CN213933915U - 一种低交叉轴串扰敏感结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低交叉轴串扰敏感结构，其在光学微加速度计中位于衍射光栅正下方，所述敏感结构包括：惯性质量块、硅基底、悬臂梁和带腔的玻璃衬底；所述的低交叉轴串扰敏感结构包括：惯性质量块、硅基底、悬臂梁和带腔的玻璃衬底；所述硅基底中部纵向设有空腔，所述惯性质量块设置在所述硅基底的空腔内；所述悬臂梁为蛇型蜿蜒结构，且包含有多根，每根所述悬臂梁的两端分别与所述惯性质量块和所述硅基底空腔的内壁连接；所述玻璃衬底的外沿与所述硅基底的外沿固定连接且，所述玻璃衬底的腔体与所述硅基底的空腔连通。该方案不仅有高的加速度‑位移灵敏度和测量精度，同时极大地抑制了交叉轴串扰的影响和便于大规模生产。

Description

一种低交叉轴串扰敏感结构

技术领域

本实用新型涉及光学MEMS加速度计传感器技术领域，具体涉及一种基于双器件层SOI基片实现低交叉轴串扰敏感结构。

背景技术

加速度是一个描述物体速度变化的物理量，是速度矢量对于时间的变化率，也是一个矢量。物体的加速度很难被直接测量，实际中常借助惯性质量块将加速度变为力进行间接的测量，因此，其基本测量原理基于牛顿第二定理，加速度计通常由加速度敏感单元、位移测量单元和反馈控制单元组成，外界输入加速度使得敏感单元中的惯性质量块产生一个与输入加速度大小有对应关系的位移，位移测量系统通过测量该位移量得到输入加速度的大小。加速度计一般由敏感单元、位移测量单元和信号处理单元共同组成，它是惯性导航系统的核心器件，同时它在姿态检测、地震检测、地形检测、振动测量、重力梯度测量等多个应用领域也发挥着重要作用，应用场景横跨民用、工业和军用领域。随着武器装备的更新换代和惯性导航精度需求的不断提升，以及如动能武器、重力梯度仪等新式装备的出现，加速度计的性能需求也越来越高。衡量加速度计的性能指标有：灵敏度、分辨率、动态范围、工作带宽以及交叉轴串扰大小等。其中交叉轴串扰反映的是施加在非敏感方向的加速度对加速度计敏感轴向的加速度测量的影响。

相比于传统加速度计，MEMS加速度计有着较高灵敏度、低噪声、体积小、重量轻、成本低、易集成等优点，现已成为加速度计的一个重要发展方向。而相比于电容式、压电式、压阻式和隧道电流式MEMS加速度计，光学MEMS加速度计具有高灵敏度、抗电磁干扰、响应快和易集成等优势。因此，光学MEMS加速度计目前正逐渐成为一个全新的MEMS加速度计发展热点。

基于衍射光栅的光学MEMS加速度计是一个高精度光学位移测量单元与高灵敏度的MEMS敏感单元的结合体，可以提供超过2000V/g的加速度测量灵敏度和μg级别的加速度测量分辨率[Lu,Q.；Bai,J.；Wang,K.；He,S.,Design,optimization,and realization ofa high-performance MOEMS accelerometer from a double-device-layer SOI wafer.JMicroelectromech S 2017,26,(4),859-869]。美国专利号为US8783106B1的“Micromachined force-balance feedback accelerometer with optical displacementdetection”公开了一种基于衍射光栅和构建于SOI上的MEMS加速度敏感单元的力反馈光学加速度计，该加速度计在一个三层SOI制作了的惯性质量块及其基底框架，采用悬臂梁将质量块与框架连接。当该加速度计受到外界加速度时，质量块将面外运动，通过基于衍射光栅的位移测量单元测量得到惯性质量块的位移，进而实现输入加速度的测量。现有的基于衍射光栅的光学微加速度计尽管可以提供很高的加速度测量精度，但是如果其中的加速度敏感结构不做出改进，其交叉轴串扰将严重影响加速度计测量精度的进一步提升。因此，交叉轴串扰作为衡量加速度计的一个重要性能指标，对于高精度加速度计要尽量小，以避免其对整体性能的影响。

目前世界范围内对于MEMS加速度计中的交叉轴串扰已做出了一定的研究，北京大学通过设计一种基于双器件层SOI基片的高对称三明治结构实现了一种低串扰的电容式微加速度计，其交叉轴串扰效应仅为0.356％，但其测量灵敏度仅为1.096V/g，不适用于高精度加速度计传感器中[Q.Hu,C.Gao,Y.Hao,Y.Zhang and G.Yang,“Low cross-axissensitivity micro-gravitymicroelectromechanical system sandwich capacitanceaccelerometer,”Micro&Nano Letters.6,510-514(2011).]。印度韦洛尔理工大学的A.Ravi Sankara等人通过在质量块上面沉积金的方式调整质量块的重心位置将交叉轴串扰效应降低到0.37％，但该方案需要对沉积金膜的厚度和均匀性严格控制，实验方案带有很大的随机性，不利于大规模生产[A.Ravi Sankara and S.Dasb,“A very-low cross-axis sensitivity piezoresistive accelerometer with an electroplated goldlayer atop a thickness reduced proof mass”Sensors andActuatorsA:Physical.189,125-133(2013).]。浙江大学卢乾波等人从敏感单元对称性设计入手，通过特别设计的微加工工艺制备敏感质量块质心与悬臂梁中心面共平面的高度对称性结构设计，受限于SOI片上下两层体硅层厚度不均匀、刻蚀产生的残余应力导致悬臂梁弯曲以及该结构的非敏感轴与敏感轴模态频率比低，不利于减小高频振动引入的寄生激励效应等因素影响，交叉轴串扰效应仅降低到3.84％，并未达到理论预期[Lu,Q.；Bai,J.；Wang,K.；He,S.,Design,optimization,and realization ofa high-performance MOEMS accelerometer from adouble-device-layer SOI wafer.J Microelectromech S 2017,26,(4),859-869；专利号：CN201510881229]。

实用新型内容

为了解决基于衍射光栅的高精度单轴光学MEMS加速度计中存在的交叉轴串扰问题，本实用新型提出了基于双器件层SOI基片实现低交叉轴串扰敏感结构，即一种基于七层SOI基片的双层悬臂梁对称分布的微加速度敏感结构，该方案不仅有高的加速度-位移灵敏度和测量精度，同时极大地抑制了交叉轴串扰的影响和便于大规模生产。

所述的低交叉轴串扰敏感结构包括：惯性质量块、硅基底、悬臂梁和带腔的玻璃衬底；

所述硅基底中部纵向设有空腔，所述惯性质量块设置在所述硅基底的空腔内；

所述悬臂梁为蛇型蜿蜒结构，且包含有多根，每根所述悬臂梁的两端分别与所述惯性质量块和所述硅基底空腔的内壁连接；所述玻璃衬底的外沿与所述硅基底的外沿固定连接且，所述玻璃衬底的腔体与所述硅基底的空腔连通。

进一步的，所述惯性质量块与所述硅基底均由七层SOI基片叠加制作而成；所述七层SOI基片由上到下依次为：氧化层I、器件层I、埋氧层I、基底层、埋氧层II、器件层II、氧化层II；

所述器件层I和器件层II为厚度相同的单晶硅；所述氧化层I、埋氧层I、埋氧层II和氧化层II为厚度相同的二氧化硅。

进一步的，所述悬臂梁包括8个且均分为上下两层；其中上层悬臂梁的一端与所述器件层I的内沿一体式连接，下层悬臂梁的一端与所述器件层II的内沿一体式连接；上下两层中的各个悬臂梁对称分布。

进一步的，8个所述悬臂梁的正投影中，相邻两个悬臂梁之间的夹角成45°。

进一步的，所述悬臂梁的厚度与器件层I、器件层II的厚度相同。

进一步的，所述惯性质量块的上表面镀有反射膜，所述惯性质量块的下表面镀有反馈线圈。

同时，本实用新型提供一种低交叉轴串扰敏感结构的制作方法，包括以下步骤：

在SOI基片上利用光刻、镀膜、剥离工艺制作质量块区域的反射膜和磁反馈线圈；

在SOI基片的氧化层I利用光刻、反应离子束刻蚀制作上层悬臂梁的上保护层；

利用深反应离子束在SOI基片中的器件层I上刻蚀制作上层悬臂梁，悬臂梁的厚度为器件层I的厚度；

利用反应离子束刻蚀在SOI基片中的埋氧层I制作上层悬臂梁的下保护层；

在SOI基片的氧化层II利用反面套刻、反应离子束刻蚀制作下层悬臂梁的上保护层；

在SOI基片的器件层II上利用深反应离子束刻蚀制作下层悬臂梁，与上层悬臂梁非正对，相对其旋转45°，悬臂梁的厚度为器件层II的厚度；

利用反应离子束刻蚀在SOI基片中的埋氧层II制作下层悬臂梁的下保护层；

在SOI基片的基底层上利用深反应离子束刻蚀制作出惯性质量块；

利用湿法腐蚀去除SOI基片中的剩余的暴露氧化层以释放所述悬臂梁及质量块结构；

通过退火释放敏感结构残余应力；

将SOI基片加工成的悬臂梁-质量块-基底结构与事先制作好的带腔玻璃衬底封装起来形成所述的低交叉轴串扰的单轴光学微加速度计。

进一步的，在完成器件层I悬臂梁结构的刻蚀前后，需要对器件层I上下的氧化层I和埋氧层I进行预刻蚀。

进一步的，在完成器件层II悬臂梁结构的刻蚀后，需要对器件层II上下的氧化层II和埋氧层II进行预刻蚀；同时，覆盖在悬臂梁图形上的残胶作为掩膜进行下一步基底层的深反应离子束刻蚀。

进一步的，在所述SOI基片的氧化层II上涂胶时，胶的厚度要保证能够承受氧化层II、器件层II、埋氧层II和基底层的刻蚀。

在完成悬臂梁结构释放后的去胶过程中，应结合有机清洗、酸洗和干法等离子去胶等方式去除，以保证微机械结构的完好及其表面洁净。

为了避免在划片过程导致结构断裂，可以在掩膜版上设定分离槽，基底层刻蚀结束后分离为独立结构单元。

本实用新型的有益效果是：1、悬臂梁的设计可以实现MEMS加速度敏感结构的加速度-位移高灵敏度；2、通过采用双层对称分布的设计，当惯性质量块受到非敏感轴方向的加速度时，上下层悬臂梁将受到大小相等、方向相反的力矩将不会发生扭转，从根本上消除了由于非敏感轴向加速度导致的质量块敏感轴向位移以及转动，抑制了离轴串扰；3、采用的微加工工艺多为成熟的光刻与刻蚀工艺，可以保证较高的深宽比与侧壁垂直度，且可与IC工艺兼容，实现批量生产；4、优化了MEMS加速度计敏感结构在刻蚀和释放的过程中由于压差过大或应力失配等原因发生损毁，在保证抑制串扰的前提下提高了流片的成功率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的敏感结构俯视结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的敏感结构剖面示意图；

图3为本实用新型实施例提供的敏感结构封装示意图；

图4为制作惯性质量块上表面的反射膜和下表面的电磁反馈线圈；

图5为刻蚀氧化层I制作上层悬臂梁的上保护氧化层图形；

图6为制作上悬臂梁图形；

图7为刻蚀埋氧层I制作上层悬臂梁的下保护氧化层图形；

图8为刻蚀氧化层II制作下悬臂梁的上保护氧化层图形；

图9为下层悬臂梁图形；

图10为刻蚀埋氧层II制作下层悬臂梁的下保护氧化层图形；

图11为制作敏感单元惯性质量块结构；

图12为去胶、清洗、退火，连接玻璃衬底基座。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、硅基底，2、悬臂梁，3、惯性质量块，4、氧化层I，5、器件层I，6、埋氧层I，7、基底层，8、埋氧层II，9、器件层II，10、氧化层II，11、反射膜，12、磁反馈线圈，13、玻璃衬底。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

以下将结合附图详细说明本实用新型抑制光学MEMS加速度计敏感结构的交叉轴串扰的原理。本实用新型提供的抑制串扰的微机械加速度敏感结构如图3所示，所述结构由一块如图2所示的特殊的定制七层SOI基片制作。该基片为氧化层I4、单晶硅器件层I5、埋氧层I6、SOI基片中的基底层7、埋氧层II8、单晶硅器件层II9、氧化层II10的对称结构，其中器件层II5和器件层II9，氧化层I4、埋氧层I6、埋氧层II8和氧化层II10分别关于基底层7即SOI中心平面对称。对称的SOI基片具体尺寸可以根据实际需求进行变更，在该实施例中，器件层I和器件层II为晶向(100)的单晶硅，氧化层I、氧化层II、埋氧层I和埋氧层II均为二氧化硅。惯性质量块3的厚度等于SOI基片的总厚度；硅基底1的厚度也等于SOI基片的总厚度；悬臂梁2分别构建在单晶硅器件层I5和单晶硅器件层II9上，其厚度相同。每层器件层制作四个对称分布的悬臂梁，上下层悬臂梁非正对，相差45°。

该敏感结构与玻璃衬底13封装后可以使惯性质量块3与悬臂梁2悬空，并应用于高精度单轴光学微加速度计中；在高精度单轴光学微加速度计中，该敏感结构位于衍射光栅正下方，惯性质量块上表面反射膜与衍射光栅构成一个光栅干涉衍射腔体，由此构成的光学位移测量单元通过测量惯性质量块的位移即可获得外界施加的加速度大小。

因为该抑制交叉轴串扰的MEMS加速度敏感结构的双层悬臂梁对称设计，当惯性质量块受到非敏感轴向加速度输入时，非敏感轴向的加速度引起的上下层悬臂梁受到大小相等，方向相反的扭矩，因此总力矩为零，惯性质量块将不会产生额外的扭转和敏感轴向的位移，进而将不会使非敏感轴向的加速度对后续的光学位移测量以及加速度测量产生影响，进而起到抑制交叉轴串扰的目的。

同时，由于所述器件层厚度相对SOI厚度很小，可以保证微加速度敏感结构拥有较大的加速度-位移灵敏度。

参阅图4至图12，本实用新型还提供了该抑制交叉轴串扰的MEMS加速度敏感结构的微加工制造方法，具体包括以下步骤：图4：在所述SOI基片上表面上制作反射膜，下表面制作电磁反馈线圈；图5在所述SOI基片中刻蚀氧化层I4制作上悬臂梁的上保护氧化层图形；图6在所述SOI基片中器件层I5上制作悬臂梁2图形；图7在所述SOI基片中刻蚀氧化层I6制作上层悬臂梁的下保护氧化层图形；图8在所述SOI基片中刻蚀氧化层II8制作下层悬臂梁的上保护氧化层图形；图9在所述SOI基片中下器件层II9上制作悬臂梁2图形；图10在所述SOI基片中刻蚀氧化层II10制作下层悬臂梁的下保护氧化层图形；图11在所述SOI基片中器件层7制作敏感单元惯性质量块3结构；图12在所述SOI基片中去胶、清洗、退火，连接玻璃衬底基座13。

具体的实施流程如下：在进行图4的步骤之前，需要对所述SOI基片进行标准RCA清洗；在执行图4的步骤时，先以双层胶为掩膜，采用光刻的方式做出镀膜用的掩膜图形，再采用磁控溅射或电子束蒸发的方式分别镀上铬膜和金膜，最后采用剥离工艺去除非结构区域的金属膜层，得到结构表面的反射膜11和磁反馈线圈12；在执行图5的步骤时，先以薄胶作为掩膜，采用光刻的方式将悬臂梁2的图形转移至所述SOI的氧化层I4上，再利用反应离子束刻蚀在氧化层I4上刻蚀悬臂梁的形状结构，其作为悬臂梁2的上保护层；在执行图6的步骤时，利用深反应离子束刻蚀在器件层I5上刻蚀悬臂梁2；在执行图7的步骤时，再利用反应离子束刻蚀在氧化层I6上刻蚀悬臂梁的形状结构，其作为上层悬臂梁的下保护层；在执行图8的步骤时，先以厚胶作为掩膜，利用反面套刻的方式将悬臂梁2的图形转移至所述SOI的氧化层II10上，再利用反应离子束刻蚀在氧化层II10上刻蚀悬臂梁的形状结构，其作为下层悬臂梁的上保护层；在执行图9的步骤时，利用深反应离子束刻蚀在器件层II9上刻蚀悬臂梁结构2，与上层悬臂梁非正对，相对其旋转45°；在执行图10的步骤时，再利用反应离子束刻蚀在氧化层II8上刻蚀悬臂梁的形状结构，其作为下层悬臂梁的下保护层；在执行图11的步骤时，利用深反应离子束刻蚀制在基底层7上刻蚀惯性质量块3；然后，利用湿法腐蚀去除所述SOI基片中的剩余的暴露氧化层以释放所述悬臂梁及惯性质量块结构；最后，通过退火释放敏感结构残余应力。

理论上，本实用新型提出的抑制交叉轴串扰的MEMS加速度敏感结构的交叉轴串扰小于0.01％，当上下两层悬臂梁厚度差不大于0.5μm时，这是当前制作SOI片器件层工艺误差；此外，该结构的非敏感轴与敏感轴工作模态频率分离比约12：1，相比单层结构提升超过了5倍，可以有效的提高敏感头抗高阶机械模态扰动的能力。

综上所述，本实用新型提供了一种基于双器件层SOI基片实现低交叉轴串扰敏感结构及其制造方法。本实用新型在一个特别设计的七层SOI基片上制作基底1、悬臂梁2与惯性质量块3等结构，通过采用双层对称分布的设计，当惯性质量块3受到非敏感轴方向的加速度时，上下层悬臂梁将受到大小相等、方向相反的力矩将不会发生扭转，从根本上消除了由于非敏感轴向加速度导致的质量块敏感轴向位移以及转动，抑制了交叉轴串扰影响。本实用新型提出的微加工制造方法已被实施例验证切实有效并可与IC工艺兼容，为大批量制作打下基础。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，所述敏感结构在光学微加速度计中位于衍射光栅正下方，可与衍射光栅集成封装，为无源器件；所述敏感结构包括：惯性质量块、硅基底、悬臂梁和带腔的玻璃衬底；

所述硅基底中部纵向设有空腔，所述惯性质量块设置在所述硅基底的空腔内；

所述悬臂梁为蛇型蜿蜒结构，且包含有多根，每根所述悬臂梁的两端分别与所述惯性质量块和所述硅基底空腔的内壁连接；所述玻璃衬底的外沿与所述硅基底的外沿固定连接且，所述玻璃衬底的腔体与所述硅基底的空腔连通。

2.根据权利要求1所述的低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，所述惯性质量块与所述硅基底均由七层SOI基片叠加制作而成；所述七层SOI基片由上到下依次为：氧化层I、器件层I、埋氧层I、基底层、埋氧层II、器件层II、氧化层II；

所述器件层I和器件层II为厚度相同的单晶硅；所述氧化层I、埋氧层I、埋氧层II和氧化层II为厚度相同的二氧化硅。

3.根据权利要求2所述的低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，所述悬臂梁包括8个且均分为上下两层；其中上层悬臂梁的一端与所述器件层I的内沿一体式连接，下层悬臂梁的一端与所述器件层II的内沿一体式连接；上下两层中的各个悬臂梁对称分布。

4.根据权利要求3所述的低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，8个所述悬臂梁的正投影中，相邻两个悬臂梁之间的夹角成45°。

5.根据权利要求4所述的低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，所述悬臂梁的厚度与器件层I、器件层II的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的低交叉轴串扰敏感结构，其特征在于，所述惯性质量块的上表面镀有反射膜，所述惯性质量块的下表面镀有反馈线圈。

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