一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法
技术领域
1.本发明属于mems器件领域，更具体地，涉及一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法。
背景技术：
2.微电子机械系统技术(micro-electro-mechanical system，mems)的传感器作为一种惯性测量元件，具有体积小、成本低、功耗小和高集成化的优点，目前已有较为深入的研究与广泛的应用，涉及诸多领域，例如消费电子、惯性导航、振动检测和结构健康监测等。但是对于高精度传感应用或是极弱力、位移和加速度测量领域，mems加速度传感器的分辨率很大程度上受机械热噪声限制，而机械热噪声只能通过增加质量、降低频率等权衡方案优化，将会牺牲加速度传感器的带宽、量程等性能。
3.传统电容式mems加速度传感器通过准零刚度设计机械结构，机械热噪声可以达到ng/hz
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水平，但工作带宽一般在10hz以下，很大程度限制上该仪器的应用范围。对于高带宽的应用场景，如精密仪器主动隔振、超声检测和生物传感等领域，需要在khz～mhz的高宽带下检测加速度信号，要求加速度传感器分辨率达到100ng/hz
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，但高带宽条件下机械结构的热噪声往往在μg/hz
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量级以上，很难满足应用需求。
技术实现要素：
4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法，旨在解决现有微机械振子机械热噪声高的问题。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种微机械振子，包括：声子晶体结构、质量块及悬浮梁；
6.所述声子晶体结构为具有缺陷的周期性结构，所述质量块位于所述缺陷的中间，通过悬浮梁与声子晶体结构连接，以将声子晶体结构作为外框架；
7.当机械波在微机械振子上传播时，所述声子晶体结构内的缺陷会抑制驻波传播，保证微机械振子的机械品质因子。
8.可以理解的是，本发明中声子晶体结构的缺陷的形状可以不限，只要质量块能通过悬浮梁置于缺陷内即可。
9.在一个可选的示例中，所述悬浮梁和声子晶体结构采用相同的工艺一体化制备得到。
10.在一个可选的示例中，所述质量块的大小和悬浮梁的长度决定微机械振子的本征频率。
11.在一个可选的示例中，所述声子晶体结构的周期性分布参数决定其缺陷抑制驻波传播的频段，称为声子禁带；其中，微机械振子的本征频率应处于声子禁带内。
12.第二方面，本发明提供了一种f-p腔，包括：上述第一方面提供的微机械振子，并将其作为可动微镜。
13.第三方面，本发明提供一种上述第一方面所提供微机械振子的制备方法，包括以下步骤：
14.沉积sin
x
薄膜；
15.在所述sin
x
薄膜上采用mems光刻工艺刻蚀声子晶体结构、悬浮梁及质量块。
16.具体地，步骤可包括沉积：在硅晶圆上沉积sin
x
薄膜，此处硅晶圆作为薄膜的生长衬底，在薄膜上的结构被刻蚀完成后，再将硅晶圆衬底去除掉；光刻：(匀胶、曝光、显影)用于图形转移；刻蚀：在薄膜上刻出声子晶体结构、悬浮梁和质量块。
17.在一个可选的示例中，所述悬浮梁的形状为折叠梁、直梁或曲梁。
18.第四方面，本发明提供一种上述第一方面所提供微机械振子的制备方法，包括以下步骤：
19.在soi硅片的器件层上制备声子晶体结构、悬浮梁及质量块。
20.在一个可选的示例中，采用双片soi键合工艺制备双面对称分布的悬浮梁。
21.在一个可选的示例中，所述悬浮梁的形状为折叠梁、直梁或曲梁。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
23.本发明提供一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法，基于声子晶体结构设计的mems微弹簧振子，能够有效提高器件的机械品质因子，大大降低器件的机械热噪声，且能够在不牺牲其他性能的基础上降低机械热噪声。这使得结构体对真空度的要求降低，可以有效简化封装、装配要求。
24.本发明提供一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法，基于声子晶体结构设计的mems微弹簧振子，并可以将其应用到f-p腔，且进一步地能够基于f-p腔搭配相关的光学检测系统实现加速度传感器，由于微机械振子的机械品质因子较高，故可以提高加速度传感器的分辨率。另外，声子晶体结构和弹簧振子处于mems工艺的同一层，不仅能够满足自由图形的声子晶体和微弹簧振子设计，还具有加工工艺一体化的优点。
25.本发明提供一种微机械振子、f-p腔及微机械振子的制备方法，基于声子晶体结构设计的mems微弹簧振子，具有小体积、高机械q值得特性，不仅适用于光学加速度传感器，还能满足电容式加速度传感器、谐振器、微探针等诸多领域的应用需求。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的声子晶体元胞结构示意图；
27.图2是本发明实施例提供的声子晶体和微弹簧振子平面图；
28.图3是本发明实施例提供的基于soi工艺制造的微弹簧振子三维图；
29.图4是本发明实施例提供的声子晶体带隙仿真图；
30.图5是本发明实施例提供的f-p腔传感器单元截面图；
31.图6是本发明实施例提供的f-p多光是干涉测量原理图；
32.图7是本发明实施例提供的光学检测系统；
33.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为声子晶体结构体，2为声子晶体连接梁，3为声子晶体空穴，4为二维声子晶体板，5为弹簧振子折叠梁，6为质量块，7为soi硅片的氧化层，8为soi硅片的衬底层，9为声子晶体带隙，10为弹簧振子
本征频率，11为环境噪声，12为弹簧振子结构，13为f-p固定微镜，14为f-p腔，15为多光束干涉曲线，16为干涉传感的线性区间，17为光学测量的工作点，18为激光器，19为电光调制器，20为光谱仪，21为光纤衰减器，22为光纤环形器，23为光纤准直器，24为f-p腔传感单元，25为光电探测器，26为数据采集终端。
具体实施方式
34.为方便理解，下面先对本技术实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。
35.下面结合本技术实施例中的附图对本技术实施例进行描述。
36.需要说明的是，加速度是描述物体受力状态的物理量，无法直接测量，一般将加速度信息转化为位移信息，进行间接测量。弹簧振子二阶非线性系统是加速度转换为位移的理想模型，由外框架、质量块和弹簧梁组成。在实际测量过程中，难以避免引入机械噪声，源自弹簧振子结构在外界温度作用下产生的布朗热运动，其噪声等效加速度机械热噪声：
[0037][0038]
其中，a
th
为等效加速度噪声，kb为玻尔兹曼常数，t为外界环境温度，ω0为弹簧振子结构的本征频率，m为质量块质量，q为与耗散相关的品质因子。
[0039]
针对现有弹簧振子品质因子低，导致其机械热噪声限制了加速度传感器的分辨率，不足以满足精密测量和微弱信号检测应用需求，本发明提供了一种微机械振子。该发明将弹簧振子结构制备于声子晶体周期性的缺陷结构中，当机械波在结构上传播时，就会受到缺陷结构的散射，使得散射波之间出现相位的相干叠加和相消。因此，在一定频率范围内，弹簧振子中的驻波传播会被抑制。将工作频段设计在声子带隙的频段内，外界热环境所导致的噪声震动将无法被有效激发。利用结构本身的特殊设计，以声子晶体带隙的物理特性来提高弹簧振子品质因子，降低机械热噪声，解决高带宽工作下加速度传感器分辨率低的难题。
[0040]
本发明设计一种高品质因子的微机械振子，并可以将其应用到f-p腔，且进一步地能够基于f-p腔搭配相关的光学检测系统实现加速度传感器，由于微机械振子的机械品质因子较高，故可以提高f-p腔和加速度传感器的分辨率。
[0041]
具体地，本发明提供的基于声子晶体结构设计的mems加速度传感器，包括：加速度传感单元和光学检测系统。
[0042]
所述加速度传感单元，包括弹簧振子结构和f-p腔光学传感单元。其中，弹簧振子结构由质量块、悬浮梁结构和声子晶体结构，起到将加速度信号转化为位移信号的作用，具体设计为：在二维声子晶体平面内制造一个缺陷，在缺陷处使用悬浮梁连接一个质量块，将质量块悬浮于声子晶体缺陷空间，并使之能够面外方向振动；声子晶体是采用mems工艺制备的具有缺陷的周期性结构，该结构使得散射波之间出现相位的相干叠加和相消，形成声子带隙，抑制外界热环境所导致的噪声震动，提高弹簧振子品质因子。f-p腔有两面平行放置的微镜组成，弹簧振子结构的质量块作为其中一个可动微镜，利用多光束干涉位移测量，检测质量块的位移，最终实现加速度测量。
[0043]
更进一步地，可以通过调整质量块大小和梁长度设计弹簧振子的本征频率。
[0044]
更进一步地，悬浮梁作用是连接质量块和声子晶体，可以采用折叠梁、直梁、曲梁等各种形状，与声子晶体结构在同一层工艺，便于一体化加工。
[0045]
更进一步地，可以通过调整声子晶体周期性结构的设计参数使弹簧振子的工作频带处于声子带隙内。
[0046]
在一个实施例中，我们在硅片上沉积sin
x
薄膜，在sin
x
薄膜上直接使用mems光刻工艺制备声子晶体和微弹簧振子。
[0047]
在一个实施例中，我们使用soi硅片(器件层-氧化层-衬底层)在器件层一体化加工声子晶体和微弹簧振子。
[0048]
更进一步地，在soi工艺中，为提高弹簧振子模态抑制比，采用双片soi键合工艺，制备双面对称分布的悬浮梁结构。
[0049]
更进一步地，可以在f-p腔微镜表面进行镀膜，提高光学检测灵敏度。
[0050]
所述光学检测系统，包括：调制光路、传输光路和光电探测部件。其中，调制光路用于调制入射的1550nm激光波长，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点；所述传输光路用于将确定波长后的激光传输至f-p腔传感单元，通过f-p腔进行多光束干涉测量，最终将携带加速度信息的反射光通过传输光路发送至光电探测部件完成加速度测量。
[0051]
本发明将弹簧振子结构制备于声子晶体周期性的缺陷结构中，当机械波在结构上传播时，就会受到缺陷结构的散射，使得散射波之间出现相位的相干叠加和相消。因此，在一定频率范围内，弹簧振子中的驻波传播会被抑制。将工作频段设计在声子带隙的频段内，外界热环境所导致的噪声震动将无法被有效激发。利用结构本身的特殊设计，以声子晶体带隙的物理特性来提高弹簧振子品质因子，降低机械热噪声，从而提高加速度传感器分辨率性能。
[0052]
在本发明实施例中，弹簧振子结构中悬浮梁一端连接质量块，另一端与框架相连，将质量块悬浮在面内，并使之能够面外方向振动。
[0053]
在本发明实施例中，通过设置合适的周期性结构参数，可以控制声子带隙所在频段，以此调整工作频段。也就是说，可以通过特殊设计，改变声子带隙所在频段，抑制特定频段的机械波传播。
[0054]
为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于声子晶体超材料的高品质因子mems微弹簧振子，现结合附图以及具体实例详述如下：
[0055]
本发明实施例提供的一种单胞元结构如图1所示；单元胞结构包括结构六边形声子晶体结构体1、连接梁2和声子晶体空穴3，元胞可以设计为任意所需形状，调节连接梁的长度可以将声子带隙设计在工作频带。
[0056]
本发明实施例提供的基于声子晶体结构设计的mems微弹簧振子示意图如图2所示；单元胞结构通过周期性排列构成声子晶体周期性二维结构4，在声子晶体缺陷区域设计折叠梁5和质量块6组成弹簧振子结构。缺陷结构使得散射波之间出现相位的相干叠加和相消。因此，在一定频率范围内，弹簧振子中的驻波传播会被抑制，外界热环境所导致的噪声震动将无法被有效激发，有效提高微弹簧振子品质因子，降低其热噪声。
[0057]
本发明实施例提供的基于soi工艺制造的微弹簧振子三维图如图3所示，4为soi硅片的器件层制备的二维声子晶体结构层，7为soi硅片的氧化层，8为soi硅片的衬底层。采用
双片soi键合工艺，使弹簧振子上下两面均有悬浮梁，能够提高弹簧振子的模态抑制比。
[0058]
本发明实施例提供的声子晶体带隙仿真图如图4所示，9为声子带隙区域，10是为微弹簧振子基模，11为外界噪声。
[0059]
本发明实施例提供的f-p腔传感器单元如图5所示，弹簧振子结构12的质量块作为可动微镜，与固定微镜13平行放置构成f-p腔14。质量块在外界加速度作用下，会产生上下运动，从而改变腔长，进而引起干涉相位变化，最终表现为输出光强度波动。
[0060]
本发明实施例提供的光学f-p腔干涉测量原理如图6所示，光在两个端镜之间反射传播，形成多光束干涉光场，起反射光的光谱曲线15呈现处一系列的干涉峰。加速度传感过程利用干涉峰一侧高灵敏度的线性区间16，只需锁定激光波长在工作点17，质量块在外界加速度下的运动将使干涉峰产生频移，导致输出光强度发生改变。
[0061]
本发明实施例提供的加速度光学检测方案如图7所示，1550nm单频激光器18作为传感光源，电光调制器19能够在小范围调节光路中激光的波长，便于激光波长失谐锁定腔谐振峰。光谱仪20用来实时检测光路中的光波长，光纤衰减器21用于调节光路中光强度，光纤环形器22和光纤准直器23一起将光入射到传感f-p腔24进行传感并收集携带加速度信息的反射光，送至光电探测器25，通过信号采集端26进行记录和分析。
[0062]
应当理解的是，可以在本技术中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本技术中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
[0063]
此外，在本技术中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“a和/或b”可以包括a，可以包括b，或者可以包括a和b这二者。
[0064]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。