全光型硅微谐振式二维加速度传感器 【技术领域】
本发明属于加速度传感器技术领域，特别涉及一种全光型硅微谐振式二维加速度传感器。
背景技术
现有传统的二维加速度计是将两个一维加速度计混合组合而成，这种二维加速度计存在两个加速度计的性能一致性差、交叉耦合干扰、信号获取处理电路复杂、漂移大、体积大、成本高等问题，为此，世界各发达国家将集成的二维加速度计作为加速度计研究的热点。如美国Analog Devices公司，在1993年已生产出多晶硅表面微加工梳状电容式加速度计ADXL50系列产品(包括一维和二维)，然而由于采用表面微加工技术，器件厚度受到限制，静态电容仅为0.1pF，限制了灵敏度的提高。同时器件与单晶硅衬底之间也存在一定的寄生电容，给加速度计信号检测带来难度，而且器件所采用的多晶硅材料在淀积过程中引入的应力也在一定程度上影响到器件性能。日本丰桥大学设计的压阻式二维(三维)加速度传感器，然而压阻式加速度传感器也具有温度效应严重、工作状态不稳定、灵敏度较低等不足。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种温度稳定性好、高灵敏、高分辨率、信号处理简单的全光型硅微谐振式二维加速度传感器。
本发明目的通过以下技术方案加以实现：
全光型硅微谐振式二维加速度传感器，包括敏感结构、质量块和信号获取与处理电路，上述各部分都是以单晶硅片为基板一体化三维集成；所述的敏感结构为支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔，对称分布在质量块四周；支撑梁由四根悬臂梁、悬臂梁上的PN结和金属反射膜构成，谐振梁由单晶硅梁及其上的金属反射膜构成，信号线由单晶硅梁上的PN结引出。
由支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔长度与入射波长相匹配。
信号获取与处理电路由差分频率检测电路、放大电路组成。
全光型硅微谐振式二维加速度传感器的工作原理是，在ax作用下，质量块在x方向产生位移，带动X方向对称的谐振梁拉伸或收缩，谐振梁内应力分别为拉应力和压应力，从而引起X方向对称的谐振梁固有频率变化；在ay作用下，质量块在x方向产生位移，带动Y方向对称的谐振梁拉伸或收缩，谐振梁内应力分别为拉应力和压应力，从而引起Y方向对称的谐振梁固有频率变化。通过检测对应两个膜片地固有频率差来实现加速度的测量。
硅谐振梁的激励方式选择的是光激励：通过光生载流子产生的静电引力将光能转换为谐振梁振动的机械能。
当半导体激光器发出的激光经准直后，照射在谐振梁区，透过谐振梁照射到支撑梁上的PN结，产生光生载流子，在谐振梁与支撑梁上P区之间产生电荷堆积，在静电吸引力的作用下，谐振梁向PN结方向弯曲，谐振梁弯曲同时改变了法-珀腔中入射光束的干涉条件，减少PN结接收到的入射光强，使得静电吸引力减少，谐振梁在自身弹性力的作用下恢复到初始位置。接下来在静电力及自身弹性恢复力的作用下开始第二次振动，形成谐振。振动过程的能量损耗由入射光能补充。
谐振子信号的检测方式采用的是光拾振：通过检测PN结上的电荷充、放电就可以作为谐振子信号输出。本发明采用二极管连续工作方式或电荷存贮方式来实现对信号的检测。
本发明所具有的优点是：采用光拾振与光激励结合构成全光型硅微谐振式传感器，兼具光纤传感器的诸多优点，如：抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控，已成为硅微谐振式传感器的重要发展方向。其输出信号的是谐振频率，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路简化，降低了检测难度；具有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不易产生失真误差，功耗低；还具有灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好等优点。
【附图说明】
图1为全光型硅微谐振式二维加速度传感器示意图；
图2是图1的I部放大图。
【具体实施方式】
以下结合附图通过全光型硅微谐振式二维加速度传感器的制作过程来对全光型硅微自谐振式二维加速度传感器的结构做进一步说明：
其制作主要工艺包括两部分：核心是全光型硅微谐振式二维加速度传感器微结构的制造，然后是信号检测电路。具体描述如下：
A、全光型硅微自谐振式二维加速度传感器芯片的制作
(1)预处理0.5～5Ω·cm的n型(100)双面抛光单晶硅片，以此作为基板4；
(2)在PN结对应区域，利用常规集成电路制造技术，制作PN结利用离子注入，形成PN结7；
(3)溅射Au，返刻，形成PN结上的金属反射膜6、P区与谐振梁的连线、PN结引出线；
(4)PECVD淀积Si3N4：
(5)返刻Si3N4形成谐振梁的支撑柱孔；
(6)PECVD淀积单晶硅，形成谐振梁1；
(7)在谐振梁上溅射Au，形成金属反射膜5，完成谐振梁的制作；
(8)背面深槽刻蚀，将硅刻蚀穿，形成支撑梁2和质量块3；
(9)漂去Si3N4，释放谐振梁1，从而完成全光型硅微谐振式二维加速度传感器微结构的制作。
B、用成熟的集成电路工艺完成信号获取与处理电路。