CN1987486A - 集成光栅干涉微机械加速度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成光栅干涉微机械加速度传感器，包括第一玻璃片表面上设置金属光栅和电极；硅片上设置质量块，和质量块上设置N个凸台，并淀积一层反射面；及梁或膜上支撑质量块，该质量块另一端与硅片形成的键合台面连接；第一玻璃片带有金属光栅和电极的面与硅片上设置质量块的反射面相对布置，且光栅的位置与硅岛的位置相对，通过键合工艺形成一体，并且该硅片上的质量块与玻璃间形成微小间隙，组成传感器的敏感单元，光电检测电路与敏感单元的电极连接。利用光栅衍射光斑的光强随光栅面与反射面的距离的敏感变化特性，实现高灵敏度的加速度测量。利用MEMS技术和成熟的激光二极管、光电探测器，可以大规模生产，易于推广应用。

Description

集成光栅干涉微机械加速度传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)和传感技术领域，特别涉及一种基于集成光栅干涉实现高分辨率位移测量的集成光栅干涉微机械加速度计及其制作方法。

背景技术

近年来，利用微机电系统技术制作的微机械传感器特别是加速度计，以其体积小、成本低、易于集成和批量生产等优点，在军事、汽车、航天、医疗等领域获得广泛的应用。在微重力测量、倾角测量以及航空航天等领域，由于加速度计的输出信号比较微弱，若要大幅度提高传感器测量准确度，一方面应不断改善测试电路，另一方面还需要从原理上对传感器本身进行改进。目前常见的检测方式有压阻式、电容式、隧道效应式等；压阻式检测是通过检测敏感梁上应力的变化来检测加速度；电容式检测是通过检测质量块位置变化而引起的电容变化来检测加速度，一般电容变化量很小，杂散电容、电磁干扰等的影响严重，测试电路的实现难度非常大；隧道效应式是利用隧道电流对位移变化的敏感特性来检测加速度，检测的电流信号微弱，且需要高精度的反馈控制，这种传感器噪声较大，抗过载能力差。

基于MEMS集成光栅干涉的高分辨率位移测量技术是20世纪末出现的新技术，最初用于AFM探针的位移测量[Manalis，1996]，其位移分辨率现已可达10^-3埃，接近于隧道效应位移测量分辨率的10^-4埃，但其无需高精度的微弱电流检测，只需测量衍射光的光强，便于测试和对准调整。Manalis等后来将这种位移测量原理应用到加速度计[专利号：US6473187-B1]，以实现加速度的高灵敏度检测，其系统示意图如图1所示。该专利所述的结构中，光栅由质量块上的移动梳齿801和与固定部分相连的固定梳齿802组成，移动梳齿801的上表面与固定梳齿802的上表面在同一个平面内(没有加速度作用时)。由于检测区域不能太小，否则入射光不能完全照射到检测梳齿区，但这样就增大了整个结构的尺寸；这种测试结构对工艺限制大，在不采用silicon on insulator(SOI)硅片时不易实现较小的梳齿间隙和梳齿宽度，而且梳齿容易在残余应力作用下发生变形，影响最终的检测精度；采用的是开环测量所以量程小，应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述加速度的灵敏度检测技术还存在的缺陷；提供一种基于集成光栅干涉实现高灵敏度位移检测的集成光栅干涉微机械加速度计。该加速度传感器的光栅由固定梳齿组成，位于玻璃片或其它透明基片上，光栅与硅岛的表面的反射面有微小的间隙；该加速度传感器在加速度的作用下，硅岛带动支撑梁或膜等弹性结构发生位移，导致硅岛表面的反射面与光栅的距离发生变化，从而改变衍射光斑的光强；通过测量衍射光斑光强的变化，得到由加速度引起的位移，从而实现加速度的检测。

本发明的目的还在于：提供一种制备集成光栅干涉微机械加速度传感器的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的集成光栅干涉微机械加速度传感器，包括一由硅片、质量块和光栅梳齿组成的敏感单元，以及电极和电极引出的接线端子，与外界的用于反馈测量和自检测的检测控制电路相连，该光电检测电路由激光二极管和光电探测器组成；其特征在于：还包括第一玻璃片，该第一玻璃片的一个表面上设置金属光栅和电极；所述的硅片上设置所述的质量块，该质量块设置N个具有保护作用的凸台6，并且淀积一层金属(或氮化硅、二氧化硅，或者直接使用硅做反射面)反射面7；至少一根梁或膜4为用于支撑质量块(硅岛)5的弹性结构，所述质量块5底部与梁或膜4连接，所述梁或膜4的一端与硅片3形成的键合台面连接；第一玻璃片带有金属光栅和电极的面与所述硅片上设置质量块的反射面相对布置，且光栅的位置与硅岛的位置相对，通过键合工艺形成一体，并且该硅片上的质量块与玻璃间形成微小间隙，组成传感器的敏感单元。

在上述的技术方案中，还包括第二玻璃片；其中所述的第一玻璃片与第二玻璃片上分别设置金属光栅和电极；所述的硅片3形成的键合台面的一侧中间开有2条槽，起到隔离绝缘作用，所形成的隔离硅柱用于将第二玻璃片上的电极连接到第一玻璃片的对应电极上，该对应电极连接到对应的接线端子；该第一玻璃片带有金属光栅和电极的面与所述硅片上设置质量块的反射面相对布置，且光栅的位置与硅岛的位置相对，第二玻璃片设置在与该质量块的上面，三者通过键合安装成一体；并且该硅片上的质量块与玻璃间形成微小间隙，组成三明治结构的传感器的敏感单元。

在上述的技术方案中，所述硅片包括单晶硅片或SOI晶片。

在上述的技术方案中，所述梁或膜4为2根以上，每一根的一端与硅片3形成的固定框架连接，另一端设置在质量块底部的两边，用于支撑质量块。

在上述的技术方案中，所述梁或膜4设置在质量块与硅片3之间形成的固定连接方式，包括悬臂梁(质量块5的一侧有支撑梁)、轴对称(质量块的两侧或者四周均有支撑梁，支撑梁关于质量块的中心线对称)或中心对称(质量块的两侧或者四周均有支撑梁，支撑梁关于质量块的中心点对称)设置。

在上述的技术方案中，所述支撑梁或膜、质量块、反射面、间隙和保护凸台由金属、硅、氮化硅或二氧化硅膜层，通过光刻、刻蚀制成；所述梁或膜的厚度为0.1-30微米。

在上述的技术方案中，所述硅片和玻璃片上形成的光栅与质量块之间的间隙为0.1-30微米。

在上述的技术方案中，所述N个具有保护作用的凸台6至少为2。

在上述的技术方案中，所述的金属光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；所述的金属光栅的构成材料包括：金、镉、铂、铝等。

本发明提供的集成光栅干涉微机械加速度传感器，通过激光二极管发出的激光穿过玻璃照射光栅，部分激光透过光栅的间隙照射到硅岛表面的反射面，该反射面反射的光再透过光栅，与光栅表面直接反射的光发生干涉，形成衍射光斑；光电探测器接收某一阶或某几阶的衍射光斑；衍射光斑的强度，与反射面和光栅间的距离成一定关系。在加速度的作用下，硅岛产生位移，导致反射面与光栅的距离发生变化，通过光电探测器检测衍射光的光强变化可以得出反射面与光栅的距离变化，从而得到加速度的变化，实现加速度的测量，参考图2。通过外围的电路检测光电探测器的输出，并通过反馈电路对硅岛与底电极间的电压进行控制，保持硅岛与检测光栅的距离为入射光波长的n+1/8倍(n为正整数)，以使位移检测的灵敏度最佳。通过电极的电压变化就可以得出位移的变化，测量该变化实现对位移的检测，从而最终实现加速度的检测。其它部分与图2所示原理相同，

参考图3。

本发明提供的制备集成光栅干涉微机械加速度传感器的方法，包括以下步骤：

1).首先把第一玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并光刻形成电极、接线端子以及光栅图形的玻璃片；

2).然后采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，在步骤1)得到的玻璃片上制得一层金属薄膜，其金属薄膜厚度为：0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、接线端子以及光栅；所述光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；所述的金属薄膜材料为金，镉，铂或铝；

3)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻刻蚀工艺刻蚀形成浅槽(用于硅片3形成的键合台面)和保护凸台6，并在刻蚀后的浅槽中淀积金属薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜等，然后再光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面等结构；所述的金属薄膜材料为金，镉，铂或铝；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片，与步骤3)得到的硅片，进行对准，划片，最后通过压焊等工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

本发明提供的制备集成光栅干涉微机械加速度传感器的方法，包括以下步骤：

1).首先把第一玻璃片和第二玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并光刻形成电极、引线以及光栅图形的玻璃片；

2).然后采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，在步骤1)得到的玻璃片上制得一层金属薄膜，其金属薄膜厚度为；0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线以及光栅，并且两块玻璃片上制得的电极、引线以及光栅是互相对应的；所述光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；

3)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻、刻蚀工艺刻蚀形成浅槽和凸台，并在刻蚀后的浅槽中淀积金属薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜等，然后再光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面等结构；

4)将步骤2)得到的2块玻璃片，中间安装一步骤3)得到的硅片，进行对准和键合，接着对形成的组合片的硅片的未加工面进行与步骤3中相同的多步光刻、刻蚀形成浅槽(用于硅片3形成的键合台面)和保护凸台6，然后再光刻、深刻蚀形成质量块(硅岛)，并释放出支撑梁，然后将硅片与玻璃片进行键合，并且该硅片上的质量块与第一玻璃片和第二玻璃片间形成微小间隙，组成三明治结构的传感器的敏感单元，划片，最后通过压焊等工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

在上述的技术方案中，所述梁或膜4为2根以上，每一根的一端与硅片3形成的固定框架连接，另一端设置在质量块底部的两边，用于支撑质量块。

在上述的技术方案中，所述梁或膜4设置在质量块与硅片3形成的固定框架之间方式，包括悬臂梁、轴对称或中心对称设置。

在上述的技术方案中，所述支撑梁或膜、质量块、反射面、间隙和保护凸台由金属、硅、氮化硅或二氧化硅膜层，通过光刻、刻蚀制成；所述梁或膜的厚度为0.1-30微米。

在上述的技术方案中，所述硅片和玻璃片上形成的光栅与质量块之间的间隙为0.1-30微米。

在上述的技术方案中，所述N个具有保护作用的凸台6至少为2。

在上述的技术方案中，所述的金属光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；所述的金属光栅的构成材料包括：金、镉、铂、铝等。

使用一块玻璃与硅片进行键合的传感器，由于玻璃上具有电极，所以可以实现反馈控制，增大量程，提高灵敏度；使用两块玻璃片与硅片进行键合的传感器，由于硅片两面都有了保护凸台，与只有一面有玻璃的传感器相比抗冲击能力更强，同时也可以实现反馈控制。对组合片只需进行一次光刻、刻蚀，形成质量块硅岛，释放出支撑梁。上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复叙述。

本发明的优点在于：

本发明的有益效果是集成光栅干涉微机械加速度计利用光栅干涉形成的衍射光的强度随质量块硅岛的位移的敏感变化特性，实现高灵敏度的加速度测量技术。由于采用了一种改进的测量方式和结构，在硅岛的外围没有光栅梳齿，在硅片的固定部分也没有梳齿，而是将光栅布置在玻璃片上，且光栅的位置与硅岛的位置相对，这样就减小了整个结构的尺寸，大大降低了检测结构的实现难度；由于光栅的梳齿紧贴在玻璃上，而不是像背景技术中那样只有一端固定，所以检测梳齿也不会由于残余应力产生变形，对加工工艺的限制大为减少；既可以开环控制，也可以实现反馈控制，增大了量程，扩大了使用范围。加工工艺基于现有工艺方法，适合大批量生产，易于推广应用。

附图说明

图1为已有Manalis专利原理示意图

图2为本发明无反馈系统检测原理示意图

图3为本发明带反馈系统检测原理示意图

图4为本发明加速度传感器的第一(上)玻璃片结构示意图

图5为本发明加速度传感器的第二(下)玻璃片结构示意图

图6为本发明加速度传感器的一种硅片结构(悬臂梁)示意图

图7为本发明加速度传感器的一种硅片结构(轴对称)示意图

图8为本发明加速度传感器的另一种硅片结构(中心对称)示意图

图9为本发明实施例1加速度传感器敏感元件的结构示意图。

图10为本发明实施例2和3加速度传感器敏感元件结构示意图。

图11为本发明实施例4加速度传感器敏感元件结构示意图。

图12为本发明实施例5和6加速度传感器敏感元件结构示意图。

图13为本发明实施例7加速度传感器敏感元件结构意图

图14为本发明实施例8和9加速度传感器敏感元件结构示意图

图面说明如下：

1-第一玻璃片      2-第二玻璃片    3-硅片

4-支撑梁(或膜)    5-硅岛(质量块)  6-保护凸台

7-反射面          8-光栅          9-电极

10-接线端子       11-间隙         12-金属引线

13-激光二级管     14-光电探测器   15-光电检测电路

801-移动梳齿      802-固定梳齿

具体实施方式

下面结合附图和具体制备方法对本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器结构进行详细地说明：

实施例1

参考图9，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器，该传感器由第一玻璃片2和硅片组成敏感元件。在第一玻璃片2上设置金属光栅8，金属光栅9，光栅条的宽度5微米，光栅条间距5微米，还有电极9和接线端子10。

参考图6，硅片3上设置所述的质量块5，该质量块5设置4个具有保护作用的凸台6，并且在质量块5的底面镀一层金属(或硅)反射面7；至少一根氮化硅梁4为用于支撑质量块(硅岛)5的弹性结构，该一根梁的厚度为0.1-30微米范围内的都可以，梁4与质量块5底部连接，梁4的另一端与硅片3形成的键合台面连接；第二玻璃片2带有金属光栅8和电极的面与硅片3上设置质量块的反射面7相对布置，且金属光栅8的位置与质量块5的位置相对，通过键合工艺形成一体，并且该硅片3上的质量块5与第二玻璃片2间形成间隙，例如该间隙为0.1或者10微米大小，组成传感器的敏感单元。该敏感单元的电极9和电极引出的接线端子10，与外界的用于反馈测量和自检测的光电检测电路15相连，该光电检测电路15由激光二极管13和光电探测器14组成。

以下是实施例的加速度传感器的具体制备步骤如下：

1).首先把第一玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并光刻形成电极、引线以及光栅图形的玻璃片；

2).然后采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，在步骤1)得到的玻璃片上制得一层金属(依次为镉、金)薄膜，其金属薄膜厚度为：0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线端子以及光栅；所述光栅宽度5微米，间距5微米；

3)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻、刻蚀工艺刻蚀形成浅槽(用于形成硅片3的键合台面)和保护凸台6，并形成质量块和光栅之间的间隙，例如该间隙为0.1或者10微米大小，并在刻蚀后的浅槽中淀积铝薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜等，厚度0.5-3微米，然后再光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面等结构；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片，与步骤3)得到的硅片，进行对准和键合，划片，最后通过压焊等工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

实施例2

参考图10，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例1有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线(中心线过硅岛的中心点，并分别与硅岛的两组平行边平行)对称，硅片和支撑梁的结构如图7所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例1.

实施例3

参考图10，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例1有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线不对称，而是关于硅岛的中心点对称，硅片和支撑梁的结构如图8所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例1.

实施例4

参考图4，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器中的一块(上)玻璃片结构示意图，参考图5，制作另一块(下)玻璃片；参考图6，制作本发明的硅片结构。并将上述制备好的三块部件，通过键合成为一体，具体结构和制备步骤如下：

如图11所示，制作一支撑梁为悬臂梁结构的集成光栅干涉微机械加速度传感器的敏感单元，包括上玻璃片1、下玻璃片2和硅片3三部分，主要由铝梁4、硅岛5、凸台6、铝反射面7、光栅8、电极9、接线端子10和空隙11等几部分组成。铝梁4一端固连在硅岛5上，另一端固连在硅片3的外围固定部分；凸台6在硅岛的上下表面上，是硅岛的一部分；铝反射面7贴在硅岛5的下表面；光栅8贴在上下玻璃片的表面；接线端子10位于下玻璃片表面。光栅工作时，激光二极管发出的激光照射到光栅8及其下的硅岛反射面7上，通过光栅8和反射面7作用产生衍射斑，用光电探测器测量衍射光斑的光强。在加速度的作用下，硅岛发生位移，使空隙11发生变化，从而导致衍射光斑的光强发生变化，引起光电探测器输出的变化。测量该变化实现对位移的检测，从而最终实现加速度的检测。

集成光栅干涉微机械加速度计的加工工艺主要有以下三个步骤：1、玻璃片工艺；2、硅片工艺；3、组合片工艺。具体实现步骤如下；

1)在上下层玻璃片表面涂胶，光刻形成光栅、电极、引线和接线端子图形。

2)在上下层玻璃片表面溅射多层金属，依次为镉、铂和金，其金属薄膜厚度为：0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线端子以及光栅；所述光栅宽度5微米，间距5微米。

3)采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻、刻蚀工艺刻蚀形成浅槽(用于形成硅片3的键合台面)和保护凸台6，并形成质量块和光栅之间的间隙，并在刻蚀后的浅槽中淀积铝薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜等，厚度0.5-3微米，然后再光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面等结构；去除光刻胶，在支撑梁上溅射或蒸镀镉和金薄膜，厚度0.1微米，然后再光刻、刻蚀形成引线，以在通电时能导通质量块和硅片固定框架上对应的引线；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片，与步骤3)得到的硅片进行对准和键合，对组合片的硅片上表面进行磨片减薄至结构所需的厚度20-150um，再对磨削面进行抛光，提高硅片表面光洁度已满足下一次光刻和静电键合的要求；

5)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻、刻蚀工艺刻蚀形成浅槽(用于形成硅片3的键合台面)和保护凸台6，并形成质量块和光栅之间的间隙；组合片的硅片表面涂光刻胶，并经光刻、ICP刻蚀，形成质量块硅岛结构，释放出支撑梁，然后去除光刻胶。

6)将步骤5)中得到的组合片与步骤2)中得到的第二玻璃片进行对准和静电键合，然后分别对两个玻璃片进行划片，裂片，最后通过压焊等工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

实施例5

参考图12，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例4有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线(中心线过硅岛的中心点，并分别与硅岛的两组平行边平行)对称，硅片和支撑梁的结构如图7所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例4。

实施例6

参考图12，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例4有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线不对称，而是关于硅岛的中心点对称，硅片和支撑梁的结构如图8所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例4。

实施例7

参考图4，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器中的一块(上)玻璃片结构示意图，参考图5，制作另一块(下)玻璃片；参考图6，制作本发明的硅片结构。并将上述制备好的三块部件，通过键合成为一体，具体结构和制备步骤如下：

如图13所示，集成光栅干涉微机械加速度计敏感单元包括上玻璃片1、下玻璃片2和硅片3三部分，主要由氮化硅梁4、硅岛5、凸台6、金反射面7、光栅8、电极9、接线端子10、空隙11和金电极12等组成。氮化硅梁4一端固连在硅岛5上，另一端固连在硅片3的外围固定部分；凸台6在硅岛的上下表面上，是硅岛的一部分；铝反射面7贴在硅岛5的下表面；光栅8贴在上下玻璃片的表面；接线端子10位于下玻璃片表面。光栅工作时，激光二极管发出的激光照射到光栅8及其下的硅岛反射面7上，通过光栅8和反射面7作用产生衍射斑，用光电探测器测量衍射光斑的光强。在加速度的作用下，硅岛发生位移，使空隙11发生变化，从而导致衍射光斑的光强发生变化，引起光电探测器输出的变化。测量该变化实现对位移的检测，从而最终实现加速度的检测。

加工工艺主要有以下三个步骤：1、玻璃片工艺；2、硅片工艺；3、组合片工艺。具体实现步骤如下：

1)在上、下玻璃片表面涂胶、光刻，湿法腐蚀形成2微米深的浅槽，未刻蚀部分作为键合台面，去除光刻胶

2)涂胶、光刻，溅射多层金属，依次为Cr/Pt/Au，金属薄膜的厚度为0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线端子以及光栅；所述光栅宽度5微米，间距5微米。

3)采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，硅片上表面涂胶，光刻，RIE刻蚀，形成保护凸台及5微米深的槽，去除光刻胶；在刻蚀后的槽内淀积氮化硅薄膜或二氧化硅薄膜，厚度1微米，涂胶、光刻、刻蚀形成支撑梁，去除光刻胶；在支撑梁上溅射或蒸镀镉和金薄膜，厚度0.1微米，然后再光刻、剥离形成引线、电极和反射面；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片，与步骤3)得到的硅片进行对准和键合，对组合片的硅片上表面进行磨片减薄至结构所需的厚度20-150um，再对磨削面进行抛光，提高硅片表面光洁度已满足下一次光刻和静电键合的要求；

5)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻、刻蚀工艺刻蚀形成保护凸台6和5微米深的槽，并形成质量块和光栅之间的间隙，取出光刻胶；组合片的硅片表面涂光刻胶，并经光刻、ICP刻蚀，形成质量块硅岛结构，释放出支撑梁，然后去除光刻胶；

将步骤5)中得到的组合片与步骤2)中得到的第二玻璃片进行对准和静电键合，然后分别对两个玻璃片进行划片，裂片，最后通过压焊等工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

实施例8

参考图14，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例7有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线(中心线过硅岛的中心点，并分别与硅岛的两组平行边平行)对称，硅片和支撑梁的结构如图7所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例7。

实施例9

参考图14，制作一本发明的集成光栅干涉微机械加速度传感器。本实施例中只有支撑梁4的结构相比实施例4有区别，硅岛的四周(或对称的两侧)均有支撑梁，且支撑梁关于硅岛的两条中心线不对称，而是关于硅岛的中心点对称，硅片和支撑梁的结构如图8所示。在本实施例中，支撑梁的个数最少为2个，即在质量块相对的两侧各有一根梁；支撑梁的个数也可以为4或者4的整数倍。具体制备方法同实施例7。其中硅片3上带有质量块5的表面与第一和第二玻璃片之间形成间隙，例如该间隙为10或30微米大小.

电极由引出的接线端子10与外界的检测控制电路相连。光电检测部分包括激光二极管和光电探测器。激光二极管发出的激光穿过玻璃照射光栅8，部分激光透过光栅8照射到硅岛表面的反射层7，该反射层7反射的光再通过光栅8，与光栅8表面直接反射的光发生干涉，形成衍射光斑；光电探测器接收某一阶或某几阶的衍射光斑；不同阶次的衍射光斑的强度，与反射面和光栅间的距离成一定关系。在加速度的作用下，质量块5带动支撑梁或膜4发生变形，质量块5产生位移，导致光栅8和质量块5表面的反射面7间的距离11发生变化，从而影响衍射光斑的光强。通过测量衍射光斑光强的变化，得到由加速度计引起的位移，从而实现加速度的检测。整个系统的检测原理示意图如图2所示。

上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复叙述。

Claims (10)

1.一种集成光栅干涉微机械加速度传感器，包括-由硅片(3)、质量块(5)和光栅梳齿组成的敏感单元，以及电极(9)和电极引出的接线端子(10)，与外界的用于反馈测量和自检测的光电检测电路(15)相连，该光电检测电路(15)由激光二极管(13)和光电探测器(14)；其特征在于：还包括第一玻璃片，该第一玻璃片(1)的一个表面上设置金属光栅(8)和电极(9)；所述的硅片(3)上设置所述的质量块(5)，该质量块(5)设置N个具有保护作用的凸台(6)，并且镀一层金属或硅做的反射面(7)；至少一根梁或膜(4)为用于支撑质量块(5)的弹性结构，所述质量块(5)底部与梁或膜(4)连接，所述梁或膜(4)的一端与硅片(3)形成的键合台面连接；第一玻璃片(1)带有金属光栅(8)和电极(9)的面与所述硅片(3)上设置质量块的反射面(7)相对布置，且金属光栅(8)的位置与质量块(5)的位置相对，通过键合安装成一体，并且该硅片(3)上带有质量块(5)的表面与第一玻璃片(1)之间形成间隙，组成所述的传感器的敏感单元。

2.按权利要求1所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：还包括第二玻璃片(2)；其中所述的第一玻璃片(1)与第二玻璃片(2)上分别设置金属光栅(8)和电极(9)；该第一玻璃片(1)上带有金属光栅和电极的表面与所述硅片(3)上设置质量块(5)的反射面相对布置，且金属光栅(8)的位置与质量块(5)的位置相对，第二玻璃片(2)设置在与该质量块(5)的上面，三者通过键合安装成一体；并且该硅片(3)上带有质量块(5)的表面与第一玻璃片(1)和第二玻璃片(2)之间形成间隙，组成三明治结构的传感器的敏感单元。

3.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述梁或膜(4)为2根以上，每一根的一端与硅片(3)形成的固定框架连接，另一端设置在质量块底部的两边；所述梁或膜(4)与质量块(5)与硅片(3)之间的固定方式，包括悬臂梁、轴对称或中心对称设置。

4.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述的金属光栅(8)中光栅条的宽度0.5-50微米，光栅条的间距0.5-50微米；所述的金属光栅的构成材料包括：金、镉、铂、铝。

5.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述硅片(3)包括单晶硅片或SOI晶片。

6.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述支撑梁或膜(4)、质量块(5)、反射面(7)或保护凸台(6)均由金属、硅、氮化硅或二氧化硅膜层，通过光刻、刻蚀制成；所述金属包括铝；所述梁或膜的厚度为0.1-30微米。

7.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述硅片(3)与第一玻璃片(1)，或分别与第一玻璃片(1)和第二玻璃片(2)上形成的光栅与质量块的表面之间形成的间隙为0.1-30微米。

8.按权利要求1或2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器，其特征在于：所述N个具有保护作用的凸台(6)至少为2。

9.一种制备权利要求1所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器的方法，包括以下步骤：

1).首先把第一玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并进行光刻在第一玻璃片上形成电极、引线端子以及光栅图形；

2).然后采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，在步骤1)得到的玻璃片上制得一层金属薄膜，其金属薄膜厚度为：0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线以及光栅；所述光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；

3)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻和刻蚀工艺在硅片上形成制作质量块的浅槽和凸台6，并在刻蚀后的浅槽中淀积金属薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜，然后再光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面等结构；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片，与步骤3)得到的硅片，将所述的第一玻璃片带有金属光栅和电极的面与所述硅片上设置质量块的反射面相对布置，且光栅的位置与质量块的位置相对，划片，通过键合安装成一体，并且该硅片上的质量块与玻璃间形成间隙，其中所述的间隙为0.1-30微米，最后通过压焊工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

10.一种制备权利要求2所述的集成光栅干涉微机械加速度传感器的方法，包括以下步骤：

1).首先把第一玻璃片和第二玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并进行光刻在第一玻璃片和第二玻璃片上形成电极、引线端子以及光栅图形；

2).然后采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，在步骤1)得到的第一玻璃片和第二玻璃片上制得一层金属薄膜，其金属薄膜厚度为：0.1-1微米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线以及光栅，并且两块玻璃片上制得的电极、引线以及光栅是互相对应的；所述光栅宽度0.5-50微米，间距0.5-50微米；

3)将采用半导体清洗工艺对硅片清洗干净，在其上涂光刻胶，并经光刻和刻蚀工艺在硅片上形成浅槽和保护凸台，并在刻蚀后的浅槽中淀积金属薄膜或氮化硅、二氧化硅薄膜，然后再经光刻、刻蚀形成支撑梁和反射镜面结构；

4)将步骤2)得到的第一玻璃片和第二玻璃片的中间安装一步骤3)得到的硅片，进行对准和键合，接着对形成的组合片的硅片的未加工面进行与步骤3中相同的多步光刻、刻蚀形成浅槽、凸台，然后再光刻、深刻蚀形成质量块硅岛，并释放出支撑梁，然后将组合片与玻璃片进行键合，划片，并且该硅片上的质量块与玻璃间形成间隙，其中所述的间隙为0.1-30微米，最后通过压焊工艺将接线端子与外界的检测电路相连。

Images