一種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，包括：鍵合基板、支撐框體、約瑟夫遜器件、彈性梁、質量塊和壓敏電阻。本實用新型的有益效果在于將約瑟夫遜器件與硅壓阻集成,可將加速度信號轉換為補償嚴格一致的電流臺階信號，結構合理，靈敏度高,數字化輸出,檢測電路簡單，使用方便、可靠性好、適合微型化。可有效解決高過載型傳感器存在的低靈敏度、低有效分辨率、高檢測閾值下限等難題。
【專利說明】—種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微慣性導航技術相關領域，具體而言，涉及一種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式微機械加速度計。
【背景技術】
[0002]隨著微機械系統(MEMS)技術的發(fā)展，其具備成本低、體積小、易批量化生產和可集成性好等特點，越來越受到人們的關注，在民用及軍事領域得到了廣泛的應用。但由于關鍵性能指標的限制，微機械傳感器在軍事、航天、航空等尖端領域還沒有得到充分的應用。其中，靈敏度及量程是微機械傳感器有待提高的關鍵指標，利用主流原理制造的傳感器，其靈敏度的提高均依賴于結構剛度的減小，高靈敏度伴隨著小量程、低過載。
[0003]硅壓阻效應加速度傳感器的基本原理是懸臂梁自由端的質量塊受加速度作用時懸臂梁受到到彎矩作用產生應力，使電阻阻值發(fā)生變化，要提高量程勢必要提高梁的剛度，相應的會降低其分辨率。當高過載傳感器低輸入時產生的電阻變化很小，對應橋路輸出約為50_200nV/g，基本上被電路噪聲所淹沒。也就是說，硅壓阻效應加速度傳感器高過載與高靈敏存在矛盾:要實現高過載就必須要放棄對低g值得檢測。
[0004]我們曾提出將約瑟夫遜效應應用于壓阻效應檢測可實現微弱應力的高精度檢測(實用新型專利申請?zhí)?CN201210058424.4)，通過約瑟夫遜器件將壓阻電橋輸出的微弱直流能量信號轉變成交流能量信號，通過對交流能量信號的頻率檢測可實現對直流信號的精確檢測，其分辨率較傳統方式檢測可提高2-3個數量級。針對加速度計的應用需求，我們期望加速度計具有工藝簡單，信噪比高，檢測方便的特性。研究發(fā)現由超導材料鈮，即Nb，作為超導層組成的S-1-S型約瑟夫遜結具有更好的易用性及工藝可行性，可用磁控濺射蒸發(fā)系統來制備，相對分子束外延技術更具低成本優(yōu)勢?！耙弧弊中渭s瑟夫遜結結構相對“十”字形結結構對微波輻射要求低，工藝更加易行，更適合作為MEMS加速度計的敏感結構，同時，約瑟夫遜結的電流臺階效應的數字式臺階計數檢測相對于相對交流約瑟夫遜效應的交流頻率檢測檢測成本更低，更容實現高精度檢測。
實用新型內容
[0005]本實用新型旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。
[0006]有鑒于此，本實用新型需要提供微機械加速度計，該微機械加速度計為基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式微機械加速度計，至少可以提高微機械加速度計的檢測精度，尤其是高過載下的檢測精度。
[0007]本實用新型提供了一種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式微機械加速度計，包括:鍵合基板，支撐框體，支撐框體設在鍵合基板上方并與鍵合基板相連接；彈性梁，彈性梁用于支撐加速度計的質量塊，兩端分別連接支撐框體和質量塊，彈性梁上表面與支撐框體和質量塊上表面平行，且其厚度小于質量塊厚度；質量塊，質量塊通過彈性梁固定在支撐框體中間，且厚度小于支撐框體厚度；多組壓敏電阻，每組壓敏電阻包括四個壓敏電阻，其中兩個壓敏電阻設在彈性梁根部，另兩個壓敏電阻設在支撐框體上，且位于支撐框體與彈性梁相連接的鄰近區(qū)域；和多組約瑟夫遜器件，每組約瑟夫遜器件位于支撐框體上表面，且與支撐框體上表面布置的兩個壓敏電阻鄰近，與各彈性梁位置對應。
[0008]根據本實用新型實施例的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式微機械加速度計，將約瑟夫遜器件與硅壓阻集成，利用約瑟夫遜效應的伏安突變特性來測量硅壓阻引起的電壓變化，將輸入加速度轉化為電流的臺階式變化，通過電流臺階計數即可實現加速度的數字式精確檢測，結構合理，靈敏度高，數字化輸出，檢測電路簡單，使用方便、可靠性好、適合微型化。可有效解決高過載型傳感器存在的低靈敏度、低有效分辨率、高檢測閾值下限等難題。
[0009]根據本實用新型的一個實施例，所述的約瑟夫遜器件由硅襯底、二氧化硅、超導金屬層、約瑟夫遜結、超導金屬層、電壓輸入正極、電壓輸入負極組成；在硅襯底上制作有二氧化硅層，二氧化硅層上淀積有超導金屬層，超導金屬層上制作有約瑟夫遜結，約瑟夫遜結上淀積有超導金屬層，超導金屬層連接有電壓輸入正極，超導金屬層連接有電壓輸入負極。
[0010]所述的約瑟夫遜器件的結構材料層由硅襯底層、二氧化硅層、鈮層、氧化鉛層、鈮層組成；在硅襯底層上制作有二氧化硅層，即SiO2層，在二氧化硅層上制作有鈮層，即Nb層，在鈮層上制作有氧化鋁層、即Al2O3層，在氧化鋁層上制作有鈮層、即Nb層。
[0011]根據本實用新型的一個實施例，所述的約瑟夫遜器件采用“一”字形S-1-S結構，即超導金屬一絕緣層一超導金屬。相對于“十”字形S-1-N-S結構工藝更加簡便，更適合應用于微機械加速度計。
[0012]根據本實用新型的一個實施例，所述的質量塊為“十”字形，質量塊短邊為長邊的1/6，可有效降低微機械加速度計高階模態(tài)的影響。
[0013]根據本實用新型的一個實施例，所述的四個壓敏電阻摻雜濃度相同，結構尺寸相同，但布置方向不同，相鄰的兩個布置方向相差90°，即阻值大小互為相反數，相對的兩個布置方向一致，即阻值大小相同。
[0014]根據本實用新型的一個實施例，所述的四個壓敏電阻連接成惠斯通電橋電路，其橋路輸出端連接于約瑟夫遜器件的電壓輸入正極、電壓輸入負極，其中電流流經電流臺階檢測裝置。所述電流臺階檢測裝置為用于檢測加速度計輸出信號的裝置，通過判斷電流上升沿角度實現臺階計數，無需獲得精確電流值，可實現數字式檢測。
[0015]根據本實用新型的一個實施例，所述的壓敏電阻和約瑟夫遜器件分別有四組，位置分別與四個彈性梁相對。應用時選用其中一組或所有，以提高加速度計的成品率或可靠性。
[0016]本實用新型的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]本實用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0018]圖1為本實用新型實施例的整體結構圖；
[0019]圖2為本實用新型實施例的整體結構的俯視圖；[0020]圖3為本實用新型實施例的圖2的A-A剖面圖
[0021]圖4為本實用新型實施例的質量塊俯視圖；
[0022]圖5為本實用新型實施例的約瑟夫遜器件立體結構圖；
[0023]圖6為本實用新型實施例的約瑟夫遜器件側視圖；
[0024]圖7為本實用新型實施例的約瑟夫遜器件結構圖；
[0025]圖8為本實用新型實施例的約瑟夫遜器檢測原理圖；
[0026]圖9為本實用新型實施例的檢測原理示意圖；
[0027]圖中所示，附圖標記清單如下:
[0028]1、鍵合基板，2、支撐框體，3、質量塊，4、彈性梁，5、約瑟夫遜器件，6-9、壓敏電阻，10、桂襯底，11、二氧化桂，12、超導金屬層，13、約瑟夫遜結，14、超導金屬層，15、電壓輸入正極，16、電壓輸入負極，17、硅襯底層，18、二氧化硅層，19、鈮層，20、氧化鉛層，21、鈮層，22-23、質量塊短邊，24、質量塊長邊。
【具體實施方式】
[0029]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
[0030]在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、
“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。
[0031]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0032]約瑟夫遜效應是庫伯電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層時發(fā)生的量子力學隧道效應。當直流電流通過超導隧道結時，只要電流值低于某一臨界電流I。，則與一塊超導體相似，隧道結上不存在任何電壓，即流過隧道結的是超導電流。如果超過臨界電流值I。，隧道結上即出現一個有限的電壓，隧道結的性狀過渡到正常電子的隧道特性。用外加微波信號激勵約瑟夫遜結，令ω￡=ηο^時，約瑟夫遜電流中將包含一些直流分量，這時在約瑟夫遜結的ι-v特性曲線上，有一系列的恒壓電流臺階出現，臺階間隔為
，約瑟夫遜頻率一電壓轉換關系為
[0033]Vs = ^
[0034]式中——為微波激勵信號的角頻率；h= /2 π (為普朗克常量)。此式為約瑟夫遜頻率一電壓轉換關系式。這個關系式是普遍適用的，當激勵信號頻率一定是，其1-V關系中電流臺階的步長嚴格一致。因此，只要得到臺階個數η就能精確得到電壓值。將約瑟夫遜效應和硅壓阻式加速度檢測方式相結合，并應用于微機械加速度計的檢測方面，可實現加速度的數字式檢測，降低信號檢測難度，提高微機械加速度計的檢測精度。
[0035]以下結合附圖對本實用新型做進一步說明:
[0036]如圖1-2所示，根據本實用新型的實施例的基于約瑟夫遜效應微機械加速度計，包括:鍵合基板I;支撐框體2，支撐框體2設在鍵合基板I上方并與鍵合基板I相連接；約瑟夫遜器件5，約瑟夫遜器件5位于支撐框體2上表面，與支撐框體2上表面布置的壓敏電阻6，9鄰近，且與各彈性梁4位置對應；彈性梁4用于支撐加速度計的質量塊3，兩端分別連接支撐框體2和質量塊3，彈性梁4上表面與支撐框體2和質量塊3上表面向平行，且彈性梁4的厚度小于質量塊3的厚度；質量塊3通過彈性梁固定在支撐框體中間，且質量塊3厚度小于支撐框體2厚度；和壓敏電阻6，7，8，9，其中壓敏電阻8，9設在彈性梁4根部，壓敏電阻6，7設在支撐框體(2)上，且位于支撐框體(2)與彈性梁(4)相連接的鄰近區(qū)域。
[0037]需要注意的是，所述的壓敏電阻6，7，8，9摻雜濃度相同，結構尺寸相同，但布置方向不同，相鄰的兩個布置方向相差90°，即阻值大小互為相反數，相對的兩個布置方向一致，即阻值大小相同。其中，壓敏電阻8，9處于彈性梁4的根部區(qū)域，即彈性梁4產生應變的最明顯區(qū)域，壓敏電阻6，7、約瑟夫遜器件5制作于支撐框體2上，要求壓敏電阻6，7、約瑟夫遜器件5不能受外界應變的影響。
[0038]壓敏電阻6，7，8，9和約瑟夫遜器件5分別有四組，位置分別與四個彈性梁4相對。應用時選用其中一組或所有，以提高加速度計的成品率或可靠性。
[0039]如圖3所示，根據本實用新型的一個實施例，彈性梁4的厚度小于質量塊3厚度，質量塊3的厚度小于支撐框體2的厚度，以保證彈性梁為慣性力最為敏感的結構，同時在慣性力的作用下能沿Z軸上下移動。
[0040]具體而言，當基于約瑟夫遜效應微機械加速度計在有微弱加速度輸入時，彈性梁4感知慣性力的大小并相應發(fā)生形變，彈性梁4根部制作的壓敏電阻6，7，8，9將力學信號轉變成電學信號。
[0041 ] 如圖4所示，根據本實用新型的一個實施例，質量塊2為“十”字形，質量塊短邊22，23為長邊24的1/6，以降低微機械加速度計高階模態(tài)的影響。
[0042]如圖5-6所示，根據本實用新型的一個實施例，約瑟夫遜器件5采用“一”字形S-1-S結構，即超導金屬一絕緣層一超導金屬，約瑟夫遜器件5由硅襯底10、二氧化硅11、超導金屬層12、約瑟夫遜結13、超導金屬層14、電壓輸入正極15、電壓輸入負極16組成；在硅襯底10上制作有二氧化硅層11，二氧化硅層11上淀積有超導金屬層12，超導金屬層12上制作有約瑟夫遜結13，約瑟夫遜結13上淀積有超導金屬層14，超導金屬層12連接有電壓輸入正極15，超導金屬層14連接接有電壓輸入負極16。
[0043]如圖7所示，根據本實用新型的一個實施例，約瑟夫遜器件5的結構材料層由硅襯底層17、二氧化硅層18、鈮層19、氧化鉛層20、鈮層21組成；在硅襯底層17上制作有二氧化硅層18，即SiO2層，在二氧化硅層18上制作有鈮層19，即Nb層，在鈮層19上制作有氧化鋁層20、即Al2O3層，在氧化鋁層20上制作有鈮層21、即Nb層。需要說明的是，在二氧化硅層18和氧化鋁層20可以采用熱氧化的方式實現以降低工藝難度，亦可有效防止勢壘層不連續(xù)造成的弱連接，氧化層的厚度約為10-100Α不等。鈮層19和鈮層21可用磁控濺射蒸發(fā)系統來制備，相對分子束外延技術更具低成本優(yōu)勢，沉積環(huán)境為高真空，蒸發(fā)方向垂直向下，在沉積過程中，需要嚴格控制成膜的質量、厚度，以避免成膜的質量和厚度影響微機械加速度計的檢測精度和靈敏度。
[0044]如圖8所示根據本實用新型的一個實施例，所述約瑟夫遜器件5在一定頻率微波輻照下可將電壓變化轉換為步長嚴格一致的電流變化，且其步長只與輻照頻率有關。
[0045]如圖9所示，根據本實用新型的一個實施例，其檢測原理為彈性梁4上的壓敏電阻6，7，8，9組成惠斯通電橋，將加速度信號轉換為電壓變化，電壓信號加載到約瑟夫遜器件5的電壓輸入正極15和電壓輸入負極16，由約瑟夫遜器件5將電壓信號轉換為臺階式變化的電流信號，通過電流臺階的計數即可得到輸入加速度的大小。
[0046]在本說明書的描述中，參考術語“ 一個實施例”、“ 一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0047]盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理解，在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特性在于，包括: 鍵合基板⑴； 支撐框體(2)，支撐框體(2)設在鍵合基板(I)上方并與鍵合基板(I)相連接； 彈性梁(4)，彈性梁(4)用于支撐加速度計的質量塊(3)，兩端分別連接支撐框體(2)和質量塊(3)，彈性梁(4)上表面與支撐框體(2)和質量塊(3)上表面平行，且其厚度小于質量塊⑶厚度； 質量塊(3)，質量塊(3)通過彈性梁(4)固定在支撐框體(2)中間，且厚度小于支撐框體⑵厚度； 多組壓敏電阻，每組壓敏電阻包括四個壓敏電阻(6，7，8，9)，其中兩個壓敏電阻(8，9)設在彈性梁(4)根部，另兩個壓敏電阻(6，7)設在支撐框體(2)上，且位于支撐框體(2)與彈性梁(4)相連接的鄰近區(qū)域； 和多組約瑟夫遜器件(5)，每組約瑟夫遜器件(5)位于支撐框體(2)上表面，且與支撐框體(2)上表面布置的兩個壓敏電阻(6，7)鄰近，與各彈性梁(4)位置對應。
2.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述的約瑟夫遜器件(5)由硅襯底(10)、二氧化硅(11)、超導金屬層(12)、約瑟夫遜結(13)、超導金屬層(14)、電壓輸入正極(15)、電壓輸入負極(16)組成；在桂襯底(10)上制作有二氧化硅層(11)，二氧化硅層(11)上淀積有超導金屬層(12)，超導金屬層(12)上制作有約瑟夫遜結(13)，約瑟夫遜結(13)上淀積有超導金屬層(14)，超導金屬層(12)連接接有電壓輸入正極(15)，超導金屬層(14)連接有電壓輸入負極(16)。
3.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述的約瑟夫遜器件(5)的結構材料層由硅襯底層(17)、二氧化硅層(18)、鈮層(19)、氧化鉛層(20)、鈮層(21)組成；在硅襯底層(17)上制作有二氧化硅層(18)，即3102層，在二氧化硅層(18)上制作有鈮層(19)，即Nb層，在鈮(19)層上制作有氧化鋁層(20)、即Al2O3層，在氧化鋁層(20 )上制作有鈮層(21)、即Nb層。
4.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述的約瑟夫遜器件(5)采用“一”字形S-1-S結構，即超導金屬一絕緣層一超導金屬。
5.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述的質量塊(2)為“十”字形，質量塊短邊(22，23)為長邊(24)的1/6。
6.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述的四個壓敏電阻(6，7，8，9)摻雜濃度相同，結構尺寸相同，但布置方向不同，相鄰的兩個布置方向相差90°，即阻值大小互為相反數，相對的兩個布置方向一致，即阻值大小相同。
7.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述四個壓敏電阻(6，7，8，9)連接成惠斯通電橋電路，其橋路輸出端連接于約瑟夫遜器件的電壓輸入正極(15)、電壓輸入負極(16)，其中電流流經電流臺階檢測裝置。
8.根據權利要求1所述的基于約瑟夫遜效應檢測的硅壓阻式加速度計，其特征在于，所述四個壓敏電阻(6，7，8，9)和約瑟夫遜器件(5)分別有四組，其中每組約瑟夫器件的位置分別與所述四個彈性梁(4)相對。
【文檔編號】G01P15/12GK203606384SQ201320699591
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月6日 優(yōu)先權日:2013年11月6日
【發(fā)明者】李孟委, 王莉, 朱京, 杜康, 白曉曉, 王琪, 劉俊 申請人:中北大學