[发明专利]提高法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片模态分离比的结构

说明书

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种提高法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片模态分离比的结构，包括固定镜面、可动镜面和支承座，所述可动镜面包括MEMS弹簧质量结构和第二光学薄膜；所述MEMS弹簧质量结构包括双层支撑梁结构、MEMS质量块和固定框架，所述双层支撑梁结构呈全对称设置；所述第二光学薄膜设置于MEMS质量块上。本发明能明显的提高芯片面外扭转模态频率和面外振动模态频率的比值，可显著抑制非敏感轴方向加速度信号作用下MEMS质量块面外扭转造成的交叉灵敏度以及对传感器灵敏度和量程的影响，保证了法布里珀罗腔固定镜面和可动镜面的平行度，也解决了测量过程中模态相互干扰的问题。

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体为一种提高法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片模态分离比的结构。

背景技术

加速度传感器可实现加速度、速度、位置的测量，是汽车安全、地震检测、惯性导航等应用领域的关键部件。近些年，由于微纳制造技术的飞速发展以及该技术可大批量生产、价格低廉、良率高等固有优势，具有精度高、体积小、功耗低等优点的MEMS加速度传感器正在逐步占据传统的加速度传感器的市场，成为了加速度传感器的一大类。随着人们对MEMS加速度传感器性能要求的进一步提高，人们将光学检测技术和MEMS结构集成于一体形成光学MEMS加速度传感器，该种加速度传感器具有很高的灵敏度和检测精度，同时具有抗电磁干扰等优点。

在现在的工业应用中，实用化的光学MEMS加速度传感器大多是光纤MEMS加速度传感器，其特点是光纤作为导光介质与MEMS结构相结合。但是该种类型的光学MEMS加速度传感器灵敏度较低，并且其光源体积较大，不符合传感器微型化、集成化的方向。集成式光学MEMS加速度传感器将光源、光学系统和MEMS结构集成在一起，解决了光纤式光学加速度传感器在性能、成本、体积上的问题，受到了人们越来越多的关注。

法布里珀罗光学MEMS加速度传感器是一种重要的集成式光学MEMS加速度传感器类型，其核心元件是法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片，该敏感芯片对MEMS质量块的平面内运动和旋转不敏感，影响敏感芯片交叉灵敏度的主要因素是MEMS质量块作为可动镜面在受到加速度时的平面外旋转。同时这种平面外的旋转也会导致法布里珀罗腔的可动镜面和固定镜面之间产生夹角，使加速度传感器的灵敏度和量程发生变化。然而如果面外扭转模态的谐振频率接近加速度传感器工作频带，那么极易激励出面外扭转模态，对加速度传感器的测量产生不利影响。所以在现有的微制造水平下，如何设计出一种提高法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片模态分离比的结构，解决其在测量过程中模态相互干扰和交叉灵敏度的问题，成了传感器芯片设计过程中必须面对的一个难题。

论文《Analysis and amelioration about the cross-sensitivity of a highresolution MOEMS accelerometer based on diffraction grating》根据该种需要设计了一种具有薄壁支撑梁结构的加速度敏感芯片并且分析了交叉轴串扰对光栅式MEMS加速度计的影响，该芯片的单层薄壁支撑梁结构的重心和MEMS质量块的重心不在同一个平面上，导致模态抑制比较小，存在明显的交叉轴串扰的现象，为了进一步提高性能，该论文最后提出了将芯片的单层薄壁支撑梁结构的重心和MEMS质量块的重心布置在同一个平面上的改进方案，论文《Design,Optimization,and Realization of a High-PerformanceMOEMS Accelerometer From a Double-Device-Layer SOI Wafer》则进一步拓展了上述论文的改进思路，利用双器件层SOI晶圆制造出一款MOEMS芯片，其加速度位移灵敏度为158.2μm/g，模态抑制比为5.309。从该论文的实验结果来看，采用该种结构方案，所能达到的模态分离比还是较低，需要进一步的改进。