一种微机械振子、F-P腔及微机械振子的制备方法技术

本发明专利技术提供一种微机械振子、F

【技术实现步骤摘要】
一种微机械振子、F
‑
P腔及微机械振子的制备方法


[0001]本专利技术属于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。

技术介绍

[0002]微电子机械系统技术(Micro
‑
Electro
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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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种微机械振子、F
‑r/>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。
[0005]为实现上述目的，第一方面，本专利技术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；
[0006]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；
[0007]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。
[0008]可以理解的是，本专利技术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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种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。
[0013]第三方面，本专利技术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：
[0014]沉积SiN
x
薄膜；
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]第四方面，本专利技术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：
[0019]在SOI硅片的器件层上制备声子晶体结构、悬浮梁及质量块。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]总体而言，通过本专利技术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：
[0023]本专利技术提供一种微机械振子、F
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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。
[0024]本专利技术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
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P腔，且进一步地能够基于F
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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。
[0025]本专利技术提供一种微机械振子、F
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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
[0026]图1是本专利技术实施例提供的声子晶体元胞结构示意图；
[0027]图2是本专利技术实施例提供的声子晶体和微弹簧振子平面图；
[0028]图3是本专利技术实施例提供的基于SOI工艺制造的微弹簧振子三维图；
[0029]图4是本专利技术实施例提供的声子晶体带隙仿真图；
[0030]图5是本专利技术实施例提供的F
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P腔传感器单元截面图；
[0031]图6是本专利技术实施例提供的F
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P多光是干涉测量原理图；
[0032]图7是本专利技术实施例提供的光学检测系统；
[0033]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
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P固定微镜，14为F
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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
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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
[0034]为方便理解，下面先对本申请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。
[0035]下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
[0036]需要说明的是，加速度是描述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微机械振子，其特征在于，包括：声子晶体结构、质量块及悬浮梁；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；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。2.根据权利要求1所述的微机械振子，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的微机械振子，其特征在于，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。4.根据权利要求1或3所述的微机械振子，其特征在于，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。5.一种F
‑
P腔，...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦世民，刘骅锋，马怡秋，周泽兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：