CN101609101B - 基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计 - Google Patents

基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计。它包括SOI基底、质量块、悬臂梁、环形谐振腔以及PN结。SOI基底通过悬臂梁与质量块连接，SOI基底与悬臂梁连接处制作环形谐振腔，环形谐振腔包括直波导、环形腔，最后在环形腔内外形成PN结。所述的直波导的宽度为400nm～1μm，环形腔的直径为10μm～30μm，两者的耦合距离为200nm～500nm。通过离子注入方式在环形谐振腔内外掺杂硼和磷形成P型区域和N型区域构成PN结。该微加速度计利用了环形谐振腔的共振效应和小尺寸波导的强约束效应条件下的硅的电光效应，可以达到很高的调制速度。本发明是一种结构尺寸小、集成度高、调制速度快的硅基环形谐振腔的微加速度计。

Description

基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计
技术领域
本发明涉及MOEMS加速度传感器领域，尤其涉及一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计。
背景技术
微机械加速度计(MicroAccelerometer)是微机电系统具有代表性的器件之一，它以体积小、质量轻、易集成而称奇，是微型惯性测量组合的核心器件。随着微机械加速度计性能的提高，应用不断向高精度领域发展。因此，对微加速度计的性能又提出更高的要求。为提高微机械加速度计整个系统的精度，对其输出光强信号的探测处理能力也提出了很高的要求。
微加速度计的输出信号信噪比非常低，分立元件电路中的干扰与噪声使得有用的输出信号完全淹没在噪声之中，而且有用输出信号的频谱与低频噪声的频谱是重叠的，对于这种情况，调制放大解调处理是提高输出信号信噪比的有效方法。因而，若想提信号检测部分的精度，调制起着至关重要的作用。
硅是中心对称晶体，一阶电光效应极其微弱，虽然硅的热光系数较大，但受自身导热性质的限制，热光调制器的调制频率无法超过1MHz，因此人们一度认为实现硅基高速调制是不可能的。然而SOI材料以它在成本、制作工艺、电学与光学特性等方面巨大的优势，仍吸引着研究人员不懈努力，终于在近几年取得了突破，他们利用等离子体色散效应，成功地将调制频率提升到1GHz以上。光波导调制器最基本的组件是光波导，调制器的性能在很大程度上依赖于光波导的性能。随着工艺技术的进步，将波导截面尺寸降到亚微甚至亚微米以下已成为可能。在PN两端加上电压后，载流子注入或复合的路程减小会使开关时间缩短，因此小截面波导调制器不但具有更紧凑的结构，还具有更大的调制频率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计。
基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计包括SOI基底、质量块、悬臂梁、环形谐振腔，SOI基底通过悬臂梁与质量块连接，SOI基底与悬臂梁连接处制作环形谐振腔，环形谐振腔包括直波导、环形腔，在环形腔内外形成的PN结。
所述的直波导的宽度为400nm～1μm，环形腔的直径为10μm～30μm，两者的耦合距离为200nm～500nm。PN结是通过离子注入方式在环形谐振腔内外掺杂硼和磷形成P型和N型区域，并在PN结的P型区域和N型区域加上电压进行调制。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果：
1)制作小尺寸的环形谐振腔，有助于微型化和光电集成的应用。
2)将PN注入型电光调制与环形谐振腔波导结合，可有效利用硅基电光效应的高速调制和更高的调制频率的优势，进而可实现微加速度计信号处理部分的检测精度，也即提高了微加速度计整个系统的精度。
附图说明
图1是基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计的结构示意图；
图2是本发明的PN两端加电压后的环形谐振腔的局部放大示意图；
图中，SOI基底1、质量块2、悬臂梁3、直波导4、环形腔5、PN结6、
具体实施方式
本发明利用硅的电光效应，可对输出信号进行有效调制，进而可提高输出信号处理部分的精度，从而提高微加速度计的精度。通过以下内容来实现的：在SOI基底上制作质量块和悬臂梁，然后刻蚀形成环形谐振腔(包括直波导和环形波导)，再在环形波导内外通过离子注入的方式，通过掺杂硼和磷形成P型和N型区域，形成PN结构。在PN两端加上电压后，电子和空穴被注入波导，改变波导的折射率和环形腔的谐振频率，从而调制在特定波长处通过的信号强度。
如图1、2所示，基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计包括SOI基底1、质量块2、悬臂梁3、环形谐振腔，SOI基底1通过悬臂梁3与质量块2连接，SOI基底1与悬臂梁3连接处制作环形谐振腔，环形谐振腔包括直波导4、环形腔5，在环形腔5内外形成的PN结6。
所述的直波导4的宽度为400nm～1μm，环形腔5的直径为10μm～30μm，两者的耦合距离为200nm～500nm。PN结6是通过离子注入方式在环形谐振腔内外掺杂硼和磷形成P型和N型区域，并对PN结6的P型区域和N型区域加上电压进行调制。
低噪声和高灵敏度的微加速度计需要大的敏感质量块，本发明中选用“三明治”结构的SOI(silicon on insulator)作为制作传感结构的材料。该SOI基片最上层的单晶硅薄膜的厚度为20μm，中间的氧化层SiO2厚度为1μm左右。本发明中，质量块和悬臂梁的设计参量为：质量块厚度为即为SOI基片的厚度，长宽为2.0mm×2.0mm；悬臂梁的厚度为SOI上层单晶硅薄膜的厚度，即20μm左右，长宽为1.6mm×0.4mm。考虑到MEMS结构中质量块和悬臂梁的厚度不等，质量块的厚度远远大于悬臂梁的厚度，因此需要多次刻蚀加工才可完成整个传感结构。
在悬臂梁支承的质量块上刻蚀环形谐振腔，此环形谐振腔的设计参量为：直波导的宽度为450nm，环形腔的直径为20μm，直波导与环形腔的耦合距离为450nm。通过电子束曝光和反应离子束刻蚀技术可以完成上述参数的环形谐振腔的加工。
完成上述环形谐振腔之后，通过离子注入的方式，在环形腔内部重掺杂一定浓度的硼形成P区域，在环形腔外围重掺杂一定浓度的磷形成N区域，包括中间的本征区域，即形成了PIN结。然后，再覆盖一层厚度约为1μm的硅氧化物作为上包层。最后，做上电极。
因此有，在PN两区域加上电压后，电子和空穴被注入波导，改变波导的折射率和环形腔的谐振频率，从而可调制在特定波长处通过的信号强度。虽然硅的电光效应很弱，但是环形谐振腔的共振效应和小尺寸波导的强约束效应使得其表现出良好的电光响应特性。应用此电光效应于微加速度计的信号处理电路中的调制部分，非常有利于提高整个微加速度计系统的精度，同时也有利于微型化和光电集成方面的应用。

Claims (3)

1.一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计，其特征在于包括SOI基底(1)、质量块(2)、悬臂梁(3)、环形谐振腔，SOI基底(1)通过悬臂梁(3)与质量块(2)连接，SOI基底(1)与悬臂梁(3)连接处设有环形谐振腔，环形谐振腔包括直波导(4)、环形腔(5)，在环形腔(5)内外形成PN结(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计，其特征在于将所述的悬臂梁(3)支承的质量块(2)结构、直波导(4)和环形腔(5)和PN结(6)相结合以进行注入型电光调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计，其特征在于所述的直波导(4)的宽度为400nm～1μm，环形腔(5)的直径为10μm～30μm，两者的耦合距离为200nm～500nm。
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