宮美梅， 王 策， 金 麗， 辛晨光， 李孟委

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

0 引 言

微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度計以其尺寸小、成本低、功耗小等特點廣泛應用于我國導航、定位、慣導制導[1～4]以及醫(yī)療[5～8]、汽車[9]等領域。在加速度計的研究中，靈敏度無疑是最重要的參數之一，許多機構針對不同效應的加速度計展開了研究，以期望實現靈敏度高、穩(wěn)定性好的加速度計。

2019年，東南大學楊波等人利用3D打印技術制作了一種隧道磁阻面內加速度計，零偏穩(wěn)定性206.4 μgn，靈敏度可達307.03 mV/gn[10]。2020年，華中科技大學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加速度計，量程僅為1 mgn，但標度因子高達6 000 V/gn[11]。2021年，中國科學院研究了一種硅微諧振式面內加速度計，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]。

由于沿靈敏軸運動時，離面加速度計的質量塊與固定基板不在同一平面，因此為了追求高靈敏度，離面加速度計常采用不同于面內加速度計的設計方法，即將梁的厚度減薄，使質量塊更易在離面方向獲得較大的位移[13～16]。2013年，浙江大學提出了一種基于蟹形梁結構的非對稱式離面光柵加速度計，靈敏度可達1 676 V/gn[14]。但這種非對稱式結構會帶來較大的交叉軸串擾，從而影響加速度計的精度進一步提高；當檢測方式的靈敏度、分辨率越高時，這種干擾越不能忽略。為了抑制交叉軸干擾，文獻[15]設計了具有對稱式雙層蟹形梁結構的加速度計。但由于加工過程中存在工藝誤差[17]，完全對稱的梁結構加工難度較高。文獻[16]提出了利用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)片制作對稱式雙層梁結構的方案，并成功制作出樣機。然而，利用濕法腐蝕釋放梁結構的過程中會對質量塊造成側蝕，制得的結構尺寸會與設計方案有較大出入，極易影響器件性能。因此，設計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是非常有必要的。

納米光柵檢測方式因具有高靈敏度、高線性度、高分辨率、強抗電磁干擾能力等特點，被廣泛應用于地震檢測、橋梁震動檢測等精密測量儀器中，具有良好的應用前景。同時，納米光柵加速度計不需要像電容式、磁阻式加速度計一樣額外供電，這就意味著加工時不需要制作引線及電極，工藝過程較為簡單，成品率高。本文主要對雙層納米光柵離面式加速度計展開研究。

1 雙光柵離面加速度計設計

1.1 雙光柵檢測位移工作原理

雙層納米光柵位移測量原理圖如圖1所示。

圖1 雙層光柵位移測量原理

用激光垂直照射一個周期性光柵，在其后方特定距離D內會出現如圖2所示的由多個自成像組成的三角區(qū)域，這種效應稱為泰伯(Talbot)效應。泰伯像區(qū)域D計算公式為

(1)

式中N為光柵周期數，ZT為相鄰兩個泰伯像的距離，可通過下式計算得到

(2)

式中n為泰伯像級次，d為光柵常數，λ為光源波長。

圖2 泰伯像三角區(qū)域

根據光柵泰伯效應，在激光透過第一層固定光柵后，將第二層可動光柵放在第一層光柵的泰伯像區(qū)域D內，可動納米光柵沿離面方向運動，兩層光柵之間發(fā)生相對位移，使得光通過雙層光柵后光強發(fā)生圖3(a)所示的變化；當雙光柵結構應用于加速度計，可動光柵在離面方向周期往復運動時，探測器會探測到如圖3(b)所示正弦式的光強變化，通過測量光強的變化能夠實現對加速度的檢測。

圖3 雙光柵離面運動光強變化示意

1.2 結構設計

本文設計的離面加速度計如圖4所示。加速度計由三層結構組成，分別為上層光柵層、中層加速度計—光柵層以及下層玻璃層，兩層光柵分別制作在上層與中層，三層結構通過鍵合形成真空密閉的三明治型加速度計。

圖4 離面加速度計結構示意

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

2 交叉軸干擾對雙光柵離面加速度計的影響

傳統(tǒng)離面加速度計設計中，常采用圖5所示的非對稱式質量塊結構。這種結構中間是一個較大的質量塊，四根蟹形懸臂梁位于質量塊的邊緣，一般比質量塊略薄，這樣當加速度計受到離面的力時，質量塊更易產生較大的位移。

圖5 非對稱式質量塊示意

建立具有非對稱式質量塊的加速度計模型，并對該模型進行仿真。當對該加速度計z軸方向(即離面方向)施加1gn加速度時，加速度計正常工作，仿真結果如圖6(a)所示，產生的最大位移為5.2×10-8m。由于對光柵加速度計性能測試需要搭建光學平臺，要使入射光垂直入射，離面加速度計的初始放置位置必須與光學平臺垂直，此時加速度計會受到面內方向的重力加速度。因此,本文利用重力場法[18]對該離面加速度計的交叉軸靈敏度進行仿真，仿真結果如圖6(b)所示。

圖6 非對稱式加速度計仿真?zhèn)纫晥D

從仿真結果可得，結構受到面內方向的1個重力加速度后，質量塊發(fā)生扭曲并圍繞中心軸產生旋轉，最大位移處達到4.2×10-9m，僅比相同加速度下的靈敏軸位移小1個數量級。同時，質量塊的扭轉會使其上的可動光柵與固定光柵之間產生傾角。在Comsol中對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的雙層光柵進行仿真，仿真結果如圖7所示?？蓜庸鈻诺钠D會影響泰伯像的效果，當可動光柵的偏轉角達到5°時，光學效率會減小近50 %，這將嚴重影響加速度計的靈敏度。

圖7 可動光柵角度偏轉仿真對比

3 抗交叉軸干擾的離面加速度計設計

要想避免光柵離面加速度計交叉軸誤差的影響，首先應對加速度計結構進行優(yōu)化，使質量塊的重心完全處于整個加速度計的中心。綜合考慮加速度計靈敏度、抗過載能力、加工難度等因素，本文設計的抗交叉軸干擾的雙光柵離面加速度計結構如表1及圖8所示，仿真結果如圖9所示。該加速度計結構靈敏度達1.1×10-6/gn，抗過載能力在300gn以上。

表1 抗交叉軸干擾的加速度計結構參數

圖8 抗交叉軸干擾的加速度計結構

圖9 抗交叉軸干擾的加速度計z軸施加1 gn仿真結果

為了驗證全對稱結構的抗交叉軸干擾能力，對y軸施加1gn加速度進行仿真，仿真結果如圖10所示。從仿真結果可以看出，面內的作用力使四根梁在面內變形，但在離面方向并未產生扭轉力，充分證明了全對稱結構可避免交叉軸的干擾，且在1gn面內加速度下質量塊偏移僅為10-10m，這些偏移雖然會使可動光柵與固定光柵產生錯位，但對于周期為微米(μm)級的雙層光柵來說，納米(nm)以下的位移錯位帶來的影響可以忽略不計。

圖10 抗交叉軸干擾的加速度計y軸施加1 gn仿真結果

4 抗交叉軸干擾的加速度計工藝設計

由于硅刻蝕的深度受刻蝕氣體濃度、保護氣體濃度、硅片表面潔凈度、光刻膠厚度、顯影時間長短等多種因素影響，即使使用相同的刻蝕參數對硅片的正、背面進行刻蝕，也不能形成完全對稱的質量塊結構。因此,本文設計了一種基于SOI的離面加速度計。SOI片在硅層與硅層之間增加了氧化層，由于深硅刻蝕對氧化物具有較高的選擇比，當到達固定的刻蝕深度后，埋層的氧化物可以阻止刻蝕氣體繼續(xù)向下刻蝕；同時反應離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)刻蝕機對硅具有較高的選擇比，去除氧化層的同時不會過刻至硅層。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

加速度計工藝流程圖如圖12所示，共分為10大步。其中鍵合時使用SU—8膠，這是由于加速度計結構具有高靈敏度，所以離面方向活動范圍大，需要有至少微米(μm)級的安全距離保證運動過程中中層加速度計結構與上、下層結構不會觸碰。為了保證結構的對稱性和加工精度，不能通過刻蝕微米級淺槽的方式形成邊緣高、中間低的形狀，只能通過增加支撐框架的高度來實現距離控制，目前較為經濟的做法是使用膠鍵合的方式。SU—8膠的優(yōu)勢在于不僅可以實現物理鍵和，而且對紅外光不敏感，被紅外光照射不會分解；同時作為增厚劑使用時，它的厚度可達百微米。

圖12 加速度計工藝流程圖

工藝過程具體為：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，形成可動光柵；b.使用ICP刻蝕機刻蝕硅至第一層氧化層，形成上半部分質量塊；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刻蝕機進行背部刻蝕，釋放出整個質量塊；g.去除氧化層，形成加速度計結構；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膠進行上—中層結構鍵合；j.使用SU—8膠進行中—下層結構鍵合，形成真空封裝下的光柵加速度計。

5 結 論

介紹了雙光柵位移檢測原理，在此原理基礎上形成雙光柵加速度計設計方案。對交叉軸干擾進行仿真，ANSYS結構仿真和COMSOL雙光柵仿真結果表明，交叉軸結構與敏感軸結構靈敏度僅差1個數量級，且交叉軸帶來的偏移會使雙光柵離面加速度計靈敏度降低大約50 %。提出了一種靈敏度高、工藝簡單的加速度計結構，并通過仿真結果證明了所提結構交叉軸受加速度作用時，不會在敏感方向產生位移，能有效避免交叉軸干擾。設計的基于SOI片的雙光柵離面加速度計加工方案簡單易行，可有效避免工藝誤差，為研制高性能的離面加速度計提供了思路。