一种GaN光机械微盘加速度传感器及其制备方法

一种gan光机械微盘加速度传感器及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种gan光机械微盘加速度传感器及其制备方法，属于光学加速度传感器技术领域。


背景技术：

2.加速度计是用于测量由于地球万有引力作用或者物体运动而导致的加速度，可以将加速度转化为易于测量分析的输出信号的传感器件。加速度计是惯性导航系统中核心关键器件之一，在航天、航空、军事上都有着广泛应用。
3.光学加速度计具有微型化、低成本、高灵敏度和避免电磁噪声积累的特点，兼具光学测量和硅基微加工的双重优势，基于光学原理，敏感质量块在加速度作用下的位移会引起干涉、衍射等光学特性的变化,通过监测光学指标实现加速度测量。由于光学手段位移测量精度较高,对电路噪声免疫,故光学式加速度计具有极高的灵敏度和分辨率。光学加速度计已被证明提供了优越的位移分辨率，抗电磁干扰能力强。但是目前的硅光光学加速度计主要采用硅或氮化硅材料来作为传感部件制备，但由于这些材料本身不能发光，整个系统需要整合额外的光源，器件无法小型化，难以实现高密度的光电集成。
4.另外，传统微机械加速度计的结构由敏感质量，挠性臂，电位器，弹簧、阻尼器和壳体组成。其原理是当有加速度输入时，敏感质量受惯性力作用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使电位器的电阻值发生变化，通过检测电信号来测量加速度的大小。这样会存在以下不足：容易受到电学噪声的干扰，灵敏度和分辨率较低且量程较小。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种gan光机械微盘加速度传感器及其制备方法，能够减小电学噪声的干扰，加速度传感器的灵敏度和分辨率更高，量程更大。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种gan光机械微盘加速度传感器，包括硅衬底层，所述硅衬底层包括底部支撑层，所述底部支撑层上一体连接设置有第一支撑部，第二支撑部和第三支撑部，所述第一支撑部，第二支撑部和第三支撑部上端分别设置有第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘，所述第一氮化物圆盘与所述第二氮化物圆盘之间设置有一体连接的悬空连接梁，所述第三氮化物圆盘位于所述第一氮化物圆盘与所述第二氮化物圆盘之间，所述悬空连接梁、第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘均由上下设置的氮化铝层和氮化镓层构成。
8.所述第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘的直径为40μm。
9.所述氮化镓层的厚度为2μm。
10.所述悬空连接梁的长度为100μm，宽度为5μm。
11.所述第三氮化物圆盘距所述悬空连接梁距离为200～300nm。
12.一种gan光机械微盘加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：
13.将硅衬底氮化物外延片经清洗后，用氮气枪吹干，其中硅衬底氮化物从下往上包括硅衬底层、氮化铝层和氮化镓层，然后使用匀胶机在外延片上面旋涂光刻胶层；
14.采用光学光刻技术，在光刻胶层上定义悬空连接梁、第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘的图形结构；
15.采用iii-v族电感耦合等离子体刻蚀技术，根据定义出的图形图形结构向下采用刻蚀溶液刻蚀氮化镓层和氮化铝层，刻蚀直至硅衬底层的上表面，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶；
16.采用各向同性湿法刻蚀技术，采用刻蚀溶液从底部刻蚀硅衬底层，形成第一支撑部，第二支撑部和第三支撑部。
17.光刻胶层旋涂转速为3000～4500转/分钟，旋涂时间为40～50秒，光刻胶层厚度为1～1.5μm。
18.刻蚀溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1～1:10的混合溶液。
19.本发明的有益效果：本发明提供的一种gan光机械微盘加速度传感器及其制备方法，通过氮化物材料制备的，氮化物作为ⅲ族氮化物宽禁带半导体的代表，与前两代半导体相比具有显著的性能优势，它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力；氮化镓有源微腔自身发光，与传感部件梁进行耦合获得共振频率，通过频差来感知加速度，能够避免电学噪声的干扰，由于微腔的增益特性，微腔激光线宽更窄，梁的高灵敏度机械应变，确保加速度传感器的高分辨率，高灵敏度；本发明结构尺寸小，更有利于实现片上加速度传感器。
附图说明
20.图1为本发明gan光机械微盘加速度传感器的侧视结构示意图；
21.图2为本发明gan光机械微盘加速度传感器的俯视结构示意图；
22.图3为本发明gan光机械微盘加速度传感器制备方法的工艺流程图；
23.图中附图标记如下：1-硅衬底层；2-氮化铝层；3-氮化镓层；4-悬空连接梁；5-第一氮化物圆盘；6-第二氮化物圆盘；7-第三氮化物圆盘；11-底部支撑层；12-第一支撑部；13-第二支撑部；14-第三支撑部。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
25.如图1和图2所示，本发明公开一种gan光机械微盘加速度传感器，该器件以硅基氮化物外延片为载体，包括硅衬底层1、氮化铝层2和氮化镓层3，硅衬底层1为硅基材料，氮化镓层3的厚度为2μm。本发明中gan作为第三代半导体，物理性质稳定，耐腐蚀耐高温，能够适应高温强酸强碱的极端环境，重要的是具有良好光学特性和机械特性。综合gan的光学和机械特性。
26.硅衬底层1包括底部支撑层11，底部支撑层11上形成一体连接的第一支撑部12，第二支撑部13和第三支撑部14，第一支撑部12，第二支撑部13和第三支撑部14上端分别设置
有第一氮化物圆盘5、第二氮化物圆盘6和第三氮化物圆盘7。第一氮化物圆盘5、第二氮化物圆盘6和第三氮化物圆盘7的直径为40μm。氮化物圆盘微腔结构下方由硅衬底层1的支撑部起到支撑作用，使得氮化物圆盘微腔结构悬空。
27.第一氮化物圆盘5与第二氮化物圆盘6之间设置有一体连接的悬空连接梁4，悬空连接梁4的长度为100μm，宽度为5μm。第三氮化物圆盘7位于第一氮化物圆盘5与第二氮化物圆盘6之间，靠近悬空连接梁4，第三氮化物圆盘7距悬空连接梁4距离为200～300nm。悬空连接梁4、第一氮化物圆盘5、第二氮化物圆盘6和第三氮化物圆盘7均由上下设置的氮化铝层2和氮化镓层3构成。
28.本发明的工作原理为：当加速度负载时，gan光机械微盘加速度传感器悬空连接梁4发生机械应变使其振动，带动第三氮化镓圆盘7发生共振，通过检测加速度加载和未加载时gan光机械微盘加速度传感器整体结构的共振频差来感知加速度的大小。
29.如图3所示，本发明还公开一种gan光机械微盘加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：
30.步骤一，将硅衬底氮化物外延片经丙酮、无水乙醇和去离子水一次超声清洗后，用氮气枪吹干，其中硅衬底氮化物从下往上包括硅衬底层1、氮化铝层2和氮化镓层3，然后使用匀胶机在外延片上面(氮化镓层3表面)旋涂光刻胶层。光刻胶层旋涂转速为3000～4500转/分钟，旋涂时间为40～50秒，光刻胶层厚度为1～1.5μm。
31.步骤二，采用光学光刻技术，在光刻胶层上定义如图1和图2所示的悬空连接梁4、第一氮化物圆盘5、第二氮化物圆盘6和第三氮化物圆盘7的图形结构，光刻机型号为ma6。
32.步骤三，采用iii-v族电感耦合等离子体刻蚀技术，根据定义出的图形图形结构向下采用刻蚀溶液刻蚀氮化镓层3和氮化铝层2，其中，刻蚀溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1～1:10的混合溶液，刻蚀直至硅衬底层1的上表面，从而将上述定义出的图形结构向下转移至外延片的氮化物层中，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶。
33.步骤四，采用各向同性湿法刻蚀技术，采用刻蚀溶液从gan光机械微盘加速度传感器微腔结构底部刻蚀硅衬底层1，其中，刻蚀溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1～1:10的混合溶液，形成第一支撑部12，第二支撑部13和第三支撑部14，获得由硅柱支撑的悬空gan光机械微盘加速度传感器微腔结构。
34.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种gan光机械微盘加速度传感器，其特征在于：包括硅衬底层(1)，所述硅衬底层(1)包括底部支撑层(11)，所述底部支撑层(11)上一体连接设置有第一支撑部(12)、第二支撑部(13)和第三支撑部(14)，所述第一支撑部(12)、第二支撑部(13)和第三支撑部(14)上端分别设置有第一氮化物圆盘(5)、第二氮化物圆盘(6)和第三氮化物圆盘(7)，所述第一氮化物圆盘(5)与所述第二氮化物圆盘(6)之间设置有一体连接的悬空连接梁(4)，所述第三氮化物圆盘(7)位于所述第一氮化物圆盘(5)与所述第二氮化物圆盘(6)之间，所述悬空连接梁(4)、第一氮化物圆盘(5)、第二氮化物圆盘(6)和第三氮化物圆盘(7)均由上下设置的氮化铝层(2)和氮化镓层(3)构成。2.根据权利要求1所述一种gan光机械微盘加速度传感器，其特征在于：所述第一氮化物圆盘(5)、第二氮化物圆盘(6)和第三氮化物圆盘(7)的直径为40μm。3.根据权利要求1所述一种gan光机械微盘加速度传感器，其特征在于：所述氮化镓层(3)的厚度为2μm。4.根据权利要求1所述一种gan光机械微盘加速度传感器，其特征在于：所述悬空连接梁(4)的长度为100μm，宽度为5μm。5.根据权利要求1所述一种gan光机械微盘加速度传感器，其特征在于：所述第三氮化物圆盘(7)距所述悬空连接梁(4)距离为200～300nm。6.一种权利要求1到5任一项所述gan光机械微盘加速度传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将硅衬底氮化物外延片经清洗后，用氮气枪吹干，其中硅衬底氮化物从下往上包括硅衬底层(1)、氮化铝层(2)和氮化镓层(3)，然后使用匀胶机在外延片上面旋涂光刻胶层；采用光学光刻技术，在光刻胶层上定义悬空连接梁(4)、第一氮化物圆盘(5)、第二氮化物圆盘(6)和第三氮化物圆盘(7)的图形结构；采用iii-v族电感耦合等离子体刻蚀技术，根据定义出的图形图形结构向下采用刻蚀溶液刻蚀氮化镓层(3)和氮化铝层(2)，刻蚀直至硅衬底层(1)的上表面，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶；采用各向同性湿法刻蚀技术，采用刻蚀溶液从底部刻蚀硅衬底层(1)，形成第一支撑部(12)，第二支撑部(13)和第三支撑部(14)。7.根据权利要求6所述一种gan光机械微盘加速度传感器的制备方法，其特征在于：光刻胶层旋涂转速为3000～4500转/分钟，旋涂时间为40～50秒，光刻胶层厚度为1～1.5μm。8.根据权利要求6所述一种gan光机械微盘加速度传感器的制备方法，其特征在于：刻蚀溶液是氢氟酸和稀硝酸配比为1:1～1:10的混合溶液。

技术总结
本发明公开了一种GaN光机械微盘加速度传感器及其制备方法，传感器包括硅衬底层，硅衬底层的底部支撑层上形成一体连接的第一支撑部、第二支撑部和第三支撑部，第一支撑部、第二支撑部和第三支撑部上端分别设置有第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘，第一氮化物圆盘与第二氮化物圆盘之间设置有一体连接的悬空连接梁，第三氮化物圆盘位于第一氮化物圆盘与第二氮化物圆盘之间，悬空连接梁、第一氮化物圆盘、第二氮化物圆盘和第三氮化物圆盘均由上下设置的氮化铝层和氮化镓层构成。本发明提供的一种GaN光机械微盘加速度传感器及其制备方法，能够避免电学噪声的干扰，加速度传感器的灵敏度和分辨率更高，量程更大。更大。更大。


技术研发人员：朱刚毅 马迪 秦飞飞 冀宝剑 田沐霏 梁金星
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/21