CN114814291A - 一种半导体微光腔加速度传感器芯片及其监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体微光腔加速度传感器芯片及其监测系统和方法，属于加速度传感器技术领域，半导体微光腔加速度传感器芯片包括：沿竖直方向自上而下依次设置的镜面结构、加速度敏感结构和底层结构，所述镜面结构用于接收红外光，所述红外光穿射所述镜面结构后发生多次反射以形成多束反射光，多束反射光穿射所述镜面结构后形成多光束干涉；所述加速度敏感结构包括质量块，所述质量块可沿竖直方向移动；所述半导体微光腔加速度传感器芯片具有工作模式，在所述工作模式，所述底层结构与所述镜面结构均具有电压，以能够降低所述质量块的等效刚度，实现灵敏度调节。本发明能够实现传感器的集成度提升和量程拓展。

Description

一种半导体微光腔加速度传感器芯片及其监测系统和方法

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，具体涉及一种半导体微光腔加速度传感器芯片及其监测系统和方法。

背景技术

高性能加速度传感器是尖端装备的关键部件，在军工、民用等多个领域均具有广泛的需求与应用。根据零偏稳定性和标度因子稳定性的不同，加速度传感器一般被分为消费级、战术级、导航级和战略级四个等级。现有硅微传感器已经基本占据消费级、战术级场景应用，随着半导体微加工技术的进一步成熟，硅微加速度传感器有望向更高端市场进军。

法布里珀罗光学腔是由两块相互平行的镜面组成的光腔结构，光入射后会在光腔内形成多次反射与透射，进而发生多重反射光的干涉。这一特性可被用于制造基于微光腔的加速度传感器。然而，现有报道及专利具有量程受限、分辨率较低、智能化程度不高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体微光腔加速度传感器芯片及其监测系统和方法，以能够实现传感器的集成度提升和量程拓展。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种半导体微光腔加速度传感器芯片，所述半导体微光腔加速度传感器芯片包括：沿竖直方向自上而下依次设置的镜面结构、加速度敏感结构和底层结构，所述镜面结构用于接收红外光，所述红外光穿射所述镜面结构后发生多次反射以形成多束反射光，多束反射光穿射所述镜面结构后形成多光束干涉；所述加速度敏感结构包括质量块，所述质量块可沿竖直方向移动；所述半导体微光腔加速度传感器芯片具有工作模式，在所述工作模式，所述底层结构与所述镜面结构均具有电压，以能够降低所述质量块的等效刚度，实现灵敏度调节。

可选择地，所述加速度敏感结构和所述镜面结构构成法布里珀罗干涉腔，沿所述竖直方向，所述加速度敏感结构和所述镜面结构之间的高度为所述法布里珀罗干涉腔的腔长；所述腔长根据所述质量块的移动距离变化，所述法布里珀罗干涉腔用于根据所述腔长变化改变所述透射光和所述反射光的强度。

可选择地，所述镜面结构包括镜面主体和电极部分，所述镜面结构包括镜面主体和电极部分，所述电极部分包括多个“L”型电极，且多个“L”型电极阵列设置于所述镜面主体上，每个所述“L”型电极具有“1”部和“一”部，所述“1”部贯穿所述镜面主体设置，所述“一”部贴设与所述镜面主体靠近所述加速度敏感结构的一侧；所述“1”部构造为硅穿孔电极，所述“一”部构造为金属电极。

可选择地，所述镜面结构和所述加速度敏感结构之间还设置有绝缘层，所述绝缘层用于防止所述镜面结构和所述加速度敏感结构之间产生电气连接。

可选择地，所述加速度敏感结构还包括弹簧梁支撑件、结构框体和接触凸台，所述质量块位于所述结构框体的几何中心，所述弹簧梁支撑件连接所述质量块和所述结构框体，以用于支撑所述质量块沿竖直方向上的移动；所述接触凸台支撑于所述结构框体和所述底层结构之间，以用于给所述质量块提供活动空间。

可选择地，所述底层结构包括底层主体、铝层和外部电极，所述底层结构靠近所述加速度敏感结构的一侧构造为电极面，所述铝层和所述外部电极均设置于所述电极面上，并且，所述铝层同时连接所述接触凸台和所述外部电极，以通过所述铝层贯通所述外部电极和所述加速度敏感结构。

可选择地，所述底层主体构造为U型主体，所述U型主体上设置有2个第一金属电极，2个所述第一金属电极均布于所述U型主体的底部且间隔设置，所述第一金属电极用于接收静电偏置电压，所述U型主体的两个端部用于设置所述铝层和外部电极。

可选择地，所述铝层和所述接触凸台连接以形成封闭结构，所述外部电极位于所述封闭结构之外，且所述外部电极具有多个，多个所述外部电极间隔设置。

本发明还提供一种加速度监测系统，所述加速度监测系统包括上述的基于半导体微光腔的半导体微光腔加速度传感器芯片，还包括：相干光源和光强检测模块，所述相干光源用于发出红外光，所述光强检测模块包括增敏单元且用于接收所述透射光和所述反射光以生成光强检测结果，并对所述光强检测结果进行处理；所述增敏单元用于分别对所述镜面结构和所述底层结构施加静电偏置电压。

本发明还提供一种根据上述的加速度监测系统的加速度监测方法，所述监测方法包括：

S1：控制相干光源发射红外光；

S2：利用加速度传感器对所述红外光进行处理，得到所述加速度传感器的腔长变化量和多光束干涉；

S3：控制所述光强检测模块接收所述腔长变化量和所述多光束干涉，得到光强检测结果；

S4：判断所述光强检测结果是否达到预设检测阈值，若是，返回步骤S1；否则，分别对所述镜面结构和所述底层结构施加静电偏置电压后返回步骤S1。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用法布里珀罗干涉腔对位移的高度敏感性，完成了更高灵敏度的加速度测量；

2、利用静电偏置刚度软化效应，实现加速度传感器的灵敏度可调。

3、能够实现MEMS与ASIC结合的方式，将传感单元与电路单元相结合，以提升系统的集成度。

附图说明

图1为本发明所提供的半导体微光腔加速度传感器芯片的结构示意图；

图2为本发明所提供的加速度监测系统的结构示意图；

图3为本发明所提供的加速度敏感结构的结构示意图；

图4为本发明所提供的半导体微光腔加速度传感器芯片的工作原理示意图。

附图标记说明

1-镜面结构；11-“一”部；12-“1”部；13-光学窗；2-加速度敏感结构；21-弹簧梁支撑件；22-质量块；23-接触凸台；24-结构框体；3-底层结构；31-第一金属电极；32-铝层；33-外部电极；4-绝缘层；41-相干光源；42-光强检测模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种本发明提供一种半导体微光腔加速度传感器芯片，参考图1所示，所述半导体微光腔加速度传感器芯片包括：沿竖直方向自上而下依次设置的镜面结构1、加速度敏感结构2和底层结构3，所述镜面结构1用于接收红外光，所述红外光穿射所述镜面结构1后发生多次反射以形成多束反射光，多束反射光穿射所述镜面结构1后形成多光束干涉；所述加速度敏感结构2包括质量块22，所述质量块22可沿竖直方向移动；所述半导体微光腔加速度传感器芯片具有工作模式，在所述工作模式，所述底层结构3与所述镜面结构1均具有电压，以能够降低所述质量块的等效刚度，实现灵敏度调节。

可选择地，所述加速度敏感结构2和所述镜面结构1构成法布里珀罗干涉腔，沿所述竖直方向，所述加速度敏感结构2和所述镜面结构1之间的高度为所述法布里珀罗干涉腔的腔长；所述腔长根据所述质量块22的移动距离变化，所述法布里珀罗干涉腔用于根据所述腔长变化改变所述透射光和所述反射光的强度。

可选择地，参考图1所示，所述镜面结构1包括镜面主体和电极部分，所述电极部分包括多个“L”型电极，且多个“L”型电极阵列设置于所述镜面主体上，每个所述“L”型电极具有“1”部12和“一”部11，所述“1”部12贯穿所述镜面主体设置，所述“一”部11贴设与所述镜面主体靠近所述加速度敏感结构2的一侧；所述“1”部12构造为硅穿孔电极，所述“一”部11构造为金属电极。

此外，参考图2所示，多个“L”型电极为4个，因此，四个“一”部11之间的无电极部分形成光学窗13，光学窗13用于透过红外线，因此，光学窗13下方不布置任何电极。

可选择地，所述镜面结构1和所述加速度敏感结构2之间还设置有绝缘层4，所述绝缘层4用于防止所述镜面结构1和所述加速度敏感结构2之间产生电气连接。

当然，在本发明中，镜面结构1和加速度敏感结构2之间采用键合技术连接。

可选择地，参考图1和图3所示，所述加速度敏感结构2还包括弹簧梁支撑件21和结构框体24，所述质量块22位于所述结构框体24的几何中心，所述弹簧梁支撑件21连接所述质量块22和所述结构框体24，以用于支撑所述质量块22沿竖直方向上的移动。

这里，弹簧梁支撑件21为具有弹簧性质的支撑梁结构，一般可采用直梁、折叠梁、蛇形梁等结构，本发明不做具体限制。

参考图1，为了避免加速度敏感结构2在移动过程中与底层结构3接触，所述加速度敏感结构2还包括接触凸台23，所述接触凸台23支撑于所述结构框体24和所述底层结构3之间，以用于给所述质量块22提供活动空间。

在本发明中，加速度敏感结构2为一体化结构，且由常规MEMS制造工艺组合形成，其包括光刻、刻蚀、沉积和溅射等。

可选择地，参考图1和图2所示，所述底层结构3包括底层主体、铝层32和外部电极33，所述底层结构3靠近所述加速度敏感结构2的一侧构造为电极面，所述铝层32和所述外部电极33均设置于所述电极面上，并且，所述铝层32同时连接所述接触凸台23和所述外部电极33，以通过所述铝层32贯通所述外部电极33和所述加速度敏感结构2。

由于加速度敏感结构2为一体化结构，因此，加速度敏感结构2中的基础凸台、结构框架、弹簧梁支撑件21以及质量块22均与铝层32有电气连接，从而能够通过外部电极33接通外部电气。

可选择地，参考图1所示，所述底层主体，所述底层主体构造为U型主体，所述U型主体上设置有2个第一金属电极，2个所述第一金属电极均布于所述U型主体的底部且间隔设置，所述第一金属电极用于接收静电偏置电压，所述U型主体的两个端部用于设置所述铝层32和外部电极33。

这里，底层主体的长度方向为图2中平行于纸面的方向，且外部电极33设置于铝层32的外侧。当然，可以理解的是，本发明所表述的“外”为相对于物体表面轮廓的“内”和“外”，以底层结构3为例，其“内”为其轮廓线以内，反之为“外”。

这里，“一”部11金属电极和第一金属电极31分别与加速度敏感结构2形成第一静电电容C₁₁和第二静电电容C₃₁，电容的大小分别为：

其中，ε为介电常数，S₁₁为“一”部11金属电极正对面积，S₃₁为第一金属电极31正对面积，k为静电力常量，d₁₁为“一”部11金属电极与加速度敏感结构2的初始间距，d₃₁为第一金属电极31与加速度敏感结构2的初始间距，为质量块22在垂直方向上的位移。

当静电偏置电压被施加于“一”部11金属电极和第一金属电极31上时，会对质量块22产生相应静电力，静电力F大小为：

其中V为静电偏置电压大小。

因此，对镜面结构1和底层结构3施加静电电压V_上和V_下，因而加速度敏感结构2始终保持零电势。利用静电刚度软化效应，弹簧梁支撑件21的等效刚度降低，因此当传感器面临同等大小的加速度时，微光腔腔长将发生更明显的变化，从而增强了传感器整体的灵敏度。

并且，由于静电负刚度效应，弹簧梁支撑件21的刚度被调制并减小，且静电偏置电压越大，弹簧梁支撑件21的刚度越小，因此在同等加速度下，质量块22的位移变大，导致法布里珀罗光腔的腔长变化值增加，进而使多光束干涉光强的变化增大，起到传感器增敏效果。

可选择地，参考图2所示，所述铝层32和所述接触凸台23连接以形成封闭结构，所述外部电极33位于所述封闭结构之外，且所述外部电极33具有多个，多个所述外部电极33间隔设置。

由此，本领域技术人员能够想到的是，每个外部电极33对应连接有一个铝层32，因此，在进行具体设计时，可以设计多个接触凸台23、多个铝层32和多个外部电极33，且每个接触凸台23、铝层32和外部电极33一一对应设置。

本发明还提供一种加速度监测系统，参考图2所示，所述加速度监测系统包括上述的基于半导体微光腔的半导体微光腔加速度传感器芯片，还包括：相干光源41和光强检测模块42，所述相干光源41用于发出红外光，所述光强检测模块包括增敏单元且用于接收所述透射光和所述反射光以生成光强检测结果，并对所述光强检测结果进行处理；所述增敏单元用于分别对所述镜面结构1和所述底层结构3施加静电偏置电压。

本发明还提供一种基于上述的加速度监测系统的加速度监测方法，所述监测方法包括：

S1：控制相干光源41发射红外光；

S2：利用加速度传感器对所述红外光进行处理，参考图4所示，得到所述加速度传感器的腔长变化量和多光束干涉；

这里，红外光经镜面结构1形成的透射光在腔中经过一系列反射之后的多束反射光穿射出镜面结构1，其多束反射光和透射光形成多光束干涉，干涉光强随腔长改变而发生周期性变化。

S3：控制所述光强检测模块42接收所述腔长变化量和所述多光束干涉，得到光强检测结果；因此，光强检测模块42在接收到腔长变化量、所述透射光和所述反射光之后，能够根据腔长变化量，得出外部加速度，其透射光和反射光的光强变化量为重力加速度。

S4：判断所述光强检测结果是否达到预设检测阈值，若是，返回步骤S1；否则，分别对所述镜面结构1和所述底层结构3施加静电偏置电压后返回步骤S1。

具体对镜面结构1的“一”部11和底层结构3的第一金属电极31施加静电偏置电压V_上与V_下，这样，能够增强传感器灵敏度，使传感器能够检测的分辨率大幅提升3～5倍。

具体原理为：施加静电偏置电压后，加速度敏感结构2始终保持零电势，利用静电刚度软化效应，弹簧梁支撑件21的等效刚度降低，因此当传感器面临同等大小的加速度时，法布里珀罗干涉腔的腔长将发生更明显的变化，从而增强了传感器整体的灵敏度。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用法布里珀罗干涉腔对位移的高度敏感性，完成了更高灵敏度的加速度测量；

2、利用静电偏置刚度软化效应，实现加速度传感器的灵敏度可调。

3、能够实现MEMS与ASIC结合的方式，将传感单元与电路单元相结合，以提升系统的集成度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述半导体微光腔加速度传感器芯片包括：

沿竖直方向自上而下依次设置的镜面结构(1)、加速度敏感结构(2)和底层结构(3)，

所述镜面结构(1)用于接收红外光，所述红外光穿射所述镜面结构(1)后发生多次反射以形成多束反射光，多束反射光穿射所述镜面结构(1)后形成多光束干涉；

所述加速度敏感结构(2)包括质量块(22)，所述质量块(22)可沿竖直方向移动；所述半导体微光腔加速度传感器芯片具有工作模式，在所述工作模式，所述底层结构(3)与所述镜面结构(1)均具有电压，以能够降低所述质量块(22)的等效刚度，实现灵敏度调节。

2.根据权利要求1所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述加速度敏感结构(2)和所述镜面结构(1)构成法布里珀罗干涉腔，沿所述竖直方向，所述加速度敏感结构(2)和所述镜面结构(1)之间的高度为所述法布里珀罗干涉腔的腔长；

所述腔长根据所述质量块(22)的移动距离变化，所述法布里珀罗干涉腔用于根据所述腔长变化改变所述透射光和所述反射光的强度。

3.根据权利要求1所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述镜面结构(1)包括镜面主体和电极部分，所述电极部分包括多个“L”型电极，且多个“L”型电极阵列设置于所述镜面主体上，每个所述“L”型电极具有“1”部(12)和“一”部(11)，所述“1”部(12)贯穿所述镜面主体设置，所述“一”部(11)贴设与所述镜面主体靠近所述加速度敏感结构(2)的一侧；所述“1”部(12)构造为硅穿孔电极，所述“一”部(11)构造为金属电极。

4.根据权利要求1所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述镜面结构(1)和所述加速度敏感结构(2)之间还设置有绝缘层(4)，所述绝缘层(4)用于防止所述镜面结构(1)和所述加速度敏感结构(2)之间产生电气连接。

5.根据权利要求1所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述加速度敏感结构(2)还包括弹簧梁支撑件(21)、结构框体(24)和接触凸台(23)，所述质量块(22)位于所述结构框体(24)的几何中心，所述弹簧梁支撑件(21)连接所述质量块(22)和所述结构框体(24)，以用于支撑所述质量块(22)沿竖直方向上的移动；所述接触凸台(23)支撑于所述结构框体(24)和所述底层结构(3)之间，以用于给所述质量块(22)提供活动空间。

6.根据权利要求5所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述底层结构(3)包括底层主体、铝层(32)和外部电极(33)，所述底层结构(3)靠近所述加速度敏感结构(2)的一侧构造为电极面，所述铝层(32)和所述外部电极(33)均设置于所述电极面上，并且，所述铝层(32)同时连接所述接触凸台(23)和所述外部电极(33)，以通过所述铝层(32)贯通所述外部电极(33)和所述加速度敏感结构(2)。

7.根据权利要求6所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述底层主体构造为U型主体，所述U型主体上设置有2个第一金属电极(31)，2个所述第一金属电极(31)均布于所述U型主体的底部且间隔设置，所述第一金属电极(31)用于接收静电偏置电压，所述U型主体的两个端部用于设置所述铝层(32)和外部电极(33)。

8.根据权利要求6或7所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，其特征在于，所述铝层(32)和所述接触凸台(23)连接以形成封闭结构，所述外部电极(33)位于所述封闭结构之外，且所述外部电极(33)具有多个，多个所述外部电极(33)间隔设置。

9.一种加速度监测系统，其特征在于，所述加速度监测系统包括根据权利要求1-8中任意一项所述的半导体微光腔加速度传感器芯片，还包括：相干光源(41)和光强检测模块(42)，所述相干光源(41)用于发出红外光，所述光强检测模块(42)包括增敏单元且用于接收所述透射光和所述反射光以生成光强检测结果，并对所述光强检测结果进行处理；所述增敏单元用于分别对所述镜面结构(1)和所述底层结构(3)施加静电偏置电压。

10.一种根据权利要求9中所述的加速度监测系统的加速度监测方法，其特征在于，所述监测方法包括：

S1：控制相干光源(41)发射红外光；

S2：利用加速度传感器对所述红外光进行处理，得到所述加速度传感器的腔长变化量和多光束干涉；

S3：控制所述光强检测模块(42)接收所述腔长变化量和多光束干涉，得到光强检测结果；

S4：判断所述光强检测结果是否达到预设检测阈值，若是，返回步骤S1；否则，分别对所述镜面结构(1)和所述底层结构(3)施加静电偏置电压后返回步骤S1。

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