14的厚度为1170nm±20nm。
当有面内加速度作用时，亚波长硅光栅11发生相对硅基底13的微小面内位移，纳米光学谐振腔4的耦合谐振条件会发生改变。其中反射光束16光强随输入面内加速度的变化曲线图如图5所示。可以发现在输入加速度从0.221g变化至0.255g时，光强加速度灵敏度最大，且变化基本为线性。此时的光强加速度灵敏度可达2.8％/mg，即面内加速度改变1mg，反射光束16的光强变化入射激光15光强的2.8％。即便考虑了各种容差，其光强加速度灵敏度也可以超过2％/mg，超越现有的近场光学谐振腔方案。
参阅图3和图4，本发明还提供了加速度敏感结构5和纳米光学谐振腔4的制造方法，所用晶圆是如图3所示的绝缘体上硅晶圆，包括器件层27、埋氧层28、基底层29，其中器件层27的厚度为664±10nm，埋氧层28的厚度为1364±20nm，基底层29的厚度为300-500μm。制造方法包括以下步骤：
1)在所述绝缘体上硅晶圆的器件层16上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅11的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层27，制作出亚波长硅光栅11；
2)利用湿法腐蚀去除所述亚波长硅光栅11图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层28，完成亚波长硅光栅11的释放；
3)利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层27上生长一层金属银膜，由于亚波长硅光栅11被镂空，因此银膜会分别溅射在亚波长硅光栅11和硅基底13上，硅基底13上的下银膜12与亚波长硅光栅11上的上银膜10周期互补；
4)在所述绝缘体上硅晶圆的器件层27上利用光刻工艺完成旋转折叠梁17、质量块18和硅外框19的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层27，制作出器件层27上的加速度敏感结构5；
5)利用湿法腐蚀去除所述加速度敏感结构5图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层28，完成加速度敏感结构5的释放。
由此可见，本发明利用旋转折叠梁的设计使得微光学加速度计能够在较小的芯片面积内实现较高的加速度-位移灵敏度和低机械离轴串扰，同时该加速度敏感结构能和纳米光学谐振腔完美集成，亚波长硅光栅既充当了光学敏感元件，又起到了质量块的作用；在纳米光学谐振腔中，两层金属银膜代替了寻常的近场光学谐振腔的两组硅光栅，并且多介质吸收层由单一材料的硅基底代替；两层金属银膜可以通过一次磁控溅射工艺加工而成，加速度敏感结构和纳米光学谐振腔可以由一个单片绝缘体上硅晶圆加工而成，大大减小了工艺的复杂度，降低了制作的成本的同时提升了器件的可靠性。该微光学加速度计不仅结构简单，参数容差大，还拥有比常见的近场光学谐振腔方案更高的光强加速度灵敏度，为制作超灵敏的面内微光学加速度计提供了新的方案。
本发明已通过实施例进行了描述，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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面内位移传感单元；
所述加速度敏感结构包括质量块、旋转折叠梁和硅外框；所述质量块通过四个旋转折叠梁固定于所述硅外框内，四个所述旋转折叠梁两两对称设置；所述质量块为长方体结构，其相对两侧分别刻蚀两个旋转折叠梁；所述旋转折叠梁包含三根胫梁和四根股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，通过股梁将所述胫梁首尾相连为仿S型结构，所述股梁与所述胫梁垂直，并与所述质量块刻蚀旋转折叠梁的侧边平行；在所述质量块中心处开有亚波长硅光栅，所述亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；
所述面内位移传感单元包括激光器、光隔离器、分光棱镜、所述质量块上的亚波长硅光栅、硅基底以及覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜，所述覆盖在硅基底上的银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜；所述硅外框通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述旋转折叠梁和质量块悬空于硅基底的正上方，在亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述质量块上的亚波长硅光栅位于所述分光棱镜的正下方，同时所述亚波长硅光栅与硅基底互相平行；由覆盖了银膜的亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个纳米光学谐振腔；
覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜的周期均为756±10nm，占空比均为35.4％，厚度均为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。
2.根据权利要求1所述基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，其特征在于：所述质量块的长宽均为5.2mm，厚度为664±10nm，与所述旋转折叠梁的厚度一致。
3.根据权利要求1所述基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，其特征在于：所述旋转折叠梁的三根胫梁的长度分别为25μm、28μm和28μm；四根股梁的长度均为4μm；所述胫梁和股梁宽度一致，均为0.4μm。
4.根据权利要求1所述基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，其特征在于：所述旋转折叠梁的胫梁与亚波长硅光栅的栅线方向一致。
5.根据权利要求1所述基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为641nm，模式为TE模。
6.一种权利要求1所述基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计的加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：绝缘体上硅晶圆从上到下依次包括器件层、埋氧层和基底层；在单抛的绝缘体上硅晶圆的器件层上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层，制作出亚波长硅光栅；
步骤二：利用湿法腐蚀去除所述亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成亚波长硅光栅的释放；
步骤三：利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上生长一层金属银膜，由于亚波长硅光栅被镂空，因此银膜会分别溅射在亚波长硅光栅和基底层上，基底层上的下银膜与亚波长硅光栅上的上银膜周期互补；
步骤四：在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上利用光刻工艺完成旋转折叠梁、质量块和硅外框的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层，制作出器件层上的加速度敏感结构；
步骤五：利用湿法腐蚀去除所述加速度敏感结构图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成加速度敏感结构的释放。
7.根据权利要求6所述加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的制造方法，其特征在于：所述器件层的厚度为664±10nm，埋氧层的厚度为1364±20nm，基底层的厚度为300-500μm。
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