CN103592464B - 一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，包括：键合基板、支撑框体、约瑟夫逊器件、弹性梁、质量块和压敏电阻。本发明的有益效果在于将约瑟夫逊器件与硅压阻集成,可将加速度信号转换为补偿严格一致的电流台阶信号，结构合理，灵敏度高,数字化输出,检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。可有效解决高过载型传感器存在的低灵敏度、低有效分辨率、高检测阈值下限等难题。

Description

一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式微机械加速度计。

背景技术

随着微机械***(MEMS)技术的发展，其具备成本低、体积小、易批量化生产和可集成性好等特点，越来越受到人们的关注，在民用及军事领域得到了广泛的应用。但由于关键性能指标的限制，微机械传感器在军事、航天、航空等尖端领域还没有得到充分的应用。其中，灵敏度及量程是微机械传感器有待提高的关键指标，利用主流原理制造的传感器，其灵敏度的提高均依赖于结构刚度的减小，高灵敏度伴随着小量程、低过载。

硅压阻效应加速度传感器的基本原理是悬臂梁自由端的质量块受加速度作用时悬臂梁受到到弯矩作用产生应力，使电阻阻值发生变化，要提高量程势必要提高梁的刚度，相应的会降低其分辨率。当高过载传感器低输入时产生的电阻变化很小，对应桥路输出约为50-200nV/g，基本上被电路噪声所淹没。也就是说，硅压阻效应加速度传感器高过载与高灵敏存在矛盾：要实现高过载就必须要放弃对低g值得检测。

我们曾提出将约瑟夫逊效应应用于压阻效应检测可实现微弱应力的高精度检测（发明专利申请号：CN201210058424.4），通过约瑟夫逊器件将压阻电桥输出的微弱直流能量信号转变成交流能量信号，通过对交流能量信号的频率检测可实现对直流信号的精确检测，其分辨率较传统方式检测可提高2-3个数量级。针对加速度计的应用需求，我们期望加速度计具有工艺简单，信噪比高，检测方便的特性。研究发现由超导材料铌，即Nb，作为超导层组成的S-I-S型约瑟夫逊结具有更好的易用性及工艺可行性，可用磁控溅射蒸发***来制备，相对分子束外延技术更具低成本优势。“一”字形约瑟夫逊结结构相对“十”字形结结构对微波辐射要求低，工艺更加易行，更适合作为MEMS加速度计的敏感结构，同时，约瑟夫逊结的电流台阶效应的数字式台阶计数检测相对于相对交流约瑟夫逊效应的交流频率检测检测成本更低，更容实现高精度检测。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明需要提供微机械加速度计，该微机械加速度计为基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式微机械加速度计，至少可以提高微机械加速度计的检测精度,尤其是高过载下的检测精度。本发明提供了一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式微机械加速度计，包括：键合基板，支撑框体,支撑框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；弹性梁，弹性梁用于支撑加速度计的质量块,两端分别连接支撑框体和质量块,弹性梁上表面与支撑框体和质量块上表面平行,且其厚度小于质量块厚度；质量块，质量块通过弹性梁固定在支撑框体中间,且厚度小于支撑框体厚度；多组压敏电阻，每组压敏电阻包括四个压敏电阻，其中两个压敏电阻设在弹性梁根部,另两个压敏电阻设在支撑框体上，且位于支撑框体与弹性梁相连接的邻近区域；

和多组约瑟夫逊器件，每组约瑟夫逊器件位于支撑框体上表面，且与支撑框体上表面布置的两个压敏电阻邻近，与各弹性梁位置对应。

根据本发明实施例的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式微机械加速度计,将约瑟夫逊器件与硅压阻集成,利用约瑟夫逊效应的伏安突变特性来测量硅压阻引起的电压变化，将输入加速度转化为电流的台阶式变化，通过电流台阶计数即可实现加速度的数字式精确检测，结构合理，灵敏度高,数字化输出,检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。可有效解决高过载型传感器存在的低灵敏度、低有效分辨率、高检测阈值下限等难题。

根据本发明的一个实施例，所述的约瑟夫逊器件由硅衬底、二氧化硅、超导金属层、约瑟夫逊结、超导金属层、电压输入正极、电压输入负极组成；在硅衬底上制作有二氧化硅层，二氧化硅层上淀积有超导金属层，超导金属层上制作有约瑟夫逊结，约瑟夫逊结上淀积有超导金属层，超导金属层连接有电压输入正极，超导金属层连接有电压输入负极。

所述的约瑟夫逊器件的结构材料层由硅衬底层、二氧化硅层、铌层、氧化铅层、铌层组成；在硅衬底层上制作有二氧化硅层,即SiO₂层，在二氧化硅层上制作有铌层,即Nb层，在铌层上制作有氧化铝层、即Al₂O₃层，在氧化铝层上制作有铌层、即Nb层。

根据本发明的一个实施例，所述的约瑟夫逊器件采用“一”字形S-I-S结构，即超导金属—绝缘层—超导金属。相对于“十”字形S-I-N-S结构工艺更加简便，更适合应用于微机械加速度计。

根据本发明的一个实施例，所述的质量块为“十”字形，质量块短边为长边的1/6，可有效降低微机械加速度计高阶模态的影响。

根据本发明的一个实施例，所述的四个压敏电阻掺杂浓度相同，结构尺寸相同，但布置方向不同，相邻的两个布置方向相差90°，即阻值大小互为相反数，相对的两个布置方向一致，即阻值大小相同。

根据本发明的一个实施例，所述的四个压敏电阻连接成惠斯通电桥电路，其桥路输出端连接于约瑟夫逊器件的电压输入正极、电压输入负极，其中电流流经电流台阶检测装置。所述电流台阶检测装置为用于检测加速度计输出信号的装置，通过判断电流上升沿角度实现台阶计数，无需获得精确电流值，可实现数字式检测。

根据本发明的一个实施例，所述的压敏电阻和约瑟夫逊器件分别有四组，位置分别与四个弹性梁相对。应用时选用其中一组或所有，以提高加速度计的成品率或可靠性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的整体结构图；

图2为本发明实施例的整体结构的俯视图；

图3为本发明实施例的图2的A-A剖面图

图4为本发明实施例的质量块俯视图；

图5为本发明实施例的约瑟夫逊器件立体结构图；

图6为本发明实施例的约瑟夫逊器件侧视图；

图7为本发明实施例的约瑟夫逊器件结构图；

图8为本发明实施例的约瑟夫逊器检测原理图；

图9为本发明实施例的检测原理示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、键合基板，2、支撑框体，3、质量块，4、弹性梁，5、约瑟夫逊器件，6-9、压敏电阻，10、硅衬底，11、二氧化硅，12、超导金属层，13、约瑟夫逊结，14、超导金属层，15、电压输入正极，16、电压输入负极，17、硅衬底层，18、二氧化硅层，19、铌层，20、氧化铅层，21、铌层，22-23、质量块短边，24、质量块长边。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

约瑟夫逊效应是库伯电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层时发生的量子力学隧道效应。当直流电流通过超导隧道结时，只要电流值低于某一临界电流I_c，则与一块超导体相似，隧道结上不存在任何电压，即流过隧道结的是超导电流。如果超过临界电流值I_c，隧道结上即出现一个有限的电压，隧道结的性状过渡到正常电子的隧道特性。用外加微波信号激励约瑟夫逊结，令ω_f=nω_r时，约瑟夫逊电流中将包含一些直流分量，这时在约瑟夫逊结的I-V特性曲线上，有一系列的恒压电流台阶出现，台阶间隔为 ，约瑟夫逊频率—电压转换关系为

式中：ω_r——为微波激励信号的角频率；h=ℏ/2π（ℏ为普朗克常量）。此式为约瑟夫逊频率—电压转换关系式。这个关系式是普遍适用的，当激励信号频率一定是，其I-V关系中电流台阶的步长严格一致。因此，只要得到台阶个数n就能精确得到电压值。将约瑟夫逊效应和硅压阻式加速度检测方式相结合，并应用于微机械加速度计的检测方面，可实现加速度的数字式检测，降低信号检测难度，提高微机械加速度计的检测精度。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-2所示，根据本发明的实施例的基于约瑟夫逊效应微机械加速度计，包括：键合基板1;支撑框体2,支撑框体2设在键合基板1上方并与键合基板1相连接；约瑟夫逊器件5，约瑟夫逊器件5位于支撑框体2上表面，与支撑框体2上表面布置的压敏电阻6,9邻近，且与各弹性梁4位置对应；弹性梁4用于支撑加速度计的质量块3,两端分别连接支撑框体2和质量块3,弹性梁4上表面与支撑框体2和质量块3上表面向平行,且弹性梁4的厚度小于质量块3的厚度；质量块3通过弹性梁固定在支撑框体中间,且质量块3厚度小于支撑框体2厚度；和压敏电阻6,7,8,9，其中压敏电阻8,9设在弹性梁4根部,压敏电阻6,7设在支撑框体(2)上，且位于支撑框体（2）与弹性梁(4)相连接的邻近区域。

需要注意的是，所述的压敏电阻6,7,8,9掺杂浓度相同，结构尺寸相同，但布置方向不同，相邻的两个布置方向相差90°，即阻值大小互为相反数，相对的两个布置方向一致，即阻值大小相同。其中，压敏电阻8，9处于弹性梁4的根部区域，即弹性梁4产生应变的最明显区域，压敏电阻6，7、约瑟夫逊器件5制作于支撑框体2上，要求压敏电阻6，7、约瑟夫逊器件5不能受外界应变的影响。

压敏电阻6,7,8,9和约瑟夫逊器件5分别有四组，位置分别与四个弹性梁4相对。应用时选用其中一组或所有，以提高加速度计的成品率或可靠性。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，弹性梁4的厚度小于质量块3厚度，质量块3的厚度小于支撑框体2的厚度，以保证弹性梁为惯性力最为敏感的结构，同时在惯性力的作用下能沿Z轴上下移动。

具体而言，当基于约瑟夫逊效应微机械加速度计在有微弱加速度输入时,弹性梁4感知惯性力的大小并相应发生形变，弹性梁4根部制作的压敏电阻6,7,8,9将力学信号转变成电学信号。

如图4所示，根据本发明的一个实施例，质量块2为“十”字形，质量块短边22，23为长边24的1/6，以降低微机械加速度计高阶模态的影响。

如图5-6所示，根据本发明的一个实施例，约瑟夫逊器件5采用“一”字形S-I-S结构，即超导金属—绝缘层—超导金属，约瑟夫逊器件5由硅衬底10、二氧化硅11、超导金属层12、约瑟夫逊结13、超导金属层14、电压输入正极15、电压输入负极16组成；在硅衬底10上制作有二氧化硅层11，二氧化硅层11上淀积有超导金属层12，超导金属层12上制作有约瑟夫逊结13，约瑟夫逊结13上淀积有超导金属层14，超导金属层12连接有电压输入正极15，超导金属层14连接接有电压输入负极16。

如图7所示，根据本发明的一个实施例，约瑟夫逊器件5的结构材料层由硅衬底层17、二氧化硅层18、铌层19、氧化铅层20、铌层21组成；在硅衬底层17上制作有二氧化硅层18,即SiO₂层，在二氧化硅层18上制作有铌层19,即Nb层，在铌层19上制作有氧化铝层20、即Al₂O₃层，在氧化铝层20上制作有铌层21、即Nb层。需要说明的是，在二氧化硅层18和氧化铝层20可以采用热氧化的方式实现以降低工艺难度，亦可有效防止势垒层不连续造成的弱连接，氧化层的厚度约为10-100Å不等。铌层19和铌层21可用磁控溅射蒸发***来制备，相对分子束外延技术更具低成本优势，沉积环境为高真空,蒸发方向垂直向下，在沉积过程中，需要严格控制成膜的质量、厚度，以避免成膜的质量和厚度影响微机械加速度计的检测精度和灵敏度。

如图8所示根据本发明的一个实施例，所述约瑟夫逊器件5在一定频率微波辐照下可将电压变化转换为步长严格一致的电流变化，且其步长只与辐照频率有关。

如图9所示，根据本发明的一个实施例，其检测原理为弹性梁4上的压敏电阻6,7,8,9组成惠斯通电桥，将加速度信号转换为电压变化，电压信号加载到约瑟夫逊器件5的电压输入正极15和电压输入负极16，由约瑟夫逊器件5将电压信号转换为台阶式变化的电流信号，通过电流台阶的计数即可得到输入加速度的大小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特性在于，包括：

键合基板(1)；

支撑框体(2)，支撑框体(2)设在键合基板(1)上方并与键合基板(1)相连接；

弹性梁(4)，弹性梁(4)用于支撑加速度计的质量块(3)，两端分别连接支撑框体(2)和质量块(3)，弹性梁(4)上表面与支撑框体(2)和质量块(3)上表面平行，且其厚度小于质量块(3)厚度；

质量块(3)，质量块(3)通过弹性梁(4)固定在支撑框体(2)中间，且厚度小于支撑框体(2)厚度；

多组压敏电阻，每组压敏电阻包括四个压敏电阻(6，7，8，9)，其中两个压敏电阻(8，9)设在弹性梁(4)根部，另两个压敏电阻(6，7)设在支撑框体(2)上，且位于支撑框体(2)与弹性梁(4)相连接的邻近区域；

所述的四个压敏电阻(6，7，8，9)掺杂浓度相同，结构尺寸相同，但布置方向不同，相邻的两个布置方向相差90°，即阻值大小互为相反数，相对的两个布置方向一致，即阻值大小相同；

和多组约瑟夫逊器件(5)，每组约瑟夫逊器件(5)位于支撑框体(2)上表面，且与支撑框体(2)上表面布置的两个压敏电阻(6，7)邻近，与各弹性梁(4)位置对应；

所述的约瑟夫逊器件(5)采用“一”字形S-I-S结构，即超导金属一绝缘层一超导金属。

2.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特征在于，所述的约瑟夫逊器件(5)由硅衬底(10)、二氧化硅(11)、超导金属层(12)、约瑟夫逊结(13)、超导金属层(14)、电压输入正极(15)、电压输入负极(16)组成；在硅衬底(10)上制作有二氧化硅层(11)，二氧化硅层(11)上淀积有超导金属层(12)，超导金属层(12)上制作有约瑟夫逊结(13)，约瑟夫逊结(13)上淀积有超导金属层(14)，超导金属层(12)连接接有电压输入正极(15)，超导金属层(14)连接有电压输入负极(16)。

3.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特征在于，所述的约瑟夫逊器件(5)的结构材料层由硅衬底层(17)、二氧化硅层(18)、铌层(19)、氧化铅层(20)、铌层(21)组成；在硅衬底层(17)上制作有二氧化硅层(18),即SiO₂层，在二氧化硅层(18)上制作有铌层(19),即Nb层，在铌(19)层上制作有氧化铝层(20)、即Al₂O₃层，在氧化铝层(20)上制作有铌层(21)、即Nb层。

4.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特征在于，所述的质量块(2)为“十”字形，质量块短边(22，23)为长边(24)的1/6。

5.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特征在于，所述四个压敏电阻(6，7，8，9)连接成惠斯通电桥电路，其桥路输出端连接于约瑟夫逊器件的电压输入正极(15)、电压输入负极(16)，其中电流流经电流台阶检测装置。

6.根据权利要求1所述的基于约瑟夫逊效应检测的硅压阻式加速度计，其特征在于，所述四个压敏电阻(6，7，8，9)和约瑟夫逊器件(5)分别有四组，其中每组约瑟夫器件的位置分别与所述四个弹性梁(4)相对。