CN110865204B - 一种基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，属于加速度计领域；包括加速度敏感结构、近场光学谐振腔和压电薄膜；加速度敏感结构由质量块、蛇形悬臂梁和硅外框构成；近场光学谐振腔由亚波长硅光栅、空气间隙、硅基底和覆盖在亚波长硅光栅及硅基底上的上下银膜构成。通过耦合波分析法和遗传算法优化得到的近场光学谐振腔，其出射光强对腔长变化异常敏感；加速度敏感结构提供了合适的机械性能；压电薄膜可以调控光腔腔长，使得加速度传感器工作在灵敏度最大处。本发明利用了表面等离激元的耦合谐振，拥有超越已报道加速度传感器的超高灵敏度，并且压电薄膜提供了零位调整和调制的途径，可以实现具有更高可行性的超灵敏加速度测量。
Description
技术领域
本发明属于加速度计领域，具体涉及一种基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器及方法。
背景技术
目前光学加速度计的测量原理一般是通过加速度敏感结构将加速度转化为位移量，然后利用光的干涉、衍射等效应进行位移测量。这种测量通常是基于光的标量衍射理论近似的，标量衍射理论近似在结构尺度和作用范围大于光波长时拥有很高的准确性，但是这些场景下存在光的衍射极限，光学位移测量和加速度测量的灵敏度和精度会受到光波长的限制。
标量衍射理论并不适用于近场和结构尺寸小于光波长的领域，早在100年前，伍德就发现光经过微纳周期结构时会出现吸收/反射异常的现象，这种伍德异常现象后来经研究发现是由于光在入射至亚波长结构后产生了表面等离激元，表面等离激元发生耦合谐振的结果[BARNES W L,DEREUX A,EBBESEN T W.Surface plasmon subwavelength optics[J].Nature,2003,424(6950):824-30.]。利用这种表面等离激元谐振增强的手段，可以将光学位移测量的灵敏度提升至皮米和亚皮米的量级[DW C,JP S,TA F.Laterallydeformable nanomechanical zeroth-order gratings:anomalous diffraction studiedby rigorous coupled-wave analysis[J].Opt Lett,2003,28(18):1636-8.]，进而提升加速度测量的灵敏度。但是现有的基于表面等离激元的方案，或是近场光学谐振结构复杂，加工难度很大，或是加速度敏感结构设计不合理，导致灵敏度和可靠性不高；并且，现有方案都无法调控加速度敏感结构的相对位置，这就导致加速度传感器很难工作在灵敏度最大的位置。
例如美国Sandia实验室的Dustin等人提出的纳光机电系统加速度传感器[KEELERB E N,BOGART G R,CARR D W.Laterally deformable optical NEMS gratingtransducers for inertial sensing applications；proceedings of theNanofabrication:Technologies,Devices,and Applications,F,2005[C].]，其近场光学干涉腔由两个可动的亚波长光栅、空气间隙和介质吸收层组成，其中可动亚波长光栅的材料为无定形金刚石，介质吸收层的材料为二氧化硅和氮化硅，结构复杂，且光强位移灵敏度小于2％/nm；东南大学的张彤等人设计的混合表面等离激元加速度计[中国专利号为CN201811464465的专利“一种低温漂的混合表面等离激元加速度计”]，由于用到了柔性敏感结构，导致加速度位移灵敏度不高，并且可靠性也未知；加州理工大学的Painter等人设计了一种基于光子晶体光腔的光机械加速度计[KRAUSE A G,WINGER M,BLASIUS T D,etal.A high-resolution microchip optomechanical accelerometer[J].NaturePhotonics,2012,6(11):768-72.]，该方案的光学位移测量灵敏度很高，但是未设计合适的加速度敏感结构，因此加速度测量灵敏度不高；北京航空航天大学设计的亚波长光栅组式加速度计[Yao B Y；Feng L S；Wang X；et al.Design of out-of-plane MOEMSaccelerometer with subwavelength gratings.IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(10):1027–30.]虽然结构简单，但是该方案的两组亚波长光栅仅用来等效为一个衍射光栅，未利用表面等离激元带来的非线性效应，因此灵敏度低于0.5％/mg。
总体而言，现有基于表面等离激元的方案或结构复杂，或加速度敏感结构设计不合理，导致加速度测量灵敏度低于3％/mg，并且缺乏调控加速度敏感结构相对位置的手段。
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表面等离激元的开环式面外加速度传感器及方法，近场光学谐振腔在降低结构复杂度的同时能够大幅提升位移测量灵敏度，压电薄膜提供了调控加速度敏感结构的途径，两者配合蛇形梁悬臂梁形式的加速度敏感结构实现了超高灵敏度的面外加速度测量。
本发明的技术方案是：一种基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，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在所述固定外框的内侧壁上，并与反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上方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面外位移传感单元；
所述加速度敏感结构包括质量块、蛇形悬臂梁和硅外框；所述质量块为长、宽尺寸相同的长方体结构，通过沿周向均布的四个蛇形悬臂梁固定于所述硅外框内；所述蛇形悬臂梁刻蚀于所述质量块与硅外框之间，包含多个胫梁和多个股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，且相互垂直设置，通过所述股梁将所述胫梁首尾相连形成蛇形结构，所述胫梁与所述质量块的侧边平行；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531±10nm，占空比为32％，厚度与质量块的厚度相同，为1142±10nm；
所述面外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、空气间隙、压电薄膜、二氧化硅层、硅基底、覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于所述硅基底上的银膜；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；所述硅外框通过二氧化硅层和压电薄膜设置于所述硅基底上方，所述压电薄膜从下到上依次为由钛/铂底电极、锆钛酸铅薄膜和钛/铂顶电极，所述二氧化硅层设置于所述钛/铂底电极和硅基底之间；所述质量块通过蛇形悬臂梁悬空设置于所述硅基底的正上方，在所述亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述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近场光学谐振腔；
覆盖于所述硅基底上的银膜的位置为，所述亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅线的方向平移69±100nm；覆盖于所述亚波长硅光栅上的银膜周期为531±10nm，占空比为32％，厚度为196±20nm；覆盖于所述硅基底上的银膜周期为531±10nm，占空比为68％，厚度为196±20nm；所述空气间隙的高度为2280±10nm。
本发明的进一步技术方案是：所述质量块的厚度为1142±10nm，与所述蛇形悬臂梁的厚度一致。
本发明的进一步技术方案是：所述钛/铂底电极和钛/铂顶电极的厚度均为120nm，其中钛的厚度为20nm，铂的厚度为100nm；所述锆钛酸铅薄膜的厚度为1000±100nm。
本发明的进一步技术方案是：四个所述蛇形悬臂梁分别固定于所述质量块长方体的四个角处。
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1550nm，模式为TE模式。
一种加速度敏感结构和近场光学谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：在单抛单晶硅片的抛光面上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在硅基底上的下银膜；
步骤二：对金属化后的所述单晶硅片进行热氧化处理，并进行化学机械抛光，形成厚度为1080±40nm的二氧化硅层；
步骤三：制作压电薄膜：首先，在所述二氧化硅层上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂底电极；然后，在钛/铂底电极上通过磁控溅射生长一层厚度为1000±100nm，压电常数大于100pC/N的锆钛酸铅薄膜；最后，在所述锆钛酸铅薄膜上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂顶电极；
步骤四：对所述压电薄膜进行图形化，通过反应离子束刻蚀工艺将位于质量块和蛇形悬臂梁正下方区域的所述压电薄膜刻穿至二氧化硅层，形成环状压电薄膜；
步骤五：在所述环状压电薄膜的环内，利用化学气相沉积在所述步骤二热氧化的二氧化硅层上生长一层二氧化硅层，并用化学机械抛光减薄至与所述钛/铂顶电极上表面平齐；
步骤六：利用化学气相沉积在步骤五得到的整个晶圆上生长一层多晶硅层；
步骤七：在步骤六中的所述多晶硅层上通过电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在亚波长硅光栅上的上银膜；
步骤八：在所述多晶硅层上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅和蛇形悬臂梁的图形制作，采用反应离子束刻蚀，制作出所述亚波长硅光栅和蛇形悬臂梁；
步骤九：利用湿法腐蚀去除所述空气间隙内的的二氧化硅层，完成加速度敏感结构的释放。
本发明的进一步技术方案是：所述单晶硅片的厚度为300-500μm，位于硅基底和压电薄膜之间的热氧化二氧化硅层的厚度为1080±40nm，化学气相沉积的多晶硅层厚度为1142±10nm。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明结合严格耦合波分析法和遗传算法，通过对近场光学谐振腔各个参数的全局优化，使得该面外加速度传感器的加速度测量灵敏度远超以往的光学测量方案，最高可达30％/mg(假设加速度敏感结构的加速度位移灵敏度为1nm/mg)，即输入1mg的面外加速度时，反射光束的光强变化量为入射激光光强的30％。
本发明设计的集成化压电薄膜，可以通过逆压电效应以纳米级精度驱动加速度敏感结构实现面外位移，不仅能够保证加速度传感器工作在灵敏度最大处，并且提供了通过加入调制解调进一步提升信噪比的途径。
将两层银膜错位设计是通过上面提到的全局优化设计出来的，此错位设计及错位参数设置只能对面外位移敏感，而对面内位移不敏感。
本发明采用的蛇形悬臂梁设计，当有面外加速度输入时，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面外位移，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。由于蛇形悬臂梁在面外方向上拥有远小于面内两个方向的弹性系数，因此加速度敏感结构拥有面外方向(敏感轴向)的高加速度-位移灵敏度和较低的离轴串扰。同时亚波长硅光栅位于质量块中央，作为质量块的一部分，使得近场光学谐振腔能够和加速度敏感结构完美集成。
本发明的设计过程中考虑了现有微加工工艺能够实现的加工精度，并基于此完成了加速度敏感结构和近场光学谐振腔的参数容差设计，保证了整体方案的工艺可行性。
附图说明
图1是本发明的开环式面外加速度传感器示意图；
图2是基于蛇形悬臂梁的加速度敏感结构示意图；
图3是近场光学微谐振腔的工艺流程示意图；
图4是加速度敏感结构的工艺流程示意图；
图5是面外加速度输入时反射光束光强随加速度变化的曲线图；
图6是近场光学谐振腔在反射模式(a)和透射模式(b)时的电磁场分布。
附图标记说明：1.激光器、2.光隔离器、3.分光棱镜、4.近场光学谐振腔、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、15.二氧化硅层、16.钛/铂底电极、17.锆钛酸铅薄膜、18.钛/铂顶电极、19.入射激光、20.反射光束、21.蛇形悬臂梁、22.质量块、23.硅外框、24.弯折、25.胫梁、26.股梁、27.单晶硅片、28.热氧化生长的二氧化硅层、29.化学汽相淀积的二氧化硅层、30.多晶硅层。
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表面等离激元的开环式面外加速度传感器，包括激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、近场光学谐振腔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和由钛/铂底电极16、锆钛酸铅薄膜17、钛/铂顶电极18构成的压电薄膜；其中近场光学谐振腔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；
所述加速度敏感结构5包括包括四个蛇形悬臂梁21、质量块22和硅外框23；如图2所示，所述质量块22为长、宽尺寸相同的长方体结构，通过沿周向均布的四个蛇形悬臂梁固定于所述硅外框内；所述蛇形悬臂梁刻蚀于所述质量块与硅外框之间，所述蛇形悬臂梁21包含多个弯折24，一个弯折24中包含一根胫梁25和一根股梁26，所述胫梁25的长度大于股梁26的长度，通过股梁26将所述胫梁25首尾相连形成蛇形结构，所述胫梁25与所述股梁26垂直，所述胫梁25与所述质量块22的侧边平行；弯折24的数量可以根据设计指标的不同而调整。所述质量块22中心处开有亚波长硅光栅11，所述亚波长硅光栅11的周期为531±10nm，占空比为32％，厚度与质量块的厚度相同，为1142±10nm；
由激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、所述质量块22上的亚波长硅光栅、空气间隙14、压电薄膜、二氧化硅层15、硅基底13、覆盖于亚波长硅光栅上的银膜10和覆盖于所述硅基底上的银膜12构成面外位移传感单元；覆盖于所述硅基底上的银膜12的位置为，所述亚波长硅光栅11栅线在硅基底13上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅11线的方向平移69±100nm(将垂直于光栅栅线方向设定为x轴)；所述硅基底13设置于所述固定外框8的内底面上；所述激光器1安装于所述固定外框8内的顶部，激光器1下方安装有光隔离器2，光隔离器2正下方设置有分光棱镜3；所述硅外框23通过二氧化硅层15和压电薄膜设置于所述硅基底13上表面，所述压电薄膜从下到上依次为由钛/铂底电极16、锆钛酸铅薄膜17和钛/铂顶电极18，所述二氧化硅层15设置于所述钛/铂底电极16和硅基底13之间；所述质量块22通过蛇形悬臂梁21悬空设置于所述硅基底13的正上方，在所述亚波长硅光栅11和硅基底13之间形成空气间隙14；保证所述亚波长硅光栅11位于所述分光棱镜3的正下方，同时所述亚波长硅光栅11与硅基底13互相平行；由覆盖了上银膜10的亚波长硅光栅11、覆盖了下银膜12的硅基底13以及所述空气间隙14构成一个近场光学谐振腔4；
覆盖于所述亚波长硅光栅11上的上银膜10周期为531±10nm，占空比为32％，厚度为196±20nm；覆盖于所述硅基底13上的下银膜12周期为531±10nm，占空比为68％，厚度为196±20nm；所述空气间隙14的高度为2280±10nm。
本发明的具体测量原理描述如下：
当有面外加速度输入时，加速度敏感结构5中的质量块22受惯性力作用发生面外位移，由于亚波长硅光栅11位于质量块22的中央，因此亚波长硅光栅11也同样发生相对于硅基底13的面外位移，此时近场光学谐振腔4内的表面等离激元的耦合条件发生改变；激光器1出射波长为1550nm的TE模式激光，入射激光19经光隔离器2和分光棱镜3后垂直入射至近场光学谐振腔4；由于亚波长硅光栅11、上银膜10和下银膜12的线宽特征和空气间隙14小于入射激光19的波长，因此入射激光19在经过上银膜10后转变为表面等离激元；表面等离激元在近场光学谐振腔4内传播，并耦合至亚波长硅光栅11和下银膜12上；当亚波长硅光栅11发生面外位移时，近场光学谐振腔4的边界条件发生了变化，表面等离激元的耦合情况也发生了改变，反射光束20的光强随之发生剧烈变化。当空气间隙14为2.27μm时，近场光学谐振腔4处于反射模式，如图6(a)所示，此时反射光束20的光强最强；当空气间隙14为2.28μm时，近场光学谐振腔4处于透射模式，如图6(b)所示，此时反射光束20的光强最弱；两者之间即为该加速度传感器的加速度测量区间，在此区间内可实现高灵敏度和高线性度的加速度测量。
反射光束20的光强随输入面外加速度的变化曲线图如图5所示，该图对应的加速度敏感结构5的加速度位移灵敏度为1nm/mg。可以发现线性区间内的光强加速度灵敏度超过30％/mg，即面外加速度变化1mg，反射光束20的光强变化量为入射激光19光强的30％。即便考虑了各种容差，其光强加速度灵敏度也可以超过20％/mg，超越现有的近场光学谐振腔方案。
近场光学谐振腔4的参数包括：入射激光19的波长为1550nm；亚波长硅光栅11的周期为531±10nm，占空比为32％，厚度为1142±10nm；上银膜10和下银膜12的周期和厚度相同，周期为531±10nm，厚度为196±20nm，上银膜10的占空比为32％，下银膜12的占空比为68％，两者存在距离为69±100nm的x方向上的错位；空气间隙13为2280±10nm。
加速度敏感结构5的参数包括：质量块22的长宽相同，厚度为1142±10nm；硅外框23的厚度为1142±10nm；胫梁25和股梁26的宽度和厚度一致，厚度为1142±10nm，梁的宽度和长度以及质量块22的长宽可以根据设计指标的不同做出调整。
压电薄膜中的钛/金底电极16和钛/金顶电极18的厚度均为120nm，其中钛的厚度为20nm，铂的厚度为100nm；；锆钛酸铅薄膜17的厚度为1000±100nm；
参阅图3和图4，本发明还提供了近场光学谐振腔4和加速度敏感结构5的制造方法，所用基片是如图3(a)所示的单抛的单晶硅片27，其厚度为300-500μm。制造方法包括以下步骤：
步骤一：在单抛单晶硅片27的抛光面上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在硅基底13上的下银膜12；
步骤二：对金属化后的单晶硅片27进行热氧化处理，并进行化学机械抛光，形成厚度为1080±40nm的二氧化硅层28；
步骤三：制作压电薄膜：首先，在二氧化硅层28上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂底电极16；然后，在钛/铂底电极16上通过磁控溅射生长一层厚度为1000±100nm，压电常数大于100pC/N的锆钛酸铅薄膜17；最后，在所述锆钛酸铅薄膜17上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂顶电极18；
步骤四：对所述压电薄膜进行图形化，通过反应离子束刻蚀工艺将位于质量块22和蛇形悬臂梁21正下方区域的所述压电薄膜刻穿至二氧化硅层，形成环状压电薄膜；
步骤五：在所述环状压电薄膜的环内，利用化学气相沉积在所述步骤二热氧化的二氧化硅层28上生长一层二氧化硅层29，并用化学机械抛光减薄至与所述钛/铂顶电极18上表面平齐；
步骤六：利用化学气相沉积在步骤五得到的整个晶圆上生长一层多晶硅层30；
步骤七：在步骤六中的所述多晶硅层30上通过电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在亚波长硅光栅11上的上银膜10；
步骤八：在所述多晶硅层30上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅11和蛇形悬臂梁21的图形制作，采用反应离子束刻蚀，制作出所述亚波长硅光栅11和蛇形悬臂梁21；
步骤九：利用湿法腐蚀去除所述空气间隙内的二氧化硅层，完成加速度敏感结构5的释放。
由此可见，本发明利用最优设计的近场光学谐振腔实现了超高灵敏度的光学位移测量，优化后的近场光学谐振腔不仅拥有较大的参数容差，能够采用现有的微加工工艺实现，并且可以和加速度敏感结构很好地集成，提升集成度的同时增加了器件的可靠性。本发明设计的压电薄膜提供了零位调整和调制的途径，确保了方案的可行性。
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 (6)
1.一种基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，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在所述固定外框的内侧壁上，并与反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上方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面外位移传感单元；
所述加速度敏感结构包括质量块、蛇形悬臂梁和硅外框；所述质量块为长、宽尺寸相同的长方体结构，通过沿周向均布的四个蛇形悬臂梁固定于所述硅外框内；所述蛇形悬臂梁刻蚀于所述质量块与硅外框之间，包含多个胫梁和多个股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，且相互垂直设置，通过所述股梁将所述胫梁首尾相连形成蛇形结构，所述胫梁与所述质量块的侧边平行；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531±10nm，占空比为32％，厚度与质量块的厚度相同，为1142±10nm；
所述面外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、空气间隙、压电薄膜、二氧化硅层、硅基底、覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于所述硅基底上的银膜；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；所述硅外框通过二氧化硅层和压电薄膜设置于所述硅基底上方，所述压电薄膜从下到上依次为由钛/铂底电极、锆钛酸铅薄膜和钛/铂顶电极，所述二氧化硅层设置于所述钛/铂底电极和硅基底之间；所述质量块通过蛇形悬臂梁悬空设置于所述硅基底的正上方，在所述亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述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近场光学谐振腔；
覆盖于所述硅基底上的银膜的位置为，所述亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅线的方向平移69±100nm；覆盖于所述亚波长硅光栅上的银膜周期为531±10nm，占空比为32％，厚度为196±20nm；覆盖于所述硅基底上的银膜周期为531±10nm，占空比为68％，厚度为196±20nm；所述空气间隙的高度为2280±10nm；
所述加速度敏感结构和近场光学谐振腔的制造方法具体步骤如下：
步骤一：在单抛单晶硅片的抛光面上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在硅基底上的下银膜；
步骤二：对金属化后的所述单晶硅片进行热氧化处理，并进行化学机械抛光，形成厚度为1080±40nm的二氧化硅层；
步骤三：制作压电薄膜：首先，在所述二氧化硅层上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂底电极；然后，在钛/铂底电极上通过磁控溅射生长一层厚度为1000±100nm，压电常数大于100pC/N的锆钛酸铅薄膜；最后，在所述锆钛酸铅薄膜上通过磁控溅射生长一层钛/铂薄膜，形成钛/铂顶电极；
步骤四：对所述压电薄膜进行图形化，通过反应离子束刻蚀工艺将位于质量块和蛇形悬臂梁正下方区域的所述压电薄膜刻穿至二氧化硅层，形成环状压电薄膜；
步骤五：在所述环状压电薄膜的环内，利用化学气相沉积在所述步骤二热氧化的二氧化硅层上生长一层二氧化硅层，并用化学机械抛光减薄至与所述钛/铂顶电极上表面平齐；
步骤六：利用化学气相沉积在步骤五得到的整个晶圆上生长一层多晶硅层；
步骤七：在步骤六中的所述多晶硅层上通过电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发工艺制作并图形化金属银膜，形成覆盖在亚波长硅光栅上的上银膜；
步骤八：在所述多晶硅层上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅和蛇形悬臂梁的图形制作，采用反应离子束刻蚀，制作出所述亚波长硅光栅和蛇形悬臂梁；
步骤九：利用湿法腐蚀去除所述空气间隙内的二氧化硅层，完成加速度敏感结构的释放。
2.根据权利要求1所述基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，其特征在于：所述质量块的厚度为1142±10nm，与所述蛇形悬臂梁的厚度一致。
3.根据权利要求1所述基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，其特征在于：所述钛/铂底电极和钛/铂顶电极的厚度均为120nm，其中钛的厚度为20nm，铂的厚度为100nm；所述锆钛酸铅薄膜的厚度为1000±100nm。
4.根据权利要求1所述基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，其特征在于：四个所述蛇形悬臂梁分别固定于所述质量块的四个角处。
5.根据权利要求1所述基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为1550nm，模式为TE模式。
6.根据权利要求1所述基于表面等离激元的开环式面外加速度传感器，其特征在于：所述单晶硅片的厚度为300-500μm，位于硅基底和压电薄膜之间的热氧化二氧化硅层的厚度为1080±40nm，化学气相沉积的多晶硅层厚度为1142±10nm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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