CN113156162A - 加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法 - Google Patents

加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法 Download PDF

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CN113156162A CN202110437872.4A CN202110437872A CN113156162A CN 113156162 A CN113156162 A CN 113156162A CN 202110437872 A CN202110437872 A CN 202110437872A CN 113156162 A CN113156162 A CN 113156162A
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Abstract

本发明提供一种加速度计结构及其制备方法、基于所述加速度计结构的加速度的测量方法，其中，所述加速度计结构包括：具有凹槽结构的基底，悬浮在凹槽结构上的测试质量块、纳米系链及纳米光子晶体测量单元，纳米光子晶体测量单元中形成有光子晶体谐振腔，以基于光子晶体谐振腔的共振频率表征测试质量块受到的加速度。本发明提供一种基于光弹性的光‑微机械加速度计结构，使用基于光子晶体纳米腔(光子晶体谐振腔)的腔谐振张力传感器来测量施加于芯片的加速度对光子晶体纳米腔的张力，质量块受加速度产生位移并由位移产生张力，张力集中在光子晶体纳米腔，测量精准，分辨率效果好，且基于光子晶体纳米腔还可以增加光弹性光‑机械耦合。

Description

加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法
技术领域
本发明属于加速度测量技术领域，特别是涉及一种加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法。
背景技术
加速度计是测量载体线性加速度的元件，在惯性导航、惯性制导和控制检测设备领域有重要作用，目前广泛应用于航空、航海、车辆、消费电子、医疗、武器制导等领域。加速度计领域经历数十年发展已形成诸多种类。其中光学加速度计以其抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀等特点成为近年来国内外加速度计的研究热点。而现代光纤传感技术、微机械制造技术的发展为光学加速度计的研究提供了有利条件。
对于从机械系统维护、惯性导航到消费电子产品的各种应用，加速度的监视至关重要。加速度计的基本操作原理是测量可灵活安装的测试质量块的位移或者受力。目前，技术上，可以使用电容、压电、隧道电流或光学技术来实现敏感位移或者受力测量。但是，传统的光学加速度计要么不允许芯片级集成，要么涉及庞大的测量质量，其功能单一，同时生产成本及其高昂，限制了其在民用市场中的应用。微机电惯性测量元件(MEMS IMU)拥有尺寸小，功耗低，成本低的优势，但是其精度，测量范围和频宽都无法满足未来应用的需求。
因此，如何提供一种新型的加速度计结构、制备方法以及加速度测量方法，以解决现有技术中的上述问题实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法，用于解决现有技术中加速计的测量精度受限、传统光学加速度计难以进行有效集成等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种加速度计结构，包括：
基底，所述基底中形成有凹槽结构；
测试质量块，悬浮在所述凹槽结构上方；
纳米系链，悬浮在所述凹槽结构上方，并连接所述测试质量块与所述基底；
纳米光子晶体测试测量单元，悬浮在所述凹槽结构上方，并连接所述测试质量块与所述基底，其中，所述纳米光子晶体测量单元中形成有光子晶体谐振腔，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率变化表征所述测试质量块受到的加速度。
可选地，定义所述测试质量块的受力方向为第一方向，与所述第一方向垂直的方向为第二方向，其中，所述纳米系链的数量为偶数个，且分布在所述测试质量块的两侧，并关于所述第一方向对称设置，所述纳米光子晶体测量单元设置在所述测试质量块的一侧，并相对于所述测试质量块设置在所述第一方向上。
可选地，所述纳米系链沿所述第二方向的长度介于50μm-1mm之间，所述纳米系链沿所述第一方向的宽度介于300nm-10μm之间。
可选地，所述测试质量块的材料包括氮化硅及硅中的任意一种；所述纳米光子晶体测量单元的材料包括氮化硅及硅中的任意一种；所述纳米系链的材料包括氮化硅及硅中的任意一种。
可选地，所述加速度计结构还包括光波导结构，所述光波导结构与所述光子晶体谐振腔相连接或在其附近。
可选地，基于光-机械耦合率设置所述光子晶体谐振腔，其中，所述光-机械耦合率g表示为：
Figure BDA0003033870470000021
g0是单光子耦合率，
Figure BDA0003033870470000022
是光子晶体谐振腔中的光子数。
可选地，所述纳米光子晶体测量单元包括测量中心区，所述测量中心区定义有相互垂直的X方向和Y方向；沿Y方向，包括至少一行第一空洞以及至少两行分别位于所述第一空洞两侧的第二空洞；沿X方向，每一行空洞的排布方式为：所有所述空洞中相邻的两个为一组，在每一组中形成一空洞间距，各所述空洞间距自中心向两侧逐渐减小，以形成所述光子晶体谐振腔。
另外，本发明还提供一种如上述任意一项方案所述的加速度计结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
提供基底，所述基底包括衬底及形成在所述衬底上的器件功能层；
采用光刻或电子束曝光并通过等离子刻蚀的工艺在所述器件功能层中制备所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元；
基于湿法或干法刻蚀工艺去除部分所述基底，以形成所述凹槽结构，并使得所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元悬浮在所述凹槽结构上。
可选地，所述基底包括衬底及形成在所述衬底上的器件功能层，所述衬底为硅衬底，所述器件功能层为氮化硅层。
可选地，所述基底为SOI衬底，所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元形成在顶层硅层中，且所述凹槽结构基于所述中间埋氧层形成。
另外，本发明还提供一种上述任意一项方案所述的加速度计结构进行的加速度测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
提供如上述任意一项方案所述的加速度计结构；
在所述测试质量块上施加外力，提供待测加速度；
获取所述纳米光子晶体测量单元中的所述光子晶体谐振腔的共振频率变化，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率及其变化表征所述测试质量块受到的所述待测加速度。
可选地，通过所述光波导结构获取所述光子晶体谐振腔的所述共振频率及其变化。
如上所述，本发明的加速度计结构及其制备方法、加速度测量方法，本发明提供一种基于光弹性的光-微机械加速度计结构，其使用基于光子晶体纳米腔(光子晶体谐振腔)的腔谐振张力传感器来测量由施加于芯片的加速度产生的测试质量块对于光子晶体纳米腔的张力，质量块受加速度产生位移，并由位移产生张力，张力集中在光子晶体纳米腔，测量更精准，分辨率更好，基于光子晶体纳米腔还可以增加光弹性光-机械耦合，光子晶体纳米谐振腔可以提供高的Q-factor(品质因子)，所以可以提高光-机械耦合，从而也使测量更精准。
附图说明
图1显示为本发明的加速度计结构制备的流程图。
图2显示为本发明一示例加速度计结构制备中提供基底的示意图。
图3显示为本发明一示例加速度计结构制备中形成测试质量块、纳米系链及纳米光子晶体测量单元的结构示意图。
图4显示为图3结构AB位置的截面图。
图5显示为本发明一示例加速度计结构制备中腐蚀形成凹槽结构的示意图。
图6显示为本发明另一示例加速度计结构制备中提供基底的示意图。
图7显示为图6示例的加速度计结构制备中腐蚀形成凹槽结构的示意图。
图8显示为本发明示例的整体示意图(包含测试质量块，纳米系带与光机晶体测量单元)，在质量块位移时的形变。
图9显示为本发明一示例加速度计结构中纳米光子晶体测量单元布局放大图。
图10显示为本发明一示例加速度计结构中形成纳米光子晶体谐振腔的空洞具体排布图。
图11显示为图8的放大图。
图12显示为本发明一示例加速度计结构测量中纳米光子晶体测量单元在测试质量块位移时形变产生的张力。
图13显示为本发明基于加速度计结构进行加速度测量的流程图。
元件标号说明
1 基底
100 衬底
101 器件功能层
102 测试质量块
103 纳米系链
104 纳米光子晶体测量单元
104a 第一空洞
104b 第二空洞
104c 测量中心区
105 凹槽结构
200 底层硅
201 中间埋氧层
202 顶层硅
203 测试质量块
204 凹槽结构
S1～S3及S1’～S3’ 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。另外，本发明中使用的“介于……之间”包括两个端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
参见图2-12所示，本发明提供一种加速度计结构，所述加速度计结构包括：基底1、测试质量块102、纳米系链103以及纳米光子晶体测量单元104。
在本发明的加速度计结构中，基于基底1制备加速度计中的各个有效部件。其中，所述基底1可以为单层材料层，也可以为两层及两层以上的材料层构成的结构。另外，所述基底1中形成有凹槽结构105，用于悬浮进行加速度测量的结构部件。
本发明的加速度计结构基于测试质量块102和与所述测试质量块102相连接的纳米光子晶体测量单元104进行加速度测量，其中，所述测试质量块102、所述纳米光子晶体测量单元104均悬浮在所述凹槽结构105上方。另外，所述测试质量块102通过若干所述纳米系链103实现与所述基底1的连接，以使所述测试质量块可以悬浮才所述凹槽结构105上方，同时，所述纳米系链103也悬浮在所述凹槽结构105上。所述纳米系链和所述纳米光子晶体测量单元悬浮在所述凹槽结构上方连接所述器件功能层未悬空的部分与基底。
作为示例，所述纳米系链103的数量为偶数个，其对称分布在所述测试质量块102的两侧，可选地，定义所述测试质量块的受力方向为第一方向，与所述第一方向垂直的方向为第二方向，所述纳米系链103垂直所述测试质量块102的受力方向，并关于所述第一方向对称设置；所述纳米光子晶体测量单元设置在所述测试质量块的一侧，且所述纳米光子晶体测量单元104相对所述测试质量块102设置在其受力方向上，即平行测试质量块的受力方向。其中，所述第一方向和所述第二方向为所述测试质量块的上表面(平行于基底的表面)所在平面，另外，三维结构中有两个方向垂直，还可以包括在立体结构中垂直于第一方向和第二方向的第三方向。
在一示例中，所述纳米系链103的长度d(沿第二方向，即垂直测试质量块的受力方向)介于50μm-1mm之间，例如，可以是200μm、500μm、800μm，所述纳米系链的宽度w(沿第一方向，即平行测试质量块的受力方向)介于300nm-10μm之间，例如，可以是600μm、1μm、2μm、3μm、4μm、6μm、8μm、9μm。
其中，所述测试质量块102在高拉伸应力下悬浮在所述纳米系链103上，可以是高纵横比的所述纳米系链103，通过调整系链宽度、系链长度和光子晶体纳米腔的长度和宽度来调整机械性能，可以在降低等效加速度噪声的同时保持较大的工作带宽。可通过调整所述纳米系链的设计，调整测试质量块具有合适的谐振频率，从而有利于提高整个加速度计的性能。另外，还可以通过调整光学腔(所述光子晶体谐振腔)的长度和宽度，来调整机械振动块(测试质量块)的机械性能，从而有利于提高整个加速度计的性能。
另外，对于本发明的所述纳米光子晶体测量单元104，所述纳米光子晶体测量单元104中形成有光子晶体谐振腔，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率表征所述测试质量块102受到的加速度。
作为示例，所述纳米光子晶体测试测量单元104可以是宽(沿第二方向)3-20μm，例如，选择为6μm、10μm、15μm，长(沿第一方向)是1-20μm，例如，可以选择为2μm、6μm、12μm。所述测试质量块102可以是长为50μm-2mm，宽为50μm-2mm；例如，可以选择为100x200μm，当然，还可以依据实际情况选择为其他尺寸，并不依此为限。
其中，所述加速度计结构的各部件，可以完全集成在芯片上，并且由其强大的光弹性光-机械耦合而具有更高的张力分辨率，利用机械张力可改变材料的光学性质，进而产生光弹力耦合。可以适用几乎所有需要加速度计的场合。另外，比较小的质量块有利于提高质量块的谐振频率，质量块的谐振频率决定了加速度计所能测量的加速度的频率上界(上限)，其中，基于F＝ma，m变小，同样的a产生的F也会变小。用光学测量方法对F的测量更精准，分辨率更好，可以用比传统MEMS中更小的质量块，达到更好的加速度频率测量上限，也就是更好的加速度计带宽，这也是本发明的优势之一。
在加速度测量过程中，当对芯片施加加速度的时候，所述测试质量块102收到力(也即受到加速度)的作用，与所述测试质量块102相连接的所述纳米光子晶体测量单元104会同时受到力的作用而在内部产生应力，其中，在一示例中，所述纳米光子晶体测量单元104与所述测试质量块102的连线平行于这一外力的方向，即，所述纳米晶体测量单元104受到了同样大小和方向的力(也即加速度)从而产生内部的应力，而这部分应力，会在材料(所述纳米光子晶体测量单元104)中产生“应变(strain)”，应变会影响材料的介电常数(应力越大的地方改变的越多)。材料的介电常数改变，就会进一步影响光子晶体的性质(这里主要体现为光子晶体谐振腔的共振频率)。通过检测纳米光子晶体谐振腔的共振频率，就可以反推出材料内的应力，再推出受到的加速度，即为得到所要测量的加速度。
作为一个示例，参见图2-5所示，所述基底1包括衬底100及形成在所述衬底100上的器件功能层101。其中，所述衬底100包括但不限于硅衬底，所述器件功能层101包括但不限于氮化硅材料层。所述测试质量块102、所述纳米系链103及所述纳米光子晶体测量单元104制备在氮化硅层中，所述凹槽结构105形成在硅衬底中。在一示例中，所述器件功能层101的厚度可以为几百个纳米，如200-800nm，可以是300nm、500nm、600nm，所述衬底100的厚度可以为几百个微米，如300-900μm，可以是400μm、500μm、800μm，作为支撑层。
在另一示例中，参见图6-7所示，所述基底1包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅200、中间埋氧层201及顶层硅202，所述测试质量块203、所述纳米系链(图中未示出)及所述纳米光子晶体测量单元(图中未示出)制备在所述顶层硅202中，所述凹槽结构204形成在所述中间埋氧层201中，所述顶层硅202可以是单晶硅。在一示例中，所述顶层硅的厚度可以为几百个纳米，如200-800nm，可以是300nm、500nm、600nm，所述中间埋氧层的厚度可以为几百个微米，如300-900μm，可以是400μm、500μm、800μm。
具体的，在一示例中，在基于本发明的加速度计进行测量的过程中，基于所述共振频率表征所述加速度的方式包括基于下列公式获得所述加速度：
Figure BDA0003033870470000071
其中，dωo是所述共振频率的变化，dα是标准化之后的位移，P是器件功能层的光弹性系数，∈是器件功能层介电常数，S是器件功能层应变张量，E是光电场强度，且
Figure BDA0003033870470000072
也就是说，基于上述公式，对于所述测试质量块102，当受到加速度a作用时，根据公式F＝ma，受到了外力F的作用，同时，与所述测试质量块102相连接的所述纳米光子晶体测量单元104也受到了外力F的作用，根据公式P＝dF/dA，该外力在所述纳米光子晶体测量单元104中产生了应力P，同时，在所述纳米光子晶体测量单元104中也产生了应变，其中，对于某一材料，应力和应变之间存在关系曲线包括弹性阶段，纳米光子晶体检测器工作在材料的弹性阶段，σ＝E*p，E称为材料的弹性模量p为应力，σ为应力。这里的应变也即上述公式中所使用的是应变张量S。对于所述纳米光子晶体测量单元104，可以通过测量获得谐振腔的共振频率，获得所述共振频率后便可得到所述应变张量S，从而基于上述描述，倒推得到所述加速值。上述公式推导出了光学谐振腔的频率变化和应变之间的关系，加之应变和应力，应力和加速度之间的关系，可以得出光学谐振腔的频率变化和加速度之间的关系了。
另外，在一示例中，所述加速度计结构还包括光波导结构(图中未示出)，所述光波导结构与所述光子晶体谐振腔相连接，以用于进行共振频率的测量。
在一示例中，检测方法包括激光机、分光器、可变光衰减器、光波导、光波导耦合器平衡光探测器和电子频谱分析仪。激光器发射的光通过光纤或光波导进入分光器，分光器将光分成信号光和参考光；信号光通过第一可变光衰减器后在在通过光波导耦合器进入光学谐振腔进行测量；测量后通过光波导耦合器和光波导输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号。所述参考光竟光波导至第二可变光衰减器后输入平衡光探测器并将光信号转化为电信号。所述平衡光探测器将电信号传输至电子频谱分析仪，得到光学谐振腔共振频率。
具体的，对于本申请的用于加速度测量的所述纳米光子晶体测量单元104，其基于光子晶体构成，光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap，简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。光子晶体谐振腔可以是基于现有光子晶体构成，包括一个或者若干个谐振腔。光子晶体可以是在硅材料或者氮化硅材料上面，通过周期性的刻出空洞形成周期性电介质结构(空洞和材料电介质常数不一样，所以就产生了周期)。
在一示例中，本发明对光腔进行了设计。如图10所示，提供一种所述纳米光子晶体测量单元(光子晶体谐振腔)104的具体结构，其中，所述纳米光子晶体测量单元104包括测量中心区104c，所述测量中心区104c定义有相互垂直的X方向和Y方向，其中，沿Y方向，若干行所述人造周期性空洞形成周期性电介质结构，其中，包括至少一行第一空洞以及两行分别位于所述第一空洞两侧的第二空洞，当然，也可以是两行以上，可依据实际需要设计；例如，在一示例中，为一行第一空洞，两行第二空洞。沿X方向，每一行空洞的排布方式为：所有所述空洞中相邻的两个为一组，在每一组中形成一空洞间距，各所述空洞间距自中心向两侧逐渐减小，以形成所述光子晶体谐振腔。例如，沿X方向，所述每一列周期性空洞排布方式为：所有所述第一空洞中相邻的两个为一组，在每一组中形成一空洞间距，各所述空洞间距自中心向两侧逐渐减小，以形成所述光子晶体谐振腔，如，各所述列周期性空洞两两为一组，每一组之间形成一空洞间距a1、a2、a3、a4，各所述空洞间距在所述测量中心区104c呈等差分布。
这里，等差分布可以中间数值大，两侧数值逐渐减小的分布方式，也可以中间数值小两侧数值逐渐增大。例如，在一示例中，a4＝470nm、a3＝463.3nm、a2＝456.7nm、a1＝450nm。在另一示例中，还同时对所述空洞的尺寸进行设计，例如，所述空洞圆形结构，直径为2r；则所述第一空洞104a为椭圆形结构，长轴尺寸为2b，短轴尺寸为2h，其中，b和h的数值可以通过设计达到更好的光-机械耦合效率，从而达到更好的加速度测量精度。另外，还可以是采用现有的具有第二空洞104b的纳米光子晶体，本申请中对某一部分所述第二空洞104b进行改进，是这一部分第二空洞的尺寸及中心位置改变为所述第一空洞104a。在另一示例中，所述测量中心区之外的空洞均为直径为2r的圆形空洞。在进一步可选示例中，第二空洞的尺寸也为直径为2r的圆形空洞。
另外，参见图8-12所示，进一步显示出本发明一示例的效果图，如图8所示，显示为本发明示例的整体示意图(包含测试质量块，纳米系带与光机晶体测量单元)，在质量块位移时的形变，图9显示为该示例的所述纳米光子晶体测量单元部分放大图，上下显示为光场分布图，下部为负，上部为正，中间表示小，图10显示为该示例的所述纳米光子晶体谐振腔的设计细节。图11显示为该示例纳米光子晶体部分在质量块位移时的形变，图12显示为该示例纳米光子晶体部分在质量块位移时形变产生的张力，上部代表应力大。加速的信号(转化为材料收到的应力和应变)和光信号，通过光弹性光-机械耦合(光弹性特指应力和介电常数之间的关系)耦合在了一起。
作为示例，基于光-机械耦合率设置所述光子晶体谐振腔，其中，光-机械耦合率g表示为：
Figure BDA0003033870470000091
g0是单光子耦合率，
Figure BDA0003033870470000092
是光子晶体谐振腔中的光子数，由光子晶体谐振腔的质量因子(Q-factor)和外部接入的激光光强决定，其中，基于所述光子晶体谐振腔的形状控制所述光子晶体谐振腔的质量因子(Q-factor)，以及通过调整外部接入的激光光强调整光子晶体谐振腔中的光子数，以改变所述光-机械耦合率；Q越高，谐振腔里面的光子数越多，光-机械耦合率就越高。在一示例中，可以通过
Figure BDA0003033870470000093
获得，其中，h是普朗克常数，meff是质量块有效质量，wm是质量块的谐振频率。光-机械耦合率的提高，有利于改善光弹性系数。其中，所述光子晶体谐振腔具有很高的质量因子(Q-factor)，有利于更多的光子被储存在这个光腔里面，光子越多，对“弹簧”中的应变检测越敏感(与光子数开方成正比)。
本发明基于光弹性的光-微机械加速度计传感器得益于其微纳米平台设计，拥有现有微机电式(MEMS)惯性力传感器的低成本，芯片级紧凑结构、低功耗、使用安装灵活等优点，同时得益于其光学测量原理，基于光学读数提供了出色的位移分辨率和抗电磁干扰的能力，克服了现有微机电式传感器的过高噪音，可提供高精度、宽频域、大测量区间，快速响应的加速度信息。
实施例二
如图1所述，参见图2-7，本发明还提供一种如实施例一中任意一项方案所述的加速度计结构的制备方法，相关结构特征及描述可参考实施例一。所述制备方法包括如下步骤：
首先，如图1中的S1及图2和6所示，进行步骤S1，提供基底1，包括衬底100及形成在所述衬底100上的器件功能层101。
作为示例，所述衬底100包括硅衬底，所述器件功能层101包括氮化硅层。在一示例中，所述器件功能层101可以通过等离子体增强化学气相沉积法的方式形成在所述衬底100上。
接着，如图1中的S2及图3-4所示，进行步骤S2，采用光刻或电子束曝光与刻蚀的工艺在所述器件功能层101中制备所述测试质量块102、所述纳米系链103及所述纳米光子晶体测量单元104。
具体的，在一示例中，可以是先在所述器件功能层101上形成掩膜层(图中未示出)，例如，采用光刻工艺制备，基于曝光显影(photolithography exposure；Developresist)，得到掩膜图形，例如，包括机械谐振腔和纳米光学晶体谐振腔，再通过刻蚀工艺将图形转移到所述器件功能层101中，形成图形开口102a，得到加速度计需要的功能部件，如采用ICP-RIE工艺；图形转移后还包括去除剩余的掩膜层的步骤。另外，在形成所述掩膜层之前，还可包括对所述基底进行表面清洗的步骤。
最后，如图1中的S3及图5所示，进行步骤S3，基于湿法或干法腐蚀工艺(如基于图形开口102a进行)腐蚀部分所述衬底100，以形成所述凹槽结构105，并使得所述测试质量块102、所述纳米系链103及所述纳米光子晶体测量单元104悬浮在所述凹槽结构105上。另外，凹槽结构105的形状可以依据实际确定，图中显示为矩形，还可以是三角形，也可以是不规则图形，跟所用的腐蚀方法有关，基底材料也有关。例如，对于包括硅衬底及位于硅衬底上的氮化硅层的结构，可以基于wet chem(例如KOH氢氧化钾)或者dry etch(例如XeF2二氟化氙)将氮化硅下面的硅层刻蚀掉一部分，使光学晶体和机械结构悬空。
另外，如图6-7所示，提供另外一种制备示例，该示例中，所述基底1包括SOI衬底，所述SOI衬底包括底层硅200、中间埋氧层201及顶层硅202，所述顶层硅202对应作为所述器件功能层，所述底层硅200及所述中间埋氧层201对应作为所述衬底。其中，湿法或干法腐蚀工艺作用在所述中间埋氧层201中，在中间埋氧层中形成所述凹槽结构203。另外，凹槽结构203的形状可以依据实际确定，图中显示为矩形，还可以是三角形，也可以是不规则图形，跟所用的腐蚀方法有关，基底材料也有关。对于SOI结构的中间埋氧层，可以基于wetchemical etch(例如氢氟酸)或者dry etch(例如氢氟酸蒸汽)把顶层硅下面的氧化硅刻蚀掉一部分。所述测试质量块203、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元形成在所述顶层硅202中。
实施例三
如图13所示，本发明还提供一种采用实施例一所述的加速度计结构进行的加速度测量方法，相关特征的描述可以参见实施例一，在此不再赘述。所述测量方法包括如下步骤：
S1’，提供如实施例一所述的加速度计结构；
S2’，在所述测试质量块上施加外力，提供待测加速度，即在形成有加速度计结构的芯片上施加外力；
S3’，获取所述纳米光子晶体测量单元中的所述光子晶体谐振腔的共振频率变化，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率变化表征所述测试质量块受到的所述待测加速度。
作为示例，通过所述光波导结构获取所述光子晶体谐振腔的所述共振频率及其变化。
综上所述，本发明提供一种基于光弹性光-微机械耦合的加速度计结构，其使用基于纳米光子晶体光学谐振腔腔的腔谐振张力传感器来测量由施加于芯片的加速度产生的测试质量块对于光子晶体谐振腔的张力与应变。质量块受加速度产生位移，并由位移产生张力，张力集中在光子晶体纳米腔，测量更精准，加速度分辨率更好。基于光子晶体谐振腔腔还可以增加光弹性光-机械耦合。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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 (11)

1.一种加速度计结构，其特征在于，所述加速度计结构包括：
基底，所述基底中形成有凹槽结构；
测试质量块，悬浮在所述凹槽结构上方；
纳米系链，悬浮在所述凹槽结构上方，并连接所述测试质量块与所述基底；
纳米光子晶体测量单元，悬浮在所述凹槽结构上方，并连接所述测试质量块与所述基底，其中，所述纳米光子晶体测量单元中形成有光子晶体谐振腔，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率表征所述测试质量块受到的加速度。
2.根据权利要求1所述的加速度计结构，其特征在于，定义所述测试质量块的受力方向为第一方向，与所述第一方向垂直的方向为第二方向，其中，所述纳米系链的数量为偶数个，且分布在所述测试质量块的两侧，并关于所述第一方向对称设置，所述纳米光子晶体测量单元设置在所述测试质量块的一侧，并相对于所述测试质量块设置在所述第一方向上。
3.根据权利要求2所述的加速度计结构，其特征在于，所述纳米系链沿所述第二方向的长度介于50μm-1mm之间，所述纳米系链沿所述第一方向的宽度介于300nm-10μm之间。
4.根据权利要求1所述的加速度计结构，其特征在于，所述测试质量块的材料包括氮化硅及硅中的任意一种；所述纳米光子晶体测量单元的材料包括氮化硅及硅中的任意一种；所述纳米系链的材料包括氮化硅及硅中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的加速度计结构，其特征在于，所述加速度计结构还包括光波导结构，所述光波导结构与所述光子晶体谐振腔相连接。
6.根据权利要求1所述的加速度计结构，其特征在于，基于光-机械耦合率，设置所述光子晶体谐振腔，其中，所述光-机械耦合率g表示为：
Figure FDA0003033870460000011
g0是单光子耦合率，
Figure FDA0003033870460000012
是光子晶体谐振腔中的光子数。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的加速度计结构，其特征在于，所述纳米光子晶体测量单元包括测量中心区，所述测量中心区定义有相互垂直的X方向和Y方向；沿Y方向，包括至少一行第一空洞以及至少两行分别位于所述第一空洞两侧的第二空洞；沿X方向，每一行空洞的排布方式为：所有所述空洞中相邻的两个为一组，在每一组中形成一空洞间距，各所述空洞间距自中心向两侧逐渐减小，以形成所述光子晶体谐振腔。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的加速度计结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
提供基底，所述基底包括衬底及形成在所述衬底上的器件功能层；
采用光刻与刻蚀的工艺在所述器件功能层中制备所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元；
基于湿法或干法腐蚀工艺去除部分所述基底，以形成所述凹槽结构，并使得所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元悬浮在所述凹槽结构上方。
9.根据权利要求8所述的加速度计结构的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述器件功能层为氮化硅层；或者，所述基底为SOI衬底，所述测试质量块、所述纳米系链及所述纳米光子晶体测量单元形成在顶层硅层中，且所述凹槽结构基于所述中间埋氧层形成。
10.一种采用如权利要求1-7中任意一项所述的加速度计结构进行的加速度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：
提供如权利要求1-7中任意一项所述的加速度计结构；
在所述测试质量块上施加外力，提供待测加速度；
获取所述纳米光子晶体测量单元中的所述光子晶体谐振腔的共振频率，以基于所述光子晶体谐振腔的共振频率及其变化表征所述测试质量块受到的所述待测加速度。
11.根据权利要求10所述的加速度计结构的加速度测量方法，其特征在于，通过所述光波导结构获取所述光子晶体谐振腔的所述共振频率及其变化。
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