抑制交叉軸干擾的納米光柵加速度計(jì)*

宮美梅， 王 策， 金 麗， 辛晨光， 李孟委

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051; 2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051;3.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院，山西 太原 030051)

0 引 言

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度計(jì)以其尺寸小、成本低、功耗小等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于我國(guó)導(dǎo)航、定位、慣導(dǎo)制導(dǎo)[1～4]以及醫(yī)療[5～8]、汽車[9]等領(lǐng)域。在加速度計(jì)的研究中，靈敏度無(wú)疑是最重要的參數(shù)之一，許多機(jī)構(gòu)針對(duì)不同效應(yīng)的加速度計(jì)展開(kāi)了研究，以期望實(shí)現(xiàn)靈敏度高、穩(wěn)定性好的加速度計(jì)。

2019年，東南大學(xué)楊波等人利用3D打印技術(shù)制作了一種隧道磁阻面內(nèi)加速度計(jì)，零偏穩(wěn)定性206.4 μgn，靈敏度可達(dá)307.03 mV/gn[10]。2020年，華中科技大學(xué)提出一種基于電容位移傳感及電磁力反饋的超高靈敏度面內(nèi)加速度計(jì)，量程僅為1 mgn，但標(biāo)度因子高達(dá)6 000 V/gn[11]。2021年，中國(guó)科學(xué)院研究了一種硅微諧振式面內(nèi)加速度計(jì)，靈敏度為 630.81 Hz/gn，噪聲為1.7 μgn/Hz，零偏不穩(wěn)定性為2.3 μgn[12]。

由于沿靈敏軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，離面加速度計(jì)的質(zhì)量塊與固定基板不在同一平面，因此為了追求高靈敏度，離面加速度計(jì)常采用不同于面內(nèi)加速度計(jì)的設(shè)計(jì)方法，即將梁的厚度減薄，使質(zhì)量塊更易在離面方向獲得較大的位移[13～16]。2013年，浙江大學(xué)提出了一種基于蟹形梁結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱式離面光柵加速度計(jì)，靈敏度可達(dá)1 676 V/gn[14]。但這種非對(duì)稱式結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)較大的交叉軸串?dāng)_，從而影響加速度計(jì)的精度進(jìn)一步提高；當(dāng)檢測(cè)方式的靈敏度、分辨率越高時(shí)，這種干擾越不能忽略。為了抑制交叉軸干擾，文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了具有對(duì)稱式雙層蟹形梁結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)。但由于加工過(guò)程中存在工藝誤差[17]，完全對(duì)稱的梁結(jié)構(gòu)加工難度較高。文獻(xiàn)[16]提出了利用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)片制作對(duì)稱式雙層梁結(jié)構(gòu)的方案，并成功制作出樣機(jī)。然而，利用濕法腐蝕釋放梁結(jié)構(gòu)的過(guò)程中會(huì)對(duì)質(zhì)量塊造成側(cè)蝕，制得的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)與設(shè)計(jì)方案有較大出入，極易影響器件性能。因此，設(shè)計(jì)并制作一種原理可行、工藝可行的抑制交叉軸干擾的離面式加速度計(jì)是非常有必要的。

納米光柵檢測(cè)方式因具有高靈敏度、高線性度、高分辨率、強(qiáng)抗電磁干擾能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地震檢測(cè)、橋梁震動(dòng)檢測(cè)等精密測(cè)量?jī)x器中，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，納米光柵加速度計(jì)不需要像電容式、磁阻式加速度計(jì)一樣額外供電，這就意味著加工時(shí)不需要制作引線及電極，工藝過(guò)程較為簡(jiǎn)單，成品率高。本文主要對(duì)雙層納米光柵離面式加速度計(jì)展開(kāi)研究。

1 雙光柵離面加速度計(jì)設(shè)計(jì)

1.1 雙光柵檢測(cè)位移工作原理

雙層納米光柵位移測(cè)量原理圖如圖1所示。

圖1 雙層光柵位移測(cè)量原理

用激光垂直照射一個(gè)周期性光柵，在其后方特定距離D內(nèi)會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的由多個(gè)自成像組成的三角區(qū)域，這種效應(yīng)稱為泰伯(Talbot)效應(yīng)。泰伯像區(qū)域D計(jì)算公式為

(1)

式中N為光柵周期數(shù)，ZT為相鄰兩個(gè)泰伯像的距離，可通過(guò)下式計(jì)算得到

(2)

式中n為泰伯像級(jí)次，d為光柵常數(shù)，λ為光源波長(zhǎng)。

圖2 泰伯像三角區(qū)域

根據(jù)光柵泰伯效應(yīng)，在激光透過(guò)第一層固定光柵后，將第二層可動(dòng)光柵放在第一層光柵的泰伯像區(qū)域D內(nèi)，可動(dòng)納米光柵沿離面方向運(yùn)動(dòng)，兩層光柵之間發(fā)生相對(duì)位移，使得光通過(guò)雙層光柵后光強(qiáng)發(fā)生圖3(a)所示的變化；當(dāng)雙光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用于加速度計(jì)，可動(dòng)光柵在離面方向周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，探測(cè)器會(huì)探測(cè)到如圖3(b)所示正弦式的光強(qiáng)變化，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)的變化能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)。

圖3 雙光柵離面運(yùn)動(dòng)光強(qiáng)變化示意

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的離面加速度計(jì)如圖4所示。加速度計(jì)由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為上層光柵層、中層加速度計(jì)—光柵層以及下層玻璃層，兩層光柵分別制作在上層與中層，三層結(jié)構(gòu)通過(guò)鍵合形成真空密閉的三明治型加速度計(jì)。

圖4 離面加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意

上層結(jié)構(gòu)使用玻璃做襯底，不但可使入射光幾乎無(wú)損耗地通過(guò)，還可以保護(hù)制作在其下表面的周期性光柵。為了避免可見(jiàn)光干擾，測(cè)試系統(tǒng)所用的入射光為紅外光，由于紅外光可透過(guò)硅襯底，如果不加以處理使其未經(jīng)光柵就進(jìn)入探測(cè)器，將會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成干擾。因此,在上層的下表面鋪設(shè)有金屬Al，可將干擾的入射光反射。中層加速度計(jì)—光柵層由硅制成。離面加速度計(jì)采用高靈敏的蟹形梁結(jié)構(gòu)，其上表面是與上層光柵同周期、無(wú)相位差的光柵，作為可動(dòng)光柵使用。下層玻璃層主要用于器件真空鍵合。

2 交叉軸干擾對(duì)雙光柵離面加速度計(jì)的影響

傳統(tǒng)離面加速度計(jì)設(shè)計(jì)中，常采用圖5所示的非對(duì)稱式質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中間是一個(gè)較大的質(zhì)量塊，四根蟹形懸臂梁位于質(zhì)量塊的邊緣，一般比質(zhì)量塊略薄，這樣當(dāng)加速度計(jì)受到離面的力時(shí)，質(zhì)量塊更易產(chǎn)生較大的位移。

圖5 非對(duì)稱式質(zhì)量塊示意

建立具有非對(duì)稱式質(zhì)量塊的加速度計(jì)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行仿真。當(dāng)對(duì)該加速度計(jì)z軸方向(即離面方向)施加1gn加速度時(shí)，加速度計(jì)正常工作，仿真結(jié)果如圖6(a)所示，產(chǎn)生的最大位移為5.2×10-8m。由于對(duì)光柵加速度計(jì)性能測(cè)試需要搭建光學(xué)平臺(tái)，要使入射光垂直入射，離面加速度計(jì)的初始放置位置必須與光學(xué)平臺(tái)垂直，此時(shí)加速度計(jì)會(huì)受到面內(nèi)方向的重力加速度。因此,本文利用重力場(chǎng)法[18]對(duì)該離面加速度計(jì)的交叉軸靈敏度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 非對(duì)稱式加速度計(jì)仿真?zhèn)纫晥D

從仿真結(jié)果可得，結(jié)構(gòu)受到面內(nèi)方向的1個(gè)重力加速度后，質(zhì)量塊發(fā)生扭曲并圍繞中心軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，最大位移處達(dá)到4.2×10-9m，僅比相同加速度下的靈敏軸位移小1個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，質(zhì)量塊的扭轉(zhuǎn)會(huì)使其上的可動(dòng)光柵與固定光柵之間產(chǎn)生傾角。在Comsol中對(duì)1 319 nm入射光下周期為2 μm，占空比為1︰1，兩光柵間距5 μm的雙層光柵進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示?？蓜?dòng)光柵的偏轉(zhuǎn)會(huì)影響泰伯像的效果，當(dāng)可動(dòng)光柵的偏轉(zhuǎn)角達(dá)到5°時(shí)，光學(xué)效率會(huì)減小近50 %，這將嚴(yán)重影響加速度計(jì)的靈敏度。

圖7 可動(dòng)光柵角度偏轉(zhuǎn)仿真對(duì)比

3 抗交叉軸干擾的離面加速度計(jì)設(shè)計(jì)

要想避免光柵離面加速度計(jì)交叉軸誤差的影響，首先應(yīng)對(duì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使質(zhì)量塊的重心完全處于整個(gè)加速度計(jì)的中心。綜合考慮加速度計(jì)靈敏度、抗過(guò)載能力、加工難度等因素，本文設(shè)計(jì)的抗交叉軸干擾的雙光柵離面加速度計(jì)結(jié)構(gòu)如表1及圖8所示，仿真結(jié)果如圖9所示。該加速度計(jì)結(jié)構(gòu)靈敏度達(dá)1.1×10-6/gn，抗過(guò)載能力在300gn以上。

表1 抗交叉軸干擾的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 抗交叉軸干擾的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

圖9 抗交叉軸干擾的加速度計(jì)z軸施加1 gn仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證全對(duì)稱結(jié)構(gòu)的抗交叉軸干擾能力，對(duì)y軸施加1gn加速度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。從仿真結(jié)果可以看出，面內(nèi)的作用力使四根梁在面內(nèi)變形，但在離面方向并未產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力，充分證明了全對(duì)稱結(jié)構(gòu)可避免交叉軸的干擾，且在1gn面內(nèi)加速度下質(zhì)量塊偏移僅為10-10m，這些偏移雖然會(huì)使可動(dòng)光柵與固定光柵產(chǎn)生錯(cuò)位，但對(duì)于周期為微米(μm)級(jí)的雙層光柵來(lái)說(shuō)，納米(nm)以下的位移錯(cuò)位帶來(lái)的影響可以忽略不計(jì)。

圖10 抗交叉軸干擾的加速度計(jì)y軸施加1 gn仿真結(jié)果

4 抗交叉軸干擾的加速度計(jì)工藝設(shè)計(jì)

由于硅刻蝕的深度受刻蝕氣體濃度、保護(hù)氣體濃度、硅片表面潔凈度、光刻膠厚度、顯影時(shí)間長(zhǎng)短等多種因素影響，即使使用相同的刻蝕參數(shù)對(duì)硅片的正、背面進(jìn)行刻蝕，也不能形成完全對(duì)稱的質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于SOI的離面加速度計(jì)。SOI片在硅層與硅層之間增加了氧化層，由于深硅刻蝕對(duì)氧化物具有較高的選擇比，當(dāng)?shù)竭_(dá)固定的刻蝕深度后，埋層的氧化物可以阻止刻蝕氣體繼續(xù)向下刻蝕；同時(shí)反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)刻蝕機(jī)對(duì)硅具有較高的選擇比，去除氧化層的同時(shí)不會(huì)過(guò)刻至硅層。所定制的SOI各層厚度如圖11所示。SOI總厚度為100 μm，與質(zhì)量塊厚度相符，中間的10 μm硅層用于制作梁。

圖11 SOI各層示意

加速度計(jì)工藝流程圖如圖12所示，共分為10大步。其中鍵合時(shí)使用SU—8膠，這是由于加速度計(jì)結(jié)構(gòu)具有高靈敏度，所以離面方向活動(dòng)范圍大，需要有至少微米(μm)級(jí)的安全距離保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中中層加速度計(jì)結(jié)構(gòu)與上、下層結(jié)構(gòu)不會(huì)觸碰。為了保證結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和加工精度，不能通過(guò)刻蝕微米級(jí)淺槽的方式形成邊緣高、中間低的形狀，只能通過(guò)增加支撐框架的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)距離控制，目前較為經(jīng)濟(jì)的做法是使用膠鍵合的方式。SU—8膠的優(yōu)勢(shì)在于不僅可以實(shí)現(xiàn)物理鍵和，而且對(duì)紅外光不敏感，被紅外光照射不會(huì)分解；同時(shí)作為增厚劑使用時(shí)，它的厚度可達(dá)百微米。

圖12 加速度計(jì)工藝流程圖

工藝過(guò)程具體為：a.使用FHR濺射300 nmAl，光刻顯影后使用IBE干法刻蝕去除多余的金屬，形成可動(dòng)光柵；b.使用ICP刻蝕機(jī)刻蝕硅至第一層氧化層，形成上半部分質(zhì)量塊；c.使用RIE干法刻蝕去除第一層氧化層，露出中間層的硅；d.使用STS HRM刻蝕機(jī)刻蝕硅至第二層氧化層，形成蟹形梁；e.第5步與第3步步驟相同，去除氧化層后露出最后一層硅；f.使用ICP刻蝕機(jī)進(jìn)行背部刻蝕，釋放出整個(gè)質(zhì)量塊；g.去除氧化層，形成加速度計(jì)結(jié)構(gòu)；h.濺射300 nmAl并使用IBE刻蝕，形成反射層及固定光柵；i.使用SU—8膠進(jìn)行上—中層結(jié)構(gòu)鍵合；j.使用SU—8膠進(jìn)行中—下層結(jié)構(gòu)鍵合，形成真空封裝下的光柵加速度計(jì)。

5 結(jié) 論

介紹了雙光柵位移檢測(cè)原理，在此原理基礎(chǔ)上形成雙光柵加速度計(jì)設(shè)計(jì)方案。對(duì)交叉軸干擾進(jìn)行仿真，ANSYS結(jié)構(gòu)仿真和COMSOL雙光柵仿真結(jié)果表明，交叉軸結(jié)構(gòu)與敏感軸結(jié)構(gòu)靈敏度僅差1個(gè)數(shù)量級(jí)，且交叉軸帶來(lái)的偏移會(huì)使雙光柵離面加速度計(jì)靈敏度降低大約50 %。提出了一種靈敏度高、工藝簡(jiǎn)單的加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真結(jié)果證明了所提結(jié)構(gòu)交叉軸受加速度作用時(shí)，不會(huì)在敏感方向產(chǎn)生位移，能有效避免交叉軸干擾。設(shè)計(jì)的基于SOI片的雙光柵離面加速度計(jì)加工方案簡(jiǎn)單易行，可有效避免工藝誤差，為研制高性能的離面加速度計(jì)提供了思路。