一種基于平面環(huán)形腔的moems加速度計及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學領域和微機電系統(tǒng)領域，具體為一種基于平面環(huán)形腔的M0EMS加速度計及其制造方法。
【背景技術】
[0002]加速度計現(xiàn)已廣泛應用于汽車工業(yè)、機器人、可穿戴設備、工程測振、地質勘探、導航系統(tǒng)、航空航天等多種領域，凡需要感測由于墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產生微小變化的產品，都會用到加速度計。當今在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術不斷進步的條件下，加速度計的研發(fā)取得了巨大的進步，體積不斷減小，靈敏度、穩(wěn)定性、抗干擾能力不斷提高，各種微小型的加速度計已得到了廣泛的商業(yè)化應用。伴隨著微光機電系統(tǒng)(M0EMS)的發(fā)展，許多領域如潛艇的慣性導航系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)控制，對加速度計的精度提出了更高的要求。高精度微光機電加速度計是一種基于光學技術和MEMS制造技術的新型加速度計，由于其體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)點在航空、航天自動駕駛與高技術武器的高精度制導領域具有非常大的研究潛力。將光學微腔的高Q值、高精細度、高敏感等特性用于高精度微光機電加速度計的研究，可解決航空航天事業(yè)對慣性導航與制導系統(tǒng)高精度加速度計的瓶頸問題。懸臂梁式加速度計的懸臂梁上設置的敏感單元多為集成電容、壓敏電阻等，通過檢測敏感單元的電壓或電流變化測量質量塊的位移。但是基于這些敏感元件的懸臂梁式加速度計其分辨率、靈敏度等性能參數(shù)不易提尚。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明為了解決基于集成電容、壓敏電阻的懸臂梁式加速度計分辨率、靈敏度等性能參數(shù)不易提高的問題，提供了一種基于平面環(huán)形腔的M0EMS加速度計及其制造方法。
[0004]本發(fā)明是采用如下的技術方案實現(xiàn)的:一種基于平面環(huán)形腔的M0EMS加速度計，包括SOI片，SOI片中的襯底硅作為基底，在基底的一側刻蝕有懸臂梁，頂層硅上刻蝕有相互耦合的直波導和環(huán)形跑道狀的微環(huán)諧振腔，其中微環(huán)諧振腔位于懸臂梁上，直波導的入射端和出射端都還刻蝕有光柵。
[0005]在直波導中傳輸?shù)墓庖再渴綀龅男问今詈线M微環(huán)諧振腔，滿足諧振條件的光在微環(huán)諧振腔內發(fā)生諧振。當系統(tǒng)受外力作用時，在加速度的作用下，懸臂梁受慣性力的作用發(fā)生形變，使集成在懸臂梁上的微環(huán)諧振腔產生微小的變形，進而使微環(huán)諧振腔的有效折射率改變，導致微環(huán)諧振腔的諧振峰發(fā)生偏移，通過測量諧振點產生的偏移量，就可以標定相應的加速度值;本發(fā)明中，光柵、直波導、微環(huán)諧振腔和懸臂梁集成在一起，這種一體式的結構有助于減少由分離元器件互相連接耦合造成的損耗;懸臂梁上采用了環(huán)形跑道狀的微環(huán)諧振腔，增加了諧振腔的長度，提高了加速度計的靈敏度;加速度計所用材料為硅-二氧化娃-娃SOI片。
[0006]基于平面微環(huán)諧振腔的懸臂梁式加速度計以微環(huán)諧振腔作為敏感元件，當受外力作用時，微環(huán)諧振腔的折射率發(fā)生變化，導致微環(huán)諧振腔中的光程發(fā)生變化，引起光波導透射譜的共振峰發(fā)生偏移，通過光電轉換器將光信號轉換成電信號，分析電信號的變化即可得到懸臂梁所受加速度的變化情況。由于微環(huán)諧振腔對懸臂梁的微弱變化非常敏感，所以可用于制作高靈敏度、高分辨率的加速度計。
[0007]上述的基于平面環(huán)形腔的M0EMS加速度計的制造方法，包括以下步驟:
第一步:選取SOI片并對SOI片進行預處理，消除SOI片中存在的殘余應力，減少由于殘余應力而造成的結構損壞，提尚成品率；
第二步:在預處理后的SOI片上涂覆光刻膠；
第三步:對上述涂覆光刻膠后的SOI片光刻、顯影，水洗吹干，在光刻膠層上得到金屬標記圖案膠槽；
第四步:先后在金屬標記圖案膠槽內鍍鈦和金，然后去掉SOI片上的光刻膠層，最后進行超聲波清洗，在SOI片上得到加工直波導、微環(huán)諧振腔和光柵時對準所需的金屬標記圖案；
第五步:在得到標記圖案的SOI片上涂覆光刻膠；
第六步:對上述涂覆光刻膠后的SOI片曝光、顯影后，SOI片上得到直波導掩膜層和微環(huán)諧振腔掩膜層；
第七步:進行深硅刻蝕，將直波導掩膜層左右兩側的硅刻蝕掉，將微環(huán)諧振腔掩膜層附近的硅刻蝕掉，然后去掉直波導掩膜層和微環(huán)諧振腔掩膜層，得到所需的直波導和微環(huán)諧振腔；
第八步:在得到直波導和微環(huán)諧振腔的SOI片上涂覆光刻膠，曝光、顯影，SOI片上得到位于直波導入射端和出射端的光柵掩膜層，進行深硅刻蝕，將光柵掩膜層附近的硅刻蝕掉，然后將光柵掩膜層去掉，得到光柵；
第九步:在得到光柵的SOI片上涂覆光刻膠；
第十步:對上述涂覆光刻膠后的SOI片光刻、顯影后，得到懸臂梁掩膜層；
第十一步:進行懸臂梁刻蝕;依次將懸臂梁掩膜層附近的頂層硅、二氧化硅以及襯底硅刻蝕掉，得到懸臂梁，最后得到加速度計。
[0008]本發(fā)明所提供的M0EMS加速度計及其制造方法具有如下優(yōu)點；首先加工之前對S0I片進行了預熱處理，減小了SOI片上的預應力，提高了結構的成品率;采用了跑道形的微環(huán)諧振腔增加了光程差，提高了加速度計的靈敏度，同時微環(huán)諧振腔的Q值高，可以顯著提高加速度計的測量精度，平面化的微環(huán)腔結構易于集成，也適合批量生產。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖。
[0010]圖2為M0EMS加速度計的結構示意圖。
[0011 ]圖中:1-直波導，2-微環(huán)諧振腔，3-基底，4-懸臂梁，5-光柵。
【具體實施方式】
[0012]一種基于平面環(huán)形腔的M0EMS加速度計，包括S0I片，S0I片中的襯底硅作為基底3，在基底3的一側刻蝕有懸臂梁4，頂層硅上刻蝕有相互耦合的直波導1和環(huán)形跑道狀的微環(huán)諧振腔2，其中微環(huán)諧振腔2位于懸臂梁4上，直波導1的入射端和出射端都還刻蝕有光柵5。
[0013]上述的基于平面環(huán)形腔的MOEMS加速度計的制造方法，包括以下步驟:
第一步:選取SOI片并對SOI片進行高溫預處理，消除SOI片中存在的殘余應力，減少由于殘余應力而造成的結構損壞，提尚成品率；