抑制交叉轴干扰的纳米光栅加速度计*

宫美梅， 王 策， 金 丽， 辛晨光， 李孟委

(1.中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051; 2.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051;3.中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计以其尺寸小、成本低、功耗小等特点广泛应用于我国导航、定位、惯导制导[1～4]以及医疗[5～8]、汽车[9]等领域。在加速度计的研究中，灵敏度无疑是最重要的参数之一，许多机构针对不同效应的加速度计展开了研究，以期望实现灵敏度高、稳定性好的加速度计。

2019年，东南大学杨波等人利用3D打印技术制作了一种隧道磁阻面内加速度计，零偏稳定性206.4 μgn，灵敏度可达307.03 mV/gn[10]。2020年，华中科技大学提出一种基于电容位移传感及电磁力反馈的超高灵敏度面内加速度计，量程仅为1 mgn，但标度因子高达6 000 V/gn[11]。2021年，中国科学院研究了一种硅微谐振式面内加速度计，灵敏度为 630.81 Hz/gn，噪声为1.7 μgn/Hz，零偏不稳定性为2.3 μgn[12]。

由于沿灵敏轴运动时，离面加速度计的质量块与固定基板不在同一平面，因此为了追求高灵敏度，离面加速度计常采用不同于面内加速度计的设计方法，即将梁的厚度减薄，使质量块更易在离面方向获得较大的位移[13～16]。2013年，浙江大学提出了一种基于蟹形梁结构的非对称式离面光栅加速度计，灵敏度可达1 676 V/gn[14]。但这种非对称式结构会带来较大的交叉轴串扰，从而影响加速度计的精度进一步提高；当检测方式的灵敏度、分辨率越高时，这种干扰越不能忽略。为了抑制交叉轴干扰，文献[15]设计了具有对称式双层蟹形梁结构的加速度计。但由于加工过程中存在工艺误差[17]，完全对称的梁结构加工难度较高。文献[16]提出了利用绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)片制作对称式双层梁结构的方案，并成功制作出样机。然而，利用湿法腐蚀释放梁结构的过程中会对质量块造成侧蚀，制得的结构尺寸会与设计方案有较大出入，极易影响器件性能。因此，设计并制作一种原理可行、工艺可行的抑制交叉轴干扰的离面式加速度计是非常有必要的。

纳米光栅检测方式因具有高灵敏度、高线性度、高分辨率、强抗电磁干扰能力等特点，被广泛应用于地震检测、桥梁震动检测等精密测量仪器中，具有良好的应用前景。同时，纳米光栅加速度计不需要像电容式、磁阻式加速度计一样额外供电，这就意味着加工时不需要制作引线及电极，工艺过程较为简单，成品率高。本文主要对双层纳米光栅离面式加速度计展开研究。

1 双光栅离面加速度计设计

1.1 双光栅检测位移工作原理

双层纳米光栅位移测量原理图如图1所示。

图1 双层光栅位移测量原理

用激光垂直照射一个周期性光栅，在其后方特定距离D内会出现如图2所示的由多个自成像组成的三角区域，这种效应称为泰伯(Talbot)效应。泰伯像区域D计算公式为

(1)

式中N为光栅周期数，ZT为相邻两个泰伯像的距离，可通过下式计算得到

(2)

式中n为泰伯像级次，d为光栅常数，λ为光源波长。

图2 泰伯像三角区域

根据光栅泰伯效应，在激光透过第一层固定光栅后，将第二层可动光栅放在第一层光栅的泰伯像区域D内，可动纳米光栅沿离面方向运动，两层光栅之间发生相对位移，使得光通过双层光栅后光强发生图3(a)所示的变化；当双光栅结构应用于加速度计，可动光栅在离面方向周期往复运动时，探测器会探测到如图3(b)所示正弦式的光强变化，通过测量光强的变化能够实现对加速度的检测。

图3 双光栅离面运动光强变化示意

1.2 结构设计

本文设计的离面加速度计如图4所示。加速度计由三层结构组成，分别为上层光栅层、中层加速度计—光栅层以及下层玻璃层，两层光栅分别制作在上层与中层，三层结构通过键合形成真空密闭的三明治型加速度计。

图4 离面加速度计结构示意

上层结构使用玻璃做衬底，不但可使入射光几乎无损耗地通过，还可以保护制作在其下表面的周期性光栅。为了避免可见光干扰，测试系统所用的入射光为红外光，由于红外光可透过硅衬底，如果不加以处理使其未经光栅就进入探测器，将会对测试结果造成干扰。因此,在上层的下表面铺设有金属Al，可将干扰的入射光反射。中层加速度计—光栅层由硅制成。离面加速度计采用高灵敏的蟹形梁结构，其上表面是与上层光栅同周期、无相位差的光栅，作为可动光栅使用。下层玻璃层主要用于器件真空键合。

2 交叉轴干扰对双光栅离面加速度计的影响

传统离面加速度计设计中，常采用图5所示的非对称式质量块结构。这种结构中间是一个较大的质量块，四根蟹形悬臂梁位于质量块的边缘，一般比质量块略薄，这样当加速度计受到离面的力时，质量块更易产生较大的位移。

图5 非对称式质量块示意

建立具有非对称式质量块的加速度计模型，并对该模型进行仿真。当对该加速度计z轴方向(即离面方向)施加1gn加速度时，加速度计正常工作，仿真结果如图6(a)所示，产生的最大位移为5.2×10-8m。由于对光栅加速度计性能测试需要搭建光学平台，要使入射光垂直入射，离面加速度计的初始放置位置必须与光学平台垂直，此时加速度计会受到面内方向的重力加速度。因此,本文利用重力场法[18]对该离面加速度计的交叉轴灵敏度进行仿真，仿真结果如图6(b)所示。

图6 非对称式加速度计仿真侧视图

从仿真结果可得，结构受到面内方向的1个重力加速度后，质量块发生扭曲并围绕中心轴产生旋转，最大位移处达到4.2×10-9m，仅比相同加速度下的灵敏轴位移小1个数量级。同时，质量块的扭转会使其上的可动光栅与固定光栅之间产生倾角。在Comsol中对1 319 nm入射光下周期为2 μm，占空比为1︰1，两光栅间距5 μm的双层光栅进行仿真，仿真结果如图7所示。可动光栅的偏转会影响泰伯像的效果，当可动光栅的偏转角达到5°时，光学效率会减小近50 %，这将严重影响加速度计的灵敏度。

图7 可动光栅角度偏转仿真对比

3 抗交叉轴干扰的离面加速度计设计

要想避免光栅离面加速度计交叉轴误差的影响，首先应对加速度计结构进行优化，使质量块的重心完全处于整个加速度计的中心。综合考虑加速度计灵敏度、抗过载能力、加工难度等因素，本文设计的抗交叉轴干扰的双光栅离面加速度计结构如表1及图8所示，仿真结果如图9所示。该加速度计结构灵敏度达1.1×10-6/gn，抗过载能力在300gn以上。

表1 抗交叉轴干扰的加速度计结构参数

图8 抗交叉轴干扰的加速度计结构

图9 抗交叉轴干扰的加速度计z轴施加1 gn仿真结果

为了验证全对称结构的抗交叉轴干扰能力，对y轴施加1gn加速度进行仿真，仿真结果如图10所示。从仿真结果可以看出，面内的作用力使四根梁在面内变形，但在离面方向并未产生扭转力，充分证明了全对称结构可避免交叉轴的干扰，且在1gn面内加速度下质量块偏移仅为10-10m，这些偏移虽然会使可动光栅与固定光栅产生错位，但对于周期为微米(μm)级的双层光栅来说，纳米(nm)以下的位移错位带来的影响可以忽略不计。

图10 抗交叉轴干扰的加速度计y轴施加1 gn仿真结果

4 抗交叉轴干扰的加速度计工艺设计

由于硅刻蚀的深度受刻蚀气体浓度、保护气体浓度、硅片表面洁净度、光刻胶厚度、显影时间长短等多种因素影响，即使使用相同的刻蚀参数对硅片的正、背面进行刻蚀，也不能形成完全对称的质量块结构。因此,本文设计了一种基于SOI的离面加速度计。SOI片在硅层与硅层之间增加了氧化层，由于深硅刻蚀对氧化物具有较高的选择比，当到达固定的刻蚀深度后，埋层的氧化物可以阻止刻蚀气体继续向下刻蚀；同时反应离子刻蚀(reactive ion etching,RIE)刻蚀机对硅具有较高的选择比，去除氧化层的同时不会过刻至硅层。所定制的SOI各层厚度如图11所示。SOI总厚度为100 μm，与质量块厚度相符，中间的10 μm硅层用于制作梁。

图11 SOI各层示意

加速度计工艺流程图如图12所示，共分为10大步。其中键合时使用SU—8胶，这是由于加速度计结构具有高灵敏度，所以离面方向活动范围大，需要有至少微米(μm)级的安全距离保证运动过程中中层加速度计结构与上、下层结构不会触碰。为了保证结构的对称性和加工精度，不能通过刻蚀微米级浅槽的方式形成边缘高、中间低的形状，只能通过增加支撑框架的高度来实现距离控制，目前较为经济的做法是使用胶键合的方式。SU—8胶的优势在于不仅可以实现物理键和，而且对红外光不敏感，被红外光照射不会分解；同时作为增厚剂使用时，它的厚度可达百微米。

图12 加速度计工艺流程图

工艺过程具体为：a.使用FHR溅射300 nmAl，光刻显影后使用IBE干法刻蚀去除多余的金属，形成可动光栅；b.使用ICP刻蚀机刻蚀硅至第一层氧化层，形成上半部分质量块；c.使用RIE干法刻蚀去除第一层氧化层，露出中间层的硅；d.使用STS HRM刻蚀机刻蚀硅至第二层氧化层，形成蟹形梁；e.第5步与第3步步骤相同，去除氧化层后露出最后一层硅；f.使用ICP刻蚀机进行背部刻蚀，释放出整个质量块；g.去除氧化层，形成加速度计结构；h.溅射300 nmAl并使用IBE刻蚀，形成反射层及固定光栅；i.使用SU—8胶进行上—中层结构键合；j.使用SU—8胶进行中—下层结构键合，形成真空封装下的光栅加速度计。

5 结 论

介绍了双光栅位移检测原理，在此原理基础上形成双光栅加速度计设计方案。对交叉轴干扰进行仿真，ANSYS结构仿真和COMSOL双光栅仿真结果表明，交叉轴结构与敏感轴结构灵敏度仅差1个数量级，且交叉轴带来的偏移会使双光栅离面加速度计灵敏度降低大约50 %。提出了一种灵敏度高、工艺简单的加速度计结构，并通过仿真结果证明了所提结构交叉轴受加速度作用时，不会在敏感方向产生位移，能有效避免交叉轴干扰。设计的基于SOI片的双光栅离面加速度计加工方案简单易行，可有效避免工艺误差，为研制高性能的离面加速度计提供了思路。