CN101387496A - 基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于集成面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，它包括平面环形微腔、光波导、基底、与光波导相连的入射光纤及出射光纤，所述平面环形微腔与光波导的光相耦合；其特点是所述微位移传感器还有悬臂梁与探针，悬臂梁的一端连接在基底上，另一端为自由端；所述探针在悬臂梁的下表面自由端前部中间位置，悬臂梁和探针均用刻蚀形成；所述平面环形微腔与光波导均被刻蚀在悬臂梁的上表面；是利用现代MEMS加工技术制成的，可适用于磁场环境复杂，真空环境，被测物体范围广，除普通的金属，非金属物质表面外，也可对生物细胞进行表面测量。其测量精度可达10^－4埃。

Description

基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，主要涉及一种微位移传感器，特别是涉及基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器。

背景技术

在微纳技术、微机电系统技术和精密控制技术领域中，微位移传感器是微机电系统中较为重要的组件之一。针对微位移的测量方法，目前主要有电测量技术和光学测量技术。其中基于电测量技术的位移传感器主要有电磁式传感器，电涡流式传感器。电磁式传感器测量精度很低，达不到微米量级，而且受电磁影响较大。电涡流式传感器测量精度可以达到微米量级，但是要求被测物体必须为金属表面。

基于光学测量技术的位移传感器主要有光纤微位移传感器和激光干涉法测量微位移。这两者虽然克服了电测量微位移的缺点，精度也可以达到微米量级。但是光纤微位移传感器由于光源输出光能量的波动，反射物体表面反射率的变化和外界环境的干扰会造成较大的测量误差；而激光干涉法测量微位移主要缺点是要求光源一定要为干涉光，不能使用普通光源，并且对系统稳定性要求极高，不适用于现场测量。

随着近来发展起来的平面环形微腔，具有极高的品质因子和极小的模式体积，使它在空间和时域上很好地实现光存储，成为研究腔量子电动力学效应、提高或抑制自发辐射率、降低激光器域值、制备光学率波器、产生确定性单光子源、实现波长调制转换器和光存储器等的理想研究平台。

由于平面环形微腔对光极为敏感，并且它的形状对在平面环形微腔内传播的光有决定作用，平面环形微腔中光的共振频率和腔的形状有以下关系：

$V_q=q\·\frac{C}{2\mathrm{\ηL}}$

这里，V_q代表在平面环形微腔中传输基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器光的共振频率，q代表整数倍，C代表光速3×10⁸m/s，η代表平面环形微腔材料的折射率，L代表平面环形微腔腔的长度。很显然，腔壁的微小变化也会使在平面环形微腔传输的光的共振峰值发生明显变化。

因此，将平面环形微腔作为微位移的传感器件成为可能。同时，伴随MEMS(光刻、腐蚀、刻蚀)加工工艺的发展，也使实现平面环形微腔、光波导、悬臂梁单元的制备和传感器系统一体化集成成为可能。

发明内容

本发明的目的是在克服上述微位移传感器缺点和不足的基础上，而设计和提供一种结构简单，测量灵敏度更高，精度更高，适用范围更广的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器。

为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：

基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，包括平面环形微腔、光波导、基底、与光波导相连的入射光纤及出射光纤，所述平面环形微腔与光波导的光相耦合，平面环形微腔与光波导之间存在有0～2um距离；其特点是：所述微位移传感器还有悬臂梁与探针，悬臂梁的一端连接在基底上，另一端为自由端；所述探针在悬臂梁的下表面自由端前部中间位置，悬臂梁和探针均用刻蚀形成；所述平面环形微腔与光波导均被刻蚀在悬臂梁的上表面。

上述微位移传感器纵向由上而下由三层结构构成，三层结构依次由光刻技术刻蚀形成。第一层结构是所述平面环形微腔和光波导，所述平面环形微腔为平面圆柱环形，光波导形状为细长方体，均采用对光有良好折射率的材料。第二层结构是所述悬臂梁，所述悬臂梁几何形状为长而薄的长方体，采用半导体材料，并且在悬臂梁的下表面自由端前部中间位置设有探针；悬臂梁是由正面刻蚀和反面深刻蚀技术形成的，材料为半导体材料，探针形状为针尖状，长度与悬臂梁的厚度有关，细度可以根据刻蚀程度进行调整为纳米级或者微米级。第三层结构为基底，所述基底几何形状为长方体，采用半导体材料。

发明基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器利用现代MEMS加工技术制成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、由于采用集成平面环形微腔和悬臂梁结构，和以往的传感器相比，结构精巧简单，可以适用于基于悬臂梁阵列技术(也就是传感器是由一组悬臂梁组成的，因此可以将每一个悬臂梁上都刻蚀平面环形微腔和光波导，利用的机理是范德华力使悬臂梁发生形变，影响透射谱共振峰值)的微传感器上。

2、由于采用长而薄的悬臂梁结构，并且与基底相连成为一体，和以往的悬臂梁相比，可以取得高的灵敏度。

3、由于采用平面环形微腔和光波导传输光路，可以克服以往传感器的应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等非常严格的环境中。

4、可用于扫描探测物体表面，和以往的扫描区域相比，可以探测更大的区域，而且不需要调试对准，(因为以往的光纤位移传感器，主要用到了光纤的全反射，就是对光路有很高要求，而此传感器应用的机理在于利用范德华力使得悬臂梁发生形变，影响透射光的共振频率，所以不需要调试对准，直接测就可以了)降低操作难度和因此带来的误差，对金属和非金属物体表面的探测均适用。

5、由于利用原子间的范德华力使得悬臂梁发生形变，通过光透射谱线共振峰中心频率的显著变化进行探测针尖发生的微小位移，因而达到的精度比以往传感器所达到的精度都高，测量精度可达到原子量级。

本发明主要应用在物体表面形貌的显微探测，可适用于磁场环境复杂，真空环境，被测物体范围广，除普通的金属，非金属物质表面外，也可对生物细胞进行表面测量。其测量精度可达：

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的结构侧视图；

图3是本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

本发明的结构：

如图1和图2所示，基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器包括平面环形微腔1、光波导2、悬臂梁3、探针4、基底5、与光波导相连的入射光纤6与出射光纤7；所述平面环形微腔与光波导的光相耦合；所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端为自由端，所述探针在悬臂梁的下表面自由端前部中间位置，悬臂梁和探针均用刻蚀形成；所述平面环形微腔与光波导均被刻蚀在悬臂梁的上表面。

基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器由三层结构构成，第一层结构是利用光刻技术形成的平面环形微腔1和光波导2；第二层结构是利用第二次光刻技术形成的悬臂梁3，同时再次利用正背面刻蚀技术形成悬臂梁的下表面自由端前部中间位置的探针4；第三层结构是通过第三次光刻技术形成基底5。微位移传感器通过层层刻蚀后平面环形微腔1和光波导2形成在悬臂梁3上表面，并将平面环形微腔1、光波导2、悬臂梁3和探针4集成在一起。

本发明实例：

(1)平面环形微腔：采用MEMS加工技术在Si表面氧化生成SiO2，并加工形成平面环形微腔，材料为SiO2，半径为20-25um，环厚度为1-2um。为了得到半高宽度值小，调制深度深，品质因数高的平面环形微腔，本实例选择平面环形微腔的内径为20um。

(2)光波导：材料为SiO2，几何形状为细长方体，其中宽为1-2um，厚度为0.75-1um。

(3)悬臂梁：材料为GaAs，几何形状为长方体，其中所述矩形的设计尺度可以为：长度为100-400um，宽度为20-50um，厚度为0.4-10um。

由于悬臂梁的应力探测精度，随着长度/厚度比的增加而增加，因此，为了取得高的灵敏度，宜制备长而薄的梁结构，本实例选择悬臂梁的几何尺寸分别为：长为400um，宽为30um，厚度为10um。

(4)探针：在悬臂梁前端下表面中部刻蚀探针，材料为GaAs，长度为1um，细度是微米级别。

(5)基底：几何形状为长方体，材料为Al_0.6Ga_0.4As。

上述实例中，平面环形微腔1和光波导2通过光刻技术加工，被刻蚀在悬臂梁上，从而减少了弯曲损耗，可保证光单一模式的传播。利用电子束刻蚀技术将平面环形微腔和光波导之间距离控制在小于2um，本实例选择平面环形微腔和光波导之间距离为：1um，以保证高效的耦合效果和透射谱的明显变化。

本发明工作原理：

如图3所示，本发明采用可调激光器光源。由光源8发出的激光作为信号源，经过入射光纤6，进入光波导2，由于倏逝波效应，光通过光波导2耦合进入平面环形微腔1，在平面环形微腔1中发生共振，再经过光波导2，出射光纤7，进入光谱分析仪9，光谱分析仪9信号输入计算机10并进行数值分析。其中：

当光经光波导中传输时，由于倏逝波的存在，以及光波导和平面环形微腔以很小的距离刻蚀在一起，在传输接近平面环形微腔时，会有光耦合进入平面环形微腔继续传播，并在平面环形微腔中形成共振，之后再次通过倏逝波耦合进入光波导传输出来。由于平面环形微腔对光极为敏感，腔壁的微小变化会使在平面环形微腔传输的光的共振峰值发生明显变化。当平面环形微腔的腔壁发生微小形变，改变了平面环形微腔的腔长，改变了光在平面环形微腔中的共振模式，影响了透射光的共振峰值。通过探测透射光共振峰值的变化，测得腔壁的微小形变。腔壁长度改变了腔内光的共振模式，从而使透射谱线的共振峰值发生明显变化。通过所述光谱分析仪，可以分析得到共振峰值的变化曲线。然后通过所述计算机可以分析透射谱线的共振峰值在所述悬臂梁形变前后的变化，对应测量出微位移的变化。

例如对某种物质表面的形貌进行探测：

使用基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器扫描探测的物体表面的形貌，当被扫描探测的物体放置在由压电陶瓷驱动的载物台上需要探测时，通过调节压电陶瓷使得被扫描探测的物质接近(非接触)本发明的探针4，并在沿垂直探针的方向移动时，由于物质原子与原子之间存在相互作用力(范德华力)，大约为10^-8～10^-6N，并且这种力的变化和原子与原子之间的距离有关。在物质表面原子与探针的针尖原子之间的距离达到范德华力作用范围内，使得探针受到范德华力作用，而探针在悬臂梁的下表面，探针使悬臂梁也因此受力，并发生微小形变，并使得在悬臂梁表面的平面环形微腔1的腔壁长度发生变化，改变了通过入射光纤和光波导耦合进入平面环形微腔中光的共振频率(共振谱线)，这种共振频率变化后的光再通过光波导和出射光纤，进入光谱分析仪。经光谱分析仪分析，可以发现透射谱共振峰值的明显变化，然后经过计算机进行数值分析，测得透射谱共振峰值的变化所对应的探针发生的位移，最终可以由计算机描绘出物质表面的形貌。

Claims (6)

1、一种基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，包括平面环形微腔(1)、光波导(2)、基底(5)、与光波导相连的入射光纤(6)及出射光纤(7)，所述平面环形微腔与光波导的光相耦合，平面环形微腔与光波导之间存在有0～2um距离；其特征在于：所述微位移传感器还有悬臂梁(3)与探针(4)，悬臂梁的一端连接在基底上，另一端为自由端；所述探针在悬臂梁的下表面自由端前部中间位置，悬臂梁和探针均用刻蚀形成；所述平面环形微腔与光波导均被刻蚀在悬臂梁的上表面。

2、如权利要求1所述的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，其特征在于：所述平面环形微腔(1)的材料为SiO2，内径为20-25um，环厚度为1-2um。

3、如权利要求1所述的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，其特征在于：所述光波导(2)的材料为SiO2，几何形状为细长方体，其中宽度为1-2um，厚度为0.75-1um。

4、如权利要求1所述的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，其特征在于：所述悬臂梁(3)的材料为GaAs，几何形状为长而薄的长方体，长度为100-400um，宽度为20-50um，厚度为0.4-10um。

5、如权利要求1所述的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，其特征在于：所述基底(5)的材料为Al_0.6Ga_0.4As。

6、如权利要求1所述的基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器，其特征在于：所述平面环形微腔(1)与光波导(2)之间存有最佳距离为：1um。

Images