一种带力平衡反馈的微光学加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种带力平衡反馈的微光学加速度计，由MEMS敏感单元，光栅单元，探测单元以及多个封装用陶瓷基板组成，并通过引线键合整体封装于金属管壳之中，MEMS敏感单元由带反射镜、下金属电极的多组弹簧

【技术实现步骤摘要】
一种带力平衡反馈的微光学加速度计


[0001]本专利技术属于微光机电系统及加速度传感器(微惯性测量)
，更具体地，涉及一种可敏感平面外加速度的支持力平衡反馈和光学位移检测的微光学加速度计。

技术介绍

[0002]由于受限于传统的电学测量方式，常规的如压阻、电容、谐振式MEMS在测量灵敏度和噪声等指标上已遇到瓶颈，无法满足高精度惯性导航、地震监测、深空深海探测等应用领域的需求。近年来，基于光学检测和MEMS工艺的光学MEMS加速度计，即微光学加速度计正逐渐走向人们的视野。MEMS工艺技术为微光学加速度计的实现提供了良好的工艺基础，另一方面光学检测方案采用了诸如光强、频率、相位以及近场效应等光学检测手段实现敏感单元的位移检测，能够提供比传统电学检测方案更为优异的位移检测分辨率。微光学加速度计具有高精度、抗电磁干扰等一系列优点，随着光子集成设计及工艺的进一步发展，其在高精度惯性测量领域将会有巨大的应用潜力。
[0003]近年来，国内外的研究机构开始对微光学加速度计进行了一定的研究。2008年美国桑迪亚国家实验室N.A.Hall等提出了一种新型光学微加速度计结构，其采用VCSEL激光源激励连接有质量块的光栅，通过探测光栅反射光的强度来测量因加速度引起的光栅位移及加速度大小，其加速度探测精度理论可达到43.7ng/Hz。2017年，浙江大学卢乾波等提出一种基于光栅干涉腔的微光学加速度计，并进行传感结构优化，实现了噪声为185.8ng/Hz的本底噪声。2019年北京航空航天大学高山等基于高斯光束的微光底噪声以及3.1ug的零偏稳定性，然而该方案最终并未实现实际的加速度计集成。随着对微机械加速度计性能的要求不断提高，对于惯导级高精度，即优于1ug的微加速度计的需求愈加迫切，而现有技术中的微光学加速度计探测灵敏度较低，工艺集成度较差且不带有闭环检测功能，尚无法满足需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种带力平衡反馈的微光学加速度计，解决了现有技术中存在的探测灵敏度，交叉轴抑制能力和工艺集成度差等问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种带力平衡反馈的微光学加速度计，由MEMS敏感单元、光栅单元、探测单元以及多个封装用陶瓷基板组成，并通过引线键合整体封装于金属管壳之中；
[0006]所述MEMS敏感单元由反射镜、下金属电极及对称分布的弹簧
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质量块结构组成；
[0007]所述光栅单元由上金属电极、多组对称分布的光栅及光栅支撑框架组成；
[0008]所述探测单元由多组呈预设形状分布的光收发组件组成，其中，多组光栅的分布形状与多组光收发组件的分布形状一致；
[0009]所述封装用陶瓷基板由带金属焊盘的下陶瓷基板、带金属焊盘的上陶瓷基板以及中空的厚陶瓷基板组成；
[0010]所述MEMS敏感单元和所述光栅单元经过金
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金键合后成为一个整体后粘接到所述带金属焊盘的下陶瓷基板的中心区域；所述探测单元粘接在所述带金属焊盘的上陶瓷基板的中心区域；所述MEMS敏感单元和所述光栅单元整体与所述探测单元隔开，间隔由所述中空的厚陶瓷基板决定。
[0011]在一些可选的实施方案中，所述弹簧
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质量块结构为多组沿圆周对称分布的悬臂梁
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质量块结构，使得所述弹簧
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质量块结构能够做面外运动；
[0012]所述反射镜和所述下金属电极均位于所述弹簧
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质量块结构的上表面，由所述MEMS敏感单元的上表面部分图形化镀金而成，其中，所述反射镜位于所述弹簧
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质量块结构上表面中心位置的质量块上，所述下金属电极位于所述弹簧
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质量块结构上表面的其他图形化部分，所述下金属电极将所述反射镜通过弹簧连接到外框架处。
[0013]在一些可选的实施方案中，所述上金属电极为所述光栅单元的下表面部分图形化镀金而成，并通过TSV工艺实现和所述光栅单元上表面的电气连接，对称分布的光栅位于所述光栅单元的中心区域，和所述MEMS敏感单元上表面的所述反射镜一起组成光栅干涉腔，干涉腔长能够随着所述弹簧
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质量块结构的运动而变化，所述光栅支撑框架为所述光栅单元的周围区域，起到光栅的支撑作用以及实现和所述MEMS敏感单元的键合工艺连接。
[0014]在一些可选的实施方案中，每一组光收发组件由一个激光器芯片和两个探测器芯片组成，且每一组光收发组件的位置与下方呈对称分布的光栅的位置一一对应，激光器芯片向下发出的激光经过光栅干涉腔后，分光对称返回到本组的两个探测器芯片靶面上，实现对光栅干涉腔腔长的位移检测。
[0015]在一些可选的实施方案中，位于所述MEMS敏感单元的下金属电极与位于所述光栅单元的上金属电极电气隔离，并通过引线键合整体封装于金属管壳中，以实现微光学加速度计的力平衡反馈回路。
[0016]在一些可选的实施方案中，位于所述光栅单元的中心区域上对称分布的光栅为沿圆周按照预设形状均匀分布的线性光栅，光栅由硅晶圆通过刻蚀出均匀间隔的线型槽来实现，实现对激光的分光和合光功能。
[0017]在一些可选的实施方案中，呈预设形状均匀分布的光栅和与之一一对应的光收发组件组成多组探测，以共同探测位于MEMS敏感单元上方的反射镜运动，以提升加速度计的交叉轴抑制比，其中，一个光栅、一个激光器芯片和两个探测器芯片构成一组探测，多组探测按照预设形状分布。
[0018]在一些可选的实施方案中，激光器芯片出射的光经过光栅到达反射镜并返回再次经过光栅后返回光束正好入射到两个探测器芯片上，其中，一组光收发组件中的激光器芯片和两个探测器芯片在一个平面内的，优选地，激光器芯片居中，两个探测器芯片对称分布在两侧，但由于激光器发射有倾角，激光器芯片和两个探测器芯片三者并不一定形成一条直线。
[0019]在一些可选的实施方案中，多组光收发组件对应的多组激光器芯片在粘接到上陶瓷基板上时引入一个预设角度的偏差和位移，使得激光器芯片的零级返回光不会返回到自身，多组激光器芯片共用一个电极驱动，多组光收发组件对应的多组探测器芯片共用一个电极驱动，实现激光器RIN噪声的抑制以及探测器共模噪声的抑制。
[0020]在一些可选的实施方案中，所述MEMS敏感单元和所述光栅单元通过金
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金键合形
成光栅干涉腔结构的工艺包括：对硅晶圆做光刻和氧化掩膜，完成梁图形制作；接着采用BOSCH工艺实现深硅刻蚀，完成弹簧
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质量块结构的制作；接着将整个MEMS敏感单元的上表面采用磁控溅射镀上金膜；接着准备带凹槽的光栅单元制作，对硅晶圆光刻后先镀上金膜然后采用慢速的刻蚀实现底部的凹槽制作；接着将带有凹槽的硅晶圆背面光刻刻蚀，实现预设形状分布的线性光栅；接着将制作好的光栅单元和MEMS敏感单元采用金
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金键合工艺对准键合在一起，形成完整的光栅干涉腔。
[0021]总体而言，通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带力平衡反馈的微光学加速度计，其特征在于，由MEMS敏感单元(1)、光栅单元(2)、探测单元(3)以及多个封装用陶瓷基板(4)组成，并通过引线键合(5)整体封装于金属管壳(6)之中；所述MEMS敏感单元(1)由反射镜(7)、下金属电极(8)及对称分布的弹簧
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质量块结构(9)组成；所述光栅单元(2)由上金属电极(10)、多组对称分布的光栅(11)及光栅支撑框架(12)组成；所述探测单元(3)由多组呈预设形状分布的光收发组件(13)组成，其中，多组光栅(11)的分布形状与多组光收发组件(13)的分布形状一致；所述封装用陶瓷基板(4)由带金属焊盘的下陶瓷基板(14)、带金属焊盘的上陶瓷基板(15)以及中空的厚陶瓷基板(16)组成；所述MEMS敏感单元(1)和所述光栅单元(2)经过金
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金键合后成为一个整体后粘接到所述带金属焊盘的下陶瓷基板(14)的中心区域；所述探测单元(3)粘接在所述带金属焊盘的上陶瓷基板(15)的中心区域；所述MEMS敏感单元(1)和所述光栅单元(2)整体与所述探测单元(3)隔开，间隔由所述中空的厚陶瓷基板(16)决定。2.根据权利要求1所述的微光学加速度计，其特征在于，所述弹簧
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质量块结构(9)为多组沿圆周对称分布的悬臂梁
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质量块结构，使得所述弹簧
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质量块结构(9)能够做面外运动；所述反射镜(7)和所述下金属电极(8)均位于所述弹簧
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质量块结构(9)的上表面，由所述MEMS敏感单元(1)的上表面部分图形化镀金而成，其中，所述反射镜(7)位于所述弹簧
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质量块结构(9)上表面中心位置的质量块(17)上，所述下金属电极(8)位于所述弹簧
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质量块结构(9)上表面的其他图形化部分，所述下金属电极(8)将所述反射镜(7)通过弹簧(18)连接到外框架(19)处。3.根据权利要求2所述的微光学加速度计，其特征在于，所述上金属电极(10)为所述光栅单元(2)的下表面部分图形化镀金而成，并通过TSV工艺实现和所述光栅单元(2)上表面的电气连接，对称分布的光栅(11)位于所述光栅单元(2)的中心区域，和所述MEMS敏感单元(1)上表面的所述反射镜(7)一起组成光栅干涉腔，干涉腔长能够随着所述弹簧
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质量块结构(9)的运动而变化，所述光栅支撑框架(12)为所述光栅单元(2)的周围区域，起到光栅的支撑作用以及实现和所述MEMS敏感单元(1)的键合工艺连接。4.根据权利要求3所述的微光学加速度计，其特征在于，每一组光收发组件(13)由一个激光器芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚远，王密信，谭红宇，王晨晟，齐志强，
申请(专利权)人：华中光电技术研究所中国船舶集团有限公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：