CN101782594A - 基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学和微机电技术，具体是一种基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计。进一步扩展了光学微腔在悬臂梁式加速度计上的应用，基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计，包括采用微机电器件加工工艺在半导体衬底上加工出的基座、单端与基座固定的悬臂梁、与悬臂梁自由端固定的质量块，基座上设有与悬臂梁垂直的光波导，悬臂梁与基座固定的端部设有“拉链空穴”，“拉链空穴”的两支架与基座上的光波导平行，“拉链空穴”与光波导构成微腔-光波导耦合结构。本发明结构合理、简单，具备高灵敏度、高分辨率、测量精度高、抗电磁干扰、体积小、便于集成、质量轻、能在恶劣环境下工作、适用范围广等优良特性。
Description
技术领域
本发明涉及光学和微机电技术，具体是一种基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计。
背景技术
微机电加速度计是机械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量以及地震监测、惯性导航与制导系统等领域常用的重要传感器。其中，微机电加速度计中的悬臂梁式加速度计因具备体积小、较好的分辨率和灵敏度、易批量生产等优点，应用极为广泛，结构包括基座、单端与基座固定的悬臂梁、与悬臂梁自由端固定的质量块，悬臂梁与基座的固定端设置有敏感元件，其工作原理是：在惯性力的作用下，质量块上下运动，引起悬臂梁发生形变，产生应力变化，使悬臂梁上敏感元件的状态在应力作用下发生变化，检测敏感元件的状态变化即可测量出被测物体的加速度。而目前悬臂梁上设置的敏感元件多为集成电容、压敏电阻、力敏元件等，以检测敏感元件的电流或电压变化测量质量块的惯性力或位移。但是在近年来的快速发展下，基于上述敏感元件的悬臂梁式加速度计已发展至极限，其分辨率、灵敏度等性能参数提高不易。
为了能进一步提高悬臂梁式加速度计的分辨率、灵敏度等性能参数，以满足科技快速发展的需要，各国研究人员正逐步进行多方面研究应用，以求长远的可行性发展。其中，随着光学微腔的发展，由光和微波的电磁力(辐射压力)而产生的动态反作用(The dynamic back-action)越来越引起人们的关注，各国研究人员对光学领域内微米或纳米量级结构进行研究，以便使纳米尺度的光学结构和机械结构实现交互作用，来应用于精密测量和微小力测试方面，且已逐步产生成效。例如：专利申请号为200810079681.X的中国专利申请公开了一种“基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计”，所述悬臂梁式加速度计以平面环形微腔作为敏感元件，当受到外力作用和质量块的带动下，悬臂梁从平衡状态发生弯曲形变，该弯曲形变导致悬臂梁表面的应力发生变化，在应力的作用下，导致平面环形微腔中光程的变化，使平面环形微腔内光强发生明显的变化，引起光波导透射谱的共振频率偏移，通过快速光电转换器将光信号转换电信号，分析电信号的变化即可求得悬臂梁的受力变化(加速度变化)。由于平面环形微腔对悬臂梁的微弱变化非常敏感，因此所述悬臂梁式加速度计可以以高灵敏度、高分辨率测量加速度的值。其中，平面环形微腔属于光学微腔(即线度在微米或者纳米级别的光学介电谐振器)，具有特别高的品质因数、极小的模体积和很低的非线性效应阈值条件，广泛应用在非线性光学、腔体量子电动力学、窄带光学滤波、高灵敏度传感器和低阈值激光器的制备等领域中。
目前，美国帕萨迪纳市加利福尼亚州理工学院(Caltech)的研究人员以光子晶体材料制造出了一对平行设置的厚度仅为几百纳米的支架12、13，并利用化学手段在每个支架的表面腐蚀了一连串直线排列的小洞14，且两支架12、13相互处于相邻支架的近场效应范围内，形成微腔装置(如图5所示)，由于该微腔装置与拉链看起来很像，研究小组将这一装置称为“拉链空穴(Zippercarity)”，“拉链空穴”上的这些小洞能够引导和捕捉光波的能量，同时使“拉链空穴”产生振动，而振动的频率取决于光波轰击支架的强度。
发明内容
本发明为了进一步扩展光学微腔在悬臂梁式加速度计上的应用，提供了一种基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计。
本发明是采用如下技术方案实现的：基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计，包括采用微机电器件加工工艺(即MEMS加工工艺)在半导体衬底上加工出的基座、单端与基座固定的悬臂梁、与悬臂梁自由端固定的质量块，基座上设有与悬臂梁垂直的光波导，悬臂梁与基座固定的端部设有“拉链空穴(Zipper carity)”，“拉链空穴”的两支架与基座上的光波导平行，“拉链空穴”与光波导构成微腔-光波导耦合结构(即“拉链空穴”的两支架处于光波导的近场效应范围内)。
在应用时，如图4所示，将加速度计的光波导一端经入射光纤6与光源装置连接，另一端经出射光纤7与检测装置连接，一般光源装置包含可调激光器8、与可调激光器8输出相连的光纤放大器9，检测装置包含光电探测器10、与光电探测器10输出相连的信号处理装置11(如示波器)，可调激光器10发出的激光经由光纤放大器9放大后通过入射光纤6进入光波导，在传输过程中与“拉链空穴”相耦合，使“拉链空穴”产生振动，耦合后的光波经由光波导、出射光纤传输至光电探测器，由光电探测器转化为电信号后，由信号处理装置分析处理后输出或直接显示。当质量块敏感到加速度，质量块会带动悬臂梁从平衡状态发生弯曲形变，该弯曲形变导致悬臂梁表面的应力发生变化，在应力的作用下，引起“拉链空穴”形变，使其与光波导的耦合条件发生变化，引起“拉链空穴”微腔内光波相位调节，使光波导内耦合后的光波强度发生变化，通过光电探测器探测光波强度的变化，并转换为电信号，根据电信号的变化求得悬臂梁的受力变化，继而得到质量块敏感到的加速度值。而振动状态下的“拉链空穴”非常灵敏，甚至能够感知单个光子的能量，因此，在“拉链空穴”振动状态下，“拉链空穴”可以敏感到悬臂梁非常微弱的振动，实现高灵敏度、高分辨率测量加速度的目的，甚至可以分辨分子原子量级的加速度以及形变。
所述微机电器件加工工艺是现有公知技术，所述悬臂梁结构、及悬臂梁上设置的光波导、“拉链空穴”皆采用微机电器件加工工艺实现。
与现有技术相比，本发明将光子晶体微腔中的“拉链空穴”与悬臂梁结构结合实现加速度计，以“拉链空穴”作为敏感元件，可以应用在电磁或者真空等非常严格的环境中，扩大了加速度计的应用范围；光波通过光波导与“拉链空穴”的耦合方式实现对“拉链空穴”轰击，使“拉链空穴”振动，以高灵敏度敏感由加速度引起的悬臂梁形变，进而改变其与光波导的耦合条件，使光波导内传输的光波强度发生变化，通过检测光波强度的变化，即可得到加速度值，测量精度可达到原子量级；进一步验证了光学领域和机械领域结合的可行性，壮大了基于光学微腔的加速度传感器的队伍。
本发明结构合理、简单，具备高灵敏度、高分辨率、测量精度高、抗电磁干扰、体积小、便于集成、质量轻、能在恶劣环境下工作、适用范围广等优良特性。可以制作单独器件，也可以直接集成在半导体材料上，还可以制作成基于悬臂梁阵列技术的微传感器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的A处放大图；
图4为本发明应用时的检测原理图；
图5为“拉链空穴”的结构示意图；
图中：1-基座；2-悬臂梁；3-质量块；4-光波导；5-“拉链空穴”；6-入射光纤；7-出射光纤；8-可调激光器；9-光纤放大器；10-光电探测器；11-信号处理装置；12、13-支架；14-小洞。
具体实施方式
如图1-3所示，基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计，包括采用微机电器件加工工艺(即MEMS加工工艺)在半导体衬底上加工出的基座1、单端与基座1固定的悬臂梁2、与悬臂梁2自由端固定的质量块3，基座1上设有与悬臂梁2垂直的光波导4，悬臂梁2与基座1固定的端部设有“拉链空穴(Zippercarity)”5，“拉链空穴”5的两支架与基座1上的光波导4平行，“拉链空穴”5与光波导4构成微腔-光波导耦合结构。
具体实施时，“拉链空穴”5的材料选用氮化硅Si3N4，光波导的材料选用二氧化硅SiO2，悬臂梁结构中基底、悬臂梁、质量块的材料选用砷化镓GaAs，本发明所述结构的各项尺寸参数(如：悬臂梁和质量块的尺寸大小、光波导与“拉链空穴”的间距、“拉链空穴”两支架间距、支架上小孔的大小和间距等)以利于提高加速度计的测量精度、灵敏度、分辨率为前提，根据所做器件或集成时的具体情况确定。
Claims (1)
1.一种基于光子晶体微腔的悬臂梁式加速度计，包括采用微机电器件加工工艺在半导体衬底上加工出的基座(1)、单端与基座(1)固定的悬臂梁(2)、与悬臂梁(2)自由端固定的质量块(3)，其特征在于：基座(1)上设有与悬臂梁(2)垂直的光波导(4)，悬臂梁(2)与基座(1)固定的端部设有“拉链空穴”(5)，“拉链空穴”(5)的两支架与基座(1)上的光波导(4)平行，“拉链空穴”(5)与光波导(4)构成微腔-光波导耦合结构。
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