本發(fā)明涉及微光機電技術(shù)領(lǐng)域，尤指一種加速度敏感器及加速度計。

背景技術(shù)：

加速度計現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機器人、可穿戴設(shè)備、工程測振、地質(zhì)勘探、導(dǎo)航系統(tǒng)、航空航天等多種領(lǐng)域，凡需要感測由于墜落、傾斜、移動、定位、撞擊或振動產(chǎn)生微小變化的產(chǎn)品，都會用到加速度計。當(dāng)今在微電子機械系統(tǒng)技術(shù)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廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。

現(xiàn)有的加速度計一般由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。加速度計的工作原理為：在加速環(huán)境中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。因此，提高質(zhì)量塊的抗干擾性能是提升加速度計性能的重要因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供的一種加速度敏感器及加速度計，用以提高加速度計中加速度敏感器的抗橫向干擾能力。

本發(fā)明實施例提供的一種用于加速度計的加速度敏感器，包括基座、懸臂梁和通過所述懸臂梁固定在所述基座上的質(zhì)量塊；

所述質(zhì)量塊的形狀為中心對稱形狀；

所述懸臂梁包括四個L型臂，其中各所述L型臂的長臂連接所述基座，所述L型臂的短臂連接所述質(zhì)量塊，且任意相鄰兩個所述L型臂呈軸對稱設(shè)置。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，所述懸臂梁、所述基座以及所述質(zhì)量塊為一體結(jié)構(gòu)。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，所述懸臂梁、所述基座以及所述質(zhì)量塊的材料為碳化硅材料。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，所述碳化硅材料為6H-SiC單晶材料。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，所述質(zhì)量塊的形狀為矩形，且所述L型臂的短臂與所述質(zhì)量塊的連接點分別位于所述矩形的四個角附近。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，所述L型臂的長臂的長度為1700μm～1900μm，短臂的長度為450μm～550μm，臂寬為110μm～130μm。

相應(yīng)地，本發(fā)明實施例還提供了一種加速度計，包括本發(fā)明實施例提供的任一種加速度敏感器。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，還包括：與所述加速度敏感器相對且間隔設(shè)置的基板，封裝所述加速度敏感器與基板的外封裝結(jié)構(gòu)，位于所述外封裝結(jié)構(gòu)外的光源、環(huán)形器、光電倍增管和信號處理電路；其中，

所述基板在與所述加速度敏感器中的質(zhì)量塊對應(yīng)的區(qū)域貫穿有空心套管，且所述空心套管內(nèi)有單模光纖，所述所述空心套管內(nèi)的單模光纖的端面與質(zhì)量塊面向所述基板的一面之間形成EFPI腔；

所述光源通過單模光纖與所述環(huán)形器的第一端口相連，用于向所述環(huán)形器提供光；

所述環(huán)形器的第二端口通過單模光纖與所述空心套管內(nèi)的模光纖相連，用于將所述光源提供給所述環(huán)形器的光通過所述空心套管內(nèi)的單模光纖傳輸至所述質(zhì)量塊；

所述環(huán)形器的第三端口通過單模光纖與所述光電倍增管相連，用于將所述空心套管內(nèi)的單模光纖接收的反射光提供給所述光電倍增管；

所述信號處理電路用于根據(jù)所述光電倍增管輸出的信號計算加速度。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，所述質(zhì)量塊背向基板一側(cè)還設(shè)置有增透膜。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，所述增透膜的材料為氮化鋁或。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，所述增透膜的厚度為λ/8n_z、5λ/8n_z或9λ/8n_z，其中λ為所述光源的波長，n_z為所述增透膜的折射率。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，所述光源為波長1550nm的激光光源。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，所述基板的材料為派熱克斯玻璃。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，外封裝結(jié)構(gòu)的材料為氧化鋁陶瓷。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，還包括顯示屏，用于顯示所述信號處理電路計算所得的加速度。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明實施例提供的上述加速度敏感器及加速度計，包括基座、懸臂梁和通過懸臂梁固定在基座上的質(zhì)量塊；質(zhì)量塊的形狀為中心對稱形狀；懸臂梁包括四個L型臂，其中各L型臂的長臂連接基座，L型臂的短臂連接質(zhì)量塊，且任意相鄰兩個L型臂呈軸對稱設(shè)置。由于懸臂梁由四個對稱設(shè)置的L型臂組成，四個L型臂之間橫向相互鉗制，因而抗橫向干擾能力強，且結(jié)構(gòu)簡單，制作難度較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖之一；

圖3為本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器的等效力學(xué)模型的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的加速度計的結(jié)構(gòu)示意圖之二；

圖5a至圖5h為在制作本發(fā)明實施例提供的加速度計中的速度計敏感器時執(zhí)行各步驟后對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖5h所示的設(shè)置有增透膜的速度計敏感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

附圖中各部件的形狀和大小不反映真實比例，目的只是示意說明本發(fā)明內(nèi)容。

本發(fā)明實施例提供的一種用于加速度計的加速度敏感器1，如圖1所示，包括基座01、懸臂梁02和通過懸臂梁02固定在基座01上的質(zhì)量塊03；

懸臂梁02、基座01以及質(zhì)量塊03為一體結(jié)構(gòu)；

質(zhì)量塊03的形狀為中心對稱形狀；

懸臂梁02包括四個L型臂021，其中各L型臂021的長臂連接基座01，L型臂021的短臂連接質(zhì)量塊03，且任意相鄰兩個L型臂021呈軸對稱設(shè)置。

本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器，包括基座、懸臂梁和通過懸臂梁固定在基座上的質(zhì)量塊；質(zhì)量塊的形狀為中心對稱形狀；懸臂梁包括四個L型臂，其中各L型臂的長臂連接基座，L型臂的短臂連接質(zhì)量塊，且任意相鄰兩個L型臂呈軸對稱設(shè)置。由于懸臂梁由四個對稱設(shè)置的L型臂組成，四個L型臂之間橫向相互鉗制，因而抗橫向干擾能力強，且結(jié)構(gòu)簡單，制作難度較低。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，懸臂梁、基座以及質(zhì)量塊為一體結(jié)構(gòu)，這樣可以通過一次構(gòu)圖工藝形成，從而不需要增加懸臂梁與基座以及質(zhì)量塊連接的工藝。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，懸臂梁、基座以及質(zhì)量塊的材料為碳化硅SiC材料。這是由于SiC的禁帶寬度是Si的2.5倍，Si-C鍵的高鍵能使得SiC具有更高惰性，抗氧化、化學(xué)腐蝕以及輻射能力均超強。SiC在抗中子輻射方面遠超硅數(shù)倍，適于高輻射探測應(yīng)用。此外，SiC的高擊穿場強使其耐壓性能好、尺寸??；高熱導(dǎo)率使其功率密度高，適合工作在高溫環(huán)境，SiC材料的工作溫度可超過1000℃。

由于6H-SiC單晶材料是SiC中機械性能與耐高溫性能最為優(yōu)異的一種，因此，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，碳化硅材料選取6H-SiC單晶材料。

在具體實施時，當(dāng)質(zhì)量塊的形狀為正方形或長方形時，制作成本低且計算加速度時推導(dǎo)公式相對簡單，因此，較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，如圖1所示，質(zhì)量塊03的形狀為矩形，且L型臂021的短臂與質(zhì)量塊03的連接點分別位于矩形的四個角附近。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度敏感器中，L型臂的長臂的長度為1700μm～1900μm，短臂的長度為450μm～550μm，臂寬為110μm～130μm。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例還提供了一種加速度計，該加速度計包括本發(fā)明實施例提供的上述任一種加速度敏感器。由于該加速度計解決問題的原理與前述一種加速度敏感器相似，因此加速度計的實施可以參見前述加速度敏感器的實施，重復(fù)之處不再贅述。

下面詳細說明通過加速度敏感器檢測加速度的原理。由于加速度難以被直接測量，在實際應(yīng)用中，將加速度計系統(tǒng)看成一個二階連續(xù)時間系統(tǒng)，工作在慣性空間中。根據(jù)牛頓力學(xué)定律，可以將加速度敏感器等效為一個如圖2所示的質(zhì)量-彈簧-阻尼(m-k-f)系統(tǒng)。加速度敏感器與加速度計外殼固定，在慣性空間中隨加速度的變化發(fā)生相對運動。在慣性空間中，加速度計外殼絕對位移為z_f，質(zhì)量塊絕對位移為z，質(zhì)量塊相對于基座的位移為：

x＝z-z_f (1.1)

在慣性力、彈簧彈性力和阻尼力相互作用處于力平衡狀態(tài)時，根據(jù)牛頓第二定律可以得出該系統(tǒng)的二階運動方程為：

式中m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，k_m為彈簧剛度、f為阻尼系數(shù)。將式(1.1)代入(1.2)，進行整理變換可得：

式中a為整個系統(tǒng)所受到的加速度。設(shè)系統(tǒng)輸入變量為a(t)，輸出變量為質(zhì)量塊相對于殼體的位移x(t)，在零初始條件下對(1.3)進行拉氏變換，可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

式中ω₀為質(zhì)量塊固有的諧振頻率，ζ為阻尼比，根據(jù)工程力學(xué)知識：

式中Q為機械品質(zhì)因素。當(dāng)加速度輸入為固定值，x(t)趨于定值，則式(1.3)變形為：

由式可知質(zhì)量塊相對于基座的位移x和加速度a之間的函數(shù)關(guān)系，從而可以通過測量相對位移得到加速度。

下面通過一個具體的實施例說明本發(fā)明實施例提供的加速度計的具體實施方式，但是不限于此。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，如圖3所示，還包括：與加速度敏感器1相對且間隔設(shè)置的基板2，封裝加速度敏感器1與基板2的外封裝結(jié)構(gòu)3，光源4，環(huán)形器5，光電倍增管6、信號處理電路7；其中，

基板2在與加速度敏感器1中的質(zhì)量塊03對應(yīng)的區(qū)域貫穿有空心套管21，且空心套管21內(nèi)有單模光纖，空心套管21內(nèi)的單模光纖的端面與質(zhì)量塊03面向基板2的一面之間形成非本征型法布里珀羅干涉(Extrinsic Fabry-perot Interferometric，EFPI)腔9；

光源4通過單模光纖與環(huán)形器5的第一端口51相連，用于向環(huán)形器5提供光；

環(huán)形器5的第二端口52通過單模光纖與空心套管21內(nèi)的單模光纖相連，用于將光源4提供給環(huán)形器5的光通過空心套管21內(nèi)的單模光纖傳輸至質(zhì)量塊；

環(huán)形器5的第三端口53通過單模光纖與光電倍增管6相連，用于將空心套管21內(nèi)的單模光纖接收的反射光提供給光電倍增管6；

信號處理電路7用于根據(jù)光電倍增管6輸出的信號計算加速度。

本發(fā)明實施例提供的加速度計，加速度的作用會引起質(zhì)量塊的振動，質(zhì)量塊的振動引起質(zhì)量塊的法向位移，質(zhì)量塊的法向位移帶來EFPI腔長的改變，亦即干涉光的光程差發(fā)生變化，從而干涉光強信號改變。而加速度計中光路傳輸路徑如圖3中箭頭所指，光源4出射的光自環(huán)形器5的第一端口51進入環(huán)形器5，從環(huán)形器5的第二端口52出射后再經(jīng)空心套管21內(nèi)的單模光纖進入EFPI腔，EFPI腔的光纖出射端面產(chǎn)生反射光和透射光，透射光經(jīng)EFPI腔到達質(zhì)量塊03的下表面發(fā)生反射后返回經(jīng)空心套管21內(nèi)的單模光纖，一部分光在單模光纖與空氣界面直接發(fā)生反射。兩束反射光基于二者之間的光程差發(fā)生相消或者相長干涉，干涉光通過環(huán)形器5的第三端口53經(jīng)由單模光纖到達光電倍增管6。因此信號處理電路7根據(jù)光電倍增管6輸出的信號可以計算加速度。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，環(huán)形器可以使雙向傳輸?shù)墓獍l(fā)生干涉串?dāng)_。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速計中，光源為波長1550nm的激光光源，當(dāng)然光源也可以采用波長1310nm的激光光源，但是光源的波長越長，加速度計的量程越大。

在具體實施時，當(dāng)光源的波長為1550nm時，單模光纖采用9/125SI13-PI155型聚酰亞胺涂層通信光纖，其芯徑是9μm，對應(yīng)截止波長為1550nm。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中設(shè)置在空心套管中的單模光纖可以是9/125SI13-PI155型聚酰亞胺涂層通信光纖，當(dāng)然為了工作溫度提高到500℃以上，設(shè)置在空心套管中的單模光纖需要將9/125SI13-PI155型聚酰亞胺涂層通信光纖中的酰亞胺涂層去掉。

較佳地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，為了使經(jīng)EFPI腔到達質(zhì)量塊的上表面的光被透射出去，以避免經(jīng)EFPI腔到達質(zhì)量塊的上表面的光在質(zhì)量塊的上表面發(fā)生反射又返回至空心套管中的單模光纖，從而對單模光纖中的雙光束干涉光造成干擾，如圖4所示，質(zhì)量塊03背向基板一側(cè)還設(shè)置有增透膜04。

在具體實施時，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，增透膜的材料為氮化鋁AlN，這是由于AlN的熱膨脹系數(shù)與SiC更為接近，可以降低熱失配。

在具體實施時，增透膜前后表面反射光束間的相位差δ滿足：

式中e為增透膜的厚度。由菲涅爾公式，可知正入射時增透膜前表面的反射系數(shù)ρ₁和增透膜前表面的反射系數(shù)ρ₂分別為：

根據(jù)單層薄膜干涉理論，可知增透膜的振幅反射系數(shù)為：

若薄膜吸收不計，可得增透薄膜的反射比為：

式中n_s、n_z和n₀分別為SiC、增透膜和空氣介質(zhì)的折射率。

聯(lián)立式(2.1)～(2.5)，代入已知的SiC和空氣介質(zhì)的折射率值，整理可得增透膜反射比(正入射)為：

對于確定的增透膜折射率n_z，增透膜的反射比是δ的函數(shù)，也即n_ze的函數(shù)。利用MATLAB軟件對增透膜反射比與增透膜折射率與厚度相關(guān)性進行仿真，可得n_ze＝λ/8，5λ/8，9λ/8處反射比最小。

因此，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，增透膜的厚度為λ/8n_z、5λ/8n_z或9λ/8n_z時增透膜的反射比最小，其中λ為光源的波長，n_z為增透膜的折射率。

進一步地，從制作工藝考慮，增透膜的厚度越厚，工藝越難，且成本越高，因此當(dāng)光源的波長為1550nm時，且增透膜的材料為氮化鋁時，增透膜的厚度設(shè)置為70nm左右。

進一步地，為了保證了基底和外封裝結(jié)構(gòu)的耐高溫特性，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，基板的材料可以為派熱克斯玻璃，外封裝結(jié)構(gòu)的材料可以為氧化鋁陶瓷，在此不作限定。

進一步地，在本發(fā)明實施例提供加速度計中，信號處理電路包括運算放大器、可調(diào)電阻與濾波電容。

進一步地，在本發(fā)明實施例提供的加速度計中，如圖4所示，還包括顯示屏8，用于顯示信號處理電路7計算所得的加速度。

本發(fā)明實施例提供的上述加速度計，由于加速度敏感器中懸臂梁機械性能更穩(wěn)定，并且加速度計使用了EFPI(extrinsic fabry-perot interferometric非本征型法布里珀羅干涉)技術(shù)和SiC微加工技術(shù)結(jié)合。可實現(xiàn)加速度計工作溫度的提高，同時在穩(wěn)定性、測量精度、環(huán)境適應(yīng)能力及抗干擾能力方面性能優(yōu)異。在車載發(fā)動機渦輪增壓器、燃氣渦輪機監(jiān)測，航空航天自動駕駛與火箭衛(wèi)星等振動參數(shù)測試環(huán)境較為惡劣的情形下，精度和靈敏度更高，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)本發(fā)明實施例提供的加速度計中在加速度敏感器的質(zhì)量塊上還設(shè)置有增透膜時，在制作時，可以先在SiC晶圓上形成增透膜的圖形后再形成懸臂梁和質(zhì)量塊的圖形，具體步驟如下：

(1)減薄SiC晶圓形成基座。

在具體實施時，SiC晶圓的厚度一般在340μm左右，為了降低SiC晶圓的厚度，可以采用金剛石進行磨削的方式使晶圓厚度從減薄到80μm，以降低之后進行的構(gòu)圖工藝難度。

(2)在基座01上形成厚度為70nm左右增透膜04，其中增透膜04的材料為AlN，如圖5a所示。

(3)對增透膜04進行構(gòu)圖，保留將要形成質(zhì)量塊的區(qū)域內(nèi)的增透膜04，去除其他區(qū)域的的增透膜04，如圖5b所示。

(4)涂覆光刻膠05并圖形化，如圖5c所示。

在具體實施時，利用涂膠機涂覆光刻膠，經(jīng)紫外曝光后進行圖形化。

(5)以圖形化的光刻膠05為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)干法刻蝕基座01，其中反應(yīng)氣體為SF₆和O₂，刻蝕深度為12μm，如圖5d所示。

(6)去除光刻膠05，并將基座01反轉(zhuǎn)，以進行背面刻蝕，如圖5e所示。

(7)電鍍Ni掩膜06并圖形化，如圖5f所示。

(8)采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)干法刻蝕基座01，其中反應(yīng)氣體為SF₆和O₂，刻蝕深度為68μm，形成懸臂梁02、質(zhì)量塊03和基座01的一體結(jié)構(gòu)圖形，如圖5g所示。

(9)去除Ni掩膜06，如圖5h所示，其中，圖5h對應(yīng)的俯視圖如圖6所示，圖5h為圖6沿AA’方向的剖面示意圖。

(10)進行清洗和圖形檢查。

本發(fā)明實施例提供的上述加速度敏感器及加速度計，包括基座、懸臂梁和通過懸臂梁固定在基座上的質(zhì)量塊；質(zhì)量塊的形狀為中心對稱形狀；懸臂梁包括四個L型臂，其中各L型臂的長臂連接基座，L型臂的短臂連接質(zhì)量塊，且任意相鄰兩個L型臂呈軸對稱設(shè)置。由于懸臂梁由四個對稱設(shè)置的L型臂組成，四個L型臂之間橫向相互鉗制，因而抗橫向干擾能力強，且結(jié)構(gòu)簡單，制作難度較低。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。