一种微机电加速度计及其制备方法与流程

本发明属于精密测量物理技术领域，更具体地，涉及一种微机电加速度计及其制备方法。

背景技术：

微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，最早的微机电器件可追朔至1966年。近年来，由于重力辅助导航、地球物理勘探等技术发展的需要，以及空间探测中系统小型化的要求，高性能的微机电系统器件开始进入精密测量领域。例如美国航天局计划发射的洞察号火星探测器中就携带了由英国帝国理工大学研制的高性能微震仪。该微震仪在0.1hz处的分辨率优于10ng/√hz，而在其谐振频率附件的分辨率达到了惊人的2ng/√hz(参考文献：w.t.pikeetal.,aself-levellingnano-gsiliconseismometer,ieeesensor,pp.1599-1602,2014)。

美国sandia国家实验室利用多晶硅外延沉积法在mems加速度计中集成了亚微米尺度的光栅，他们采用光栅干射的方法进行了面内位移高精度检测，位移探测精度可达到50fm/√hz@10mhz，这个测量精度完全能够满足重力梯度的测量需求(参考文献：u.krishnamoorthyetal.,in-planemems-basednano-gaccelerometerwithsub-wavelengthopticalresonantsensor.sensorsandactuatorsaphysical,vol.145-146,pp.283–290,2008)。

在资源勘探中，欧美多家公司研制的基于mems加速度计的探测系统，其测试水平已经优于20ng/√hz，其产品不仅广泛应用于常规的石油天然气勘探开发，而且成功应用于新兴的、国家重点发展的油气勘探业务如页岩气、致密砂岩气和煤层气等非常规油气勘探。

虽然传统的器件能够达到更高的分辨率，然而考虑到空间探测中飞行器搭载的限制以及野外考察中诸多条件的限制，显然体积更小，功耗更低，重量更轻的mems器件在空间探测以及资源勘探中具有传统器件无法比拟的优势。然而mems器件一个重要的缺陷就是因为检验质量过小而引起的热噪声水平居高不下。此类mems器件的机械热噪声与弹簧-振子的本征频率的平方根呈反比例关系，它的探测灵敏度也与本征频率呈现反比关系，所以降低系统的本征频率是有效地提高mems惯性器件性能的手段。

2016年3月英国格拉斯哥大学在《nature》杂志上报到了他们的最新研究成果(参考文献：h.rymer,gravitymeasurementsonchips,nature,vol.531,pp.585-586,2016)，他们用基于mems技术制成的重力仪测量了地球的固体潮汐信号，它的本征频率达到了令人惊讶的2.3hz，这可以极大地降低了测量的本底噪声。

公开号为us8,950,263b2公开了一种基于折叠摆(foldedpendulum，fp)的金属挠性加速度计。此种加速度计的检验质量与一正摆弹簧和一倒摆弹簧相连接，此设计在重力环境下利用重力对检验质量的作用使得折叠摆中的倒摆弹簧产生负刚度，通过正负刚度之间的调节获得较低的本征频率。由于此类设计的负刚度的来源完全依靠重力对检验质量作用与倒摆弹簧上产生，如果检验质量过小或者质心对于倒摆的影响不足的时候就很难获得较低的本征频率。意大利萨莱诺大学(universityofsalerno)提出了一种在检验质量上外加可移动的附件质量的方法进行质心的调节(参考文献：faustoacerneseetal.,mechanicalmonolithicaccelerometerforsuspensioninertialdampingandlowfrequencyseismicnoisemeasurement,journalofphysics:conferenceseries122,012012,2008)。而在某些微重力环境下或者非正常重力环境下，检验质量无法对倒摆弹簧行程有效的作用，公开号为us9,256,000b2的美国专利公开了一种在检验质量以及加速度计外框架上安装永久磁极的调节方式。该设计用磁力取代重力的作用实现在任何环境中进行本征频率的调节。而这些设计在mems器件中通常难以实现，而从限制了其在mems中的应用。此类应用在mems领域尚未开展，许多设计与制备方面的共性问题存在许多空白，如果要将mems技术应用在重力测量领域，这些问题也是亟待解决的。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微机电加速度计及其制备方法，旨在解决将折叠摆应用于微机电加速度计时，检验质量过小而无法进行有效的本征频率调节的情况，以及在非正常重力环境下，加速度计的检验质量无法有效作用于倒摆弹簧，而引起的负刚度调节失效的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种微机电加速度计，包括：检验质量、正摆弹簧与倒摆弹簧；

所述检验质量与正摆弹簧和倒摆弹簧相连接，所述正摆弹簧和倒摆弹簧分布在所述检验质量的两侧，所述检验质量在所述正摆弹簧和倒摆弹簧的约束下受外界力的作用而运动，检验质量的质心位置或者检验质量所受的等效重力加速度可以用于对微机电加速度计的本征频率进行调节；所述检验质量上制备有密绕导电线圈，当所述密绕导电线圈通电流时，在垂直与所述密绕导电线圈方向的磁场的作用下，所述检验质量的等效质心位置或者所受的等效重力加速度发生变化，以调节微机电加速度计的本征频率。

具体地，检验质量的质心位置或者检验质量所受的等效重力加速度为影响微机电加速度计的本征频率的因素之一。

可选地，所述磁场垂直与所述检验质量所处的平面，检验质量的敏感轴方向为所述微机电加速度计在受到外界作用时检验质量最容易发生位移的方向，所述磁场作用于通电流的密绕导电线圈所产生的洛伦兹力的方向与所述检验质量处于同一平面且与所述敏感轴方向垂直。

可选地，检验质量的等效重力加速度方向与检验质量处于同一平面内，且与敏感轴方向垂直。

其中，检验质量的等效重力加速度的方向可以与当地重力加速度方向重合，也可不与其重合。也就是说，本发明提供的微机电加速度计能够在微重力环境下或者重力异常环境下使用，可进一步增加折叠摆式微机电加速度计的引用范围，为其在一些恶劣环境中工作提供的保障。

可选地，所述密绕导电线圈通电流时，其电流信号分别通过正摆弹簧和倒摆弹簧上的引线引入和引出，或其电流信号分别通过倒摆弹簧和正摆弹簧上的引线引入和引出。

可选地，所述密绕导电线圈覆盖所述检验质量的表面，所述磁场根据需要选择所覆盖的所述密绕导电线圈的区域。其中，可根据实际需要设计所述密绕线圈的尺寸以及其所覆盖的检验质量的区域。

可选地，所述磁场通过磁极加载或者通过通电螺线圈的方式加载。

第二方面，本发明提供了一种上述第一方面提供的微机电加速度计的制备方法，所述检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧均通过硅基底制备而成，包括以下步骤：

(1)在硅基底上通过沉积、刻蚀或者剥离的工艺制备金属种子层，制备所述金属种子层过程用到第一光刻胶掩膜，所述第一光刻胶掩膜的设计与所述密绕导电线圈回路的位置、密绕导电回路的引入和引出位置相关；

(2)利用光刻对准技术，在金属种子层上制备图形化的第二光刻胶掩膜，所述第二光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模；

(3)通过在金属种子层上电镀得到所述密绕导电线圈回路及其引入、引出导电线；

(4)电镀完成后，去除所述第二光刻胶掩膜；

(5)在硅基底背面利用电子束热蒸发的方式沉积铝膜作为刻蚀截止层；

(6)利用光刻对准技术在硅基底正面制备沉积刻蚀所用的第三光刻胶掩模，并对所述硅基底进行干法深硅刻蚀，以得到检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧，所述第三光刻胶掩膜的设计与检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧的位置相关；

(7)去除所述第三光刻胶掩模和所述铝膜；

(8)将所述检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧安装至外框架以得到所述微机电加速度计。

可选地，所述步骤(1)包括如下步骤：

(1-1)采用热蒸发或者溅射镀膜的方式先后在所述硅基底上端沉积铬膜和金膜；

(1-2)在所述金膜上制备图形化的第一光刻胶掩膜，所述第一光刻胶掩膜的布局与所述密绕导电线圈回路的位置、密绕导电回路的引入和引出位置对应；

(1-3)湿法刻蚀去除多余的铬和金，剥离第一光刻胶掩膜。

可选地，所述步骤(2)包括如下步骤：

(2-1)将硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面并进行旋涂；

(2-2)烘干硅基底表面的光刻胶；

(2-3)将步骤(2-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(2-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(2-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的第二光刻胶掩膜。

可选地，所述步骤(6)包括如下步骤：

(6-1)将硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面并进行旋涂；

(6-2)烘干硅基底表面的光刻胶；

(6-3)将步骤(6-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(6-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(6-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的第三光刻胶掩膜。

(6-5)采用感应耦合等离子体硅刻蚀系统对硅基片正面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，以得到检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧。

可选地，该制备方法还包括：在与检验质量的敏感轴垂直的方向安装两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈，所述两组磁场的方向由密绕导电回路中电流方向决定，所述两组磁场用于作用于通电流的密绕导电线圈，以使得所产生的洛伦兹力的方向所述检验质量处于同一平面且与所述检验质量的敏感轴方向垂直，所述两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈的位置不固定。

其中，密绕导电线圈可以设计为回字路结构线圈，两组磁极方向反向的磁极或通电螺线圈的位置可分别对应密绕导电线圈中电流方向相反的位置，以使得两组磁极或者通电螺线圈作用得到的电磁力方向相同，可以叠加。

本发明所构思的技术方案与现有的技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明将传统的金属折叠摆式加速度计中的本征频率调解方案引入折叠摆微机电加速度计中，使折叠摆的负刚度能够最大化，有利于整个系统的本征频率到达一极低值。

2、本发明利用电磁力进行检验质量的等效质心调节或者检验质量所受的等效重力加速度的调节，克服了微机电加速度计由于检验质量过小，而引起的调节力度不够的缺点。

3、本发明利用电磁力进行等效质心调节时，不受外界重力场影响，该调解方案能够在微重力环境下或者重力异常环境下使用，可进一步增大折叠摆式微机电加速度计的引用范围，为其在一些恶劣环境中工作提供的保障。

4、本发明所用的利用电磁力调节检验质量等效质心的调解方案的制备工艺为微机械加工中的常用工艺，易于实现，不会引起工艺兼容性问题，可以实现工业化。

5、本发明通过位置不固定的两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈，可有效且方便地的实现了微机电加速度计的本征频率调节，极大的增加了折叠摆式微机电加速度计的应用范围。

6、本发明提供的利用密绕导电线圈和外加磁场调控检验质量质心的方法也能够应用于其它微机电器件的本征频率调节中，极大地增强了微机电器件的应用范围。

附图说明

图1为本发明提供的微机电加速度计的正视图；

图2为本发明提供的微机电加速度计的侧视图；

图3为本发明提供的微机电加速度计的俯视图；

图4为本发明提供的微机电加速度计的制备方法流程图；

图5为本发明提供的微机电加速度计的制备加工方法流程示意图，其中(a)为硅基底及电镀种子层，(b)为在硅基底上制作电镀倒模，(c)为种子层电镀，(d)为去掉硅基底上的电镀倒模，(e)为在硅基底背面沉积刻蚀截止层，(f)为利用光刻对准技术在硅基底正面制备光刻胶掩模和进行干法深硅刻蚀，(g)为去除硅基底正面光刻胶掩模及硅基底背面沉积刻蚀截止层，(h)为安装磁极；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为折叠摆式微机电加速度计外框，2为正摆弹簧和倒摆弹簧，3为检验质量，4为密绕金属线圈，5为密绕导电线圈引入及引出电极，6为穿过密绕导电线圈的磁力线，7为磁极，8为密绕导电线圈所受电磁力，9为硅基底，10为电镀金属种子层，11为电镀倒模，12为干法深硅刻蚀截止层，13为干法深硅刻蚀光刻胶掩模。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用的方案为通过电磁力取代重力进行调节加速度计敏感部分的等效质心，以调节加速度计的本征频率。加速度计的敏感部分为一可移动的检测单元，该单元包括检验质量、正摆弹簧与倒摆弹簧，该检验质量同时与正摆弹簧及倒摆弹簧相连接。可移动单元可根据被具体需要采用湿法或者干法刻蚀制备。检验质量上通过微机械加工的方法制备线宽以及间距可严格控制的密绕导电线圈，在工作时，加速度计外部通过加载磁场的方式，并同时在密绕导电线圈中通以电流，此时产生的电磁力平行于硅片表面且垂直于可移动单元的敏感轴方向，进行检验质量等效质心的调节或者检验质量所受的等效重力加速度的调节。可移动单元的敏感轴方向即为检验质量的敏感轴方向，检验质量的敏感轴方向为微机电加速度计在受到外界作用时检验质量最容易发生位移的方向。检验质量的等效质心或者等效重力加速度通过电磁力的作用，在正摆弹簧与倒摆弹簧上产生不同的效果，产生正负刚度，从而进行本征频率的调节。

优选地，密绕导电线圈的电信号引出通过正摆弹簧与倒摆弹簧上的金属走线引入与引出。

优选地，外部加载的磁场可以是覆盖整个线圈绕制区域，也可以是覆盖部分线圈绕制区域。

优选地，外部磁场的加载方式可以是通过永久磁铁(磁极)加载，也可以是通过通电螺线圈的方式加载。

本发明通过在检验质量上引入密绕导电线圈以及在外部加载磁场的方式进行等效质心或者等效重力加速度的调节，其目的在于解决折叠摆式微机电加速度计检验质量过小或者在外部重力场异常时无法对检验质量的质心无法有效调节的情况。折叠摆式加速度计的简化模型是一个正摆与倒摆的组合，每个摆上各连接一个检验质量，倒摆在运动时通过检验质量在重力场的作用下产生负刚度效应，从而是整个系统拥有较低的本征频率。现有的折叠摆式微振仪通常在检验质量上进行附加质量调节，使得检验质量的质心发生变化，进行正刚度与负刚度之间调节。

然而，对于微机电器件而言，在已经制备好的器件上进行附加质量的调节拥有较大的难度，而且整个过程为一个不可逆过程，调节难度很大。电磁力作为微机电器件上通常使用的力平衡形式则可以用在此类型器件的设计中，在系统的检验质量上制备金属线圈，通过外加磁场的方式产生电磁力。通过线圈位置以及通以电流的大小实现对电磁力施加位置以及大小的调节，并以此充当附加质量在重力作用下对质心的调节功能，或者直接将电磁力产生的加速度等效为重力加速度对正负刚度进行调节，得到较低的系统刚度。

图1、图2以及图3分别为本发明提供的微机电加速度计的正视图、侧视图以及俯视图；如图1至图3所示，本发明提供的微机电加速度计包括：折叠摆式微机电加速度计外框1、正摆弹簧和倒摆弹簧2、检验质量3、密绕金属(导电)线圈4、密绕导电线圈引入及引出电极5、穿过密绕导电线圈的磁力线6以及磁极7。其中，密绕导电线圈所受电磁力可如图2中标记8所指的方向。其中，由于密绕导电线圈4与检验质量3为一体，因此，在密绕导电线圈4所有电磁力8的作用下，检验质量3的等效质心将发生变化。

其中，检验质量3与正摆弹簧2和倒摆弹簧2相连接，正摆弹簧和倒摆弹簧分布在检验质量3的两侧，检验质量在正摆弹簧和倒摆弹簧的约束下受外界力的作用而运动，检验质量的质心位置决定微机电加速度计的本征频率；检验质量上制备有密绕导电线圈，当密绕导电线圈通电流时，在垂直与密绕导电线圈方向的磁场的作用下，检验质量的等效质心位置发生变化或者等效重力加速度发生变化，以调节微机电加速度计的本征频率。

可选地，磁场垂直与检验质量的敏感轴方向，敏感轴方向为微机电加速度计在受到外界作用时检验质量最容易发生位移的方向，磁场作用于通电流的密绕导电线圈所产生的洛伦兹力的方向与所述检验质量处于同一平面且与敏感轴方向垂直。

可选地，检验质量的等效重力加速度方向与其处于同一平面且与其敏感轴方向垂直。

可选地，密绕导电线圈通电流时，其电流信号分别通过正摆弹簧和倒摆弹簧上的引线引入和引出，或其电流信号分别通过倒摆弹簧和正摆弹簧上的引线引入和引出。

可选地，密绕导电线圈覆盖质量单元的表面，磁场根据需要选择所覆盖的密绕导电线圈的区域。

可选地，磁场通过磁极加载或者通过通电螺线圈的方式加载。

图4为本发明提供的微机电加速度计的制备方法流程图；其中，检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧均通过硅基底制备而成，如图4所示，本发明提供的微机电加速度计的制备方法包括以下步骤：

(1)在硅基底上通过沉积、刻蚀或者剥离的工艺制备金属种子层，制备所述金属种子层过程用到第一光刻胶掩膜，所述第一光刻胶掩膜的设计与所述密绕导电线圈回路的位置、密绕导电回路的引入和引出位置相关。

其中，金属种子层可以为cr或au，硅基底的厚度可以为500μm，具体可参照图5(a)所示，其中，9为硅基底，10为电镀金属种子层。

(2)利用光刻对准技术，在金属种子层上制备图形化的第二光刻胶掩膜，所述第二光刻胶掩膜被用作限制电镀位置的倒模，具体可参照图5(b)所示，11为电镀倒模。

(3)通过在金属种子层上电镀得到所述密绕导电线圈回路及其引入、引出导电线，具体可参照图5(c)所示；可选地，电镀时电流密度为0.2安培/平方分米，电镀时间为30分钟，电镀厚度为3微米。

(4)电镀完成后，去除所述第二光刻胶掩膜，如图5(d)所示。

(5)在硅基底背面利用电子束热蒸发的方式沉积铝膜作为刻蚀截止层，如图5(e)所示，12为干法深硅刻蚀截止层。

其中，铝膜的厚度可以为500纳米。

(6)利用光刻对准技术在硅基底正面制备沉积刻蚀所用的第三光刻胶掩模，并对所述硅基底进行干法深硅刻蚀，以得到检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧，所述第三光刻胶掩膜的设计与检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧的位置相关，如图5(f)所示，13为干法深硅刻蚀光刻胶掩模。

(7)去除所述刻蚀所用的光刻胶掩模和所述铝膜，如图5(g)所示，具体地，可用丙酮去除图形化的光刻胶掩膜，用质量分数为4％的氢氧化钠溶液腐蚀去除铝膜。

(8)将检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧安装至外框架以得到所述微机电加速度计，如图5(h)所示，具体地，在折叠摆式微机电加速度计上方和下方安装两组反向的磁极。

可选地，步骤(1)包括如下步骤：

(1-1)采用热蒸发或者溅射镀膜的方式先后在所述硅基底上端沉积铬膜和金膜。

其中，铬膜和金膜的厚度分别为50纳米和200纳米。

(1-2)在所述金膜上制备图形化的第一光刻胶掩膜，所述第一光刻胶掩膜的布局与所述密绕导电线圈回路的位置、密绕导电回路的引入和引出位置对应。

(1-3)湿法刻蚀去除多余的铬和金，剥离第一光刻胶掩膜。

可选地，步骤(2)包括如下步骤：

(2-1)将硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面并进行旋涂。

其中，光刻胶可以为az9260，旋涂方式可以为：设定匀胶机的转速为1500转/分钟，开始旋转，旋转120秒后停止。

(2-2)烘干硅基底表面的光刻胶。

具体地，将匀胶完成的硅片置于加热台上，用120℃的温度前烘3min。

(2-3)将步骤(2-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(2-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(2-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的第二光刻胶掩膜。

具体地，可配置体积比为1:4的az400k显影液与水的混合液，将完成光刻的硅片置于混合溶液中显影8分钟。

可选地，步骤(6)包括如下步骤：

(6-1)将硅基底置于匀胶机转盘上，将光刻胶倒于硅片表面并进行旋涂。

其中，光刻胶可以为az9260，旋涂方式可以为：设定匀胶机的转速为1500转/分钟，开始旋转，旋转120秒后停止。

(6-2)烘干硅基底表面的光刻胶；

(6-3)将步骤(6-2)得到的硅基底置于对准光刻机中，安装光刻掩模，并进行光刻；

(6-4)配置显影液与水的混合液，将步骤(6-3)得到的硅基底置于混合溶液中显影，随后将所述硅基底取出，并用去离子水清洗后用氮气枪吹干，最终得到图形化的第三光刻胶掩膜。

(6-5)采用感应耦合等离子体硅刻蚀系统对硅基片正面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片，以得到检验质量、正摆弹簧以及倒摆弹簧。

具体地，可采用英国oxford公司生产的plasmaproicp感应耦合等离子体硅刻蚀系统对硅基片正面进行感应耦合等离子体干法刻蚀，刻穿硅基片。

可选地，在与检验质量的敏感轴垂直的方向安装两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈，所述两组磁场的方向由密绕导电回路中电流方向决定，所述两组磁场用于作用于通电流的密绕导电线圈，以使得所产生的洛伦兹力的方向与所述敏感轴方向相同，所述两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈的位置不固定。

其中，参照图1所示，密绕导电线圈可以设计为回字路结构线圈，两组磁极方向反向的磁极或通电螺线圈的位置可分别对应密绕导电线圈中电流方向相反的位置，以使得两组磁极或者通电螺线圈作用得到的电磁力方向相同，可以叠加。本发明提供的微机电加速度计利用电磁力进行检验质量的等效质心调节，克服了微机电加速度计由于检验质量过小，而引起的调节力度不够的缺点。本发明利用电磁力进行调节时，不受外界重力场影响，该调解方案能够在微重力环境下或者重力异常环境下使用，可进一步增大折叠摆式微机电加速度计的引用范围，为其在一些恶劣环境中工作提供的保障。

本发明提供的微机电加速度计的制备工艺为微机械加工中的常用工艺，易于实现，不会引起工艺兼容性问题，可以实现工业化。本发明通过位置不固定的两组磁场方向反向的磁极或通电螺线圈，可有效且方便地的实现了微机电加速度计的本征频率调节，极大的增加了折叠摆式微机电加速度计的应用范围。本发明提供的利用密绕导电线圈和外加磁场调控检验质量质心的方法也能够应用于其它微机电器件的本征频率调节中，极大地增强了微机电器件的应用范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。