CN101871950B - 基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，包括光学谐振腔、悬臂梁、基底、质量块、输入光栅、输出光栅、输入光波导和输出光波导；所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端与质量块连接，悬臂梁用刻蚀形成，光学谐振腔被刻蚀在悬臂梁的上表面，光学谐振腔为平面跑道形的形状；其特点是该光学谐振腔微加速度计由上而下有三层结构，光学谐振腔是集成输入输出端的，光学输入口与输出口通过光栅结构与光学谐振腔集成一体；输入光波导与输出光波导与光学谐振腔成也为一体；本发明是利用现代MEMS加工技术制成的，可适用于磁场环境复杂，真空环境中的振动，冲击等加速度的测量。

Description

基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，主要涉及一种微加速度计，特别是涉及一种基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计。

背景技术

近年来，随着MEMS工艺的发展和成熟，小型化，灵敏度高，抗过载能力强的微加速度计，如压阻式微加速度计，压敏式微加速度计等在航天，电子和机械制造领域的振动和冲击测量中得到了很好的发展。但是，这类微加速度计是利用传统的电学原理，不适用于电磁场复杂和超真空系统中。同时，该类微加速度计在制造过程中通过离子注入的工艺形成敏感单元，工艺要求高，对此类微加速度计的推广和批量生产形成障碍。另外，新型的利用光电转换探测微加速度计成为一个新的可以发展和研究的方向。例如：中国专利申请号为200810079681.X的“基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计”，公开了一种采用集成平面环形微腔与悬臂梁结构的加速度计，“包括硅基框架，悬臂梁以及通过悬臂梁支悬于硅基框架中央的质量块，悬臂梁上设有平面环形微腔，硅基框架上沿与对应悬臂梁垂直的方向设置有对应悬臂梁上平面环形微腔构成平面环形微腔耦合系统的光波导”，利用光在光波导传输过程中发生全反射时所产生的倏逝波，耦合进入平面环形微腔，产生共振，通过探测悬臂梁发生形变时光的共振峰不同来反馈加载在质量块上的加速度。该专利结构简单，紧凑，改变了以往利用电容电阻测量加速度的方法，制备方法相对于离子注入工艺，较为简单。

但是，该专利结构所利用的倏逝波的耦合方式，强烈依赖于加工工艺和所设计的平面环形微腔耦合系统的合理性，加工成品表面微小的粗糙就会造成光的大量损失，不利于倏逝波的耦合和光的继续传输；平面环形微腔与光波导结构的耦合距离需要进行二次加工精确控制，增加了加工难度。另外，平面环形微腔特有的平面环形结构与光波导耦合长度较短，不利于高效耦合；平面环形微腔特有的环形结构集成在悬臂梁上，环形直径与悬臂梁长度相比较短，不利于平面环形微腔发生形变时的相位积累；光波导输入输出端采用直接与光源对接的方式，耦合效率也较低。

发明内容

本发明的目的是在克服上述现有微加速度计技术存在的缺点和不足的基础上，而设计和提供一种结构简单，加工难度较低，测量灵敏度高，精度高，适用范围更广的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计。

为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：

基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，包括带光学输入口与输出口的光学谐振腔1、悬臂梁2、基底3、质量块4、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7、输出光波导8；所述光学谐振腔为平面跑道形的形状，所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端与质量块连接，悬臂梁用刻蚀形成；所述光学谐振腔被刻蚀在悬臂梁的上表面；其特点是所述输入光波导和输出光波导分别与光学谐振腔相连，在输入光波导的光学输入口设置输入光栅，在输入光波导的光学输入口设置输出光栅；所述光学谐振腔、输入光栅与输入光波导、输出光栅与输出光波导为一体。该微加速度计纵向由上而下有三层结构构成，三层结构依次由光刻技术刻蚀形成。其中：

第一层结构是所述光学谐振腔，所述光学谐振腔为平面跑道形形状，采用对光有良好折射率的材料，光学输入端与输出端，即输入光波导和输出光波导均利用光刻法刻蚀在光学谐振腔两侧，并且利用电子束刻蚀方式以光栅作为传输光的结构；

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，悬臂梁是由正面刻蚀和反面深刻蚀技术形成的；

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。

本发明的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计是利用现代MEMS加工技术制成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下实质性特点和显著地有益效果：

1、采用光学谐振腔、光学输入端与输出端集成在一起结构，彻底改变了以往光学谐振腔需要通过外部光波导，利用非倏逝波的耦合方式，不再依赖倏逝波的产生和传输，降低了制造工艺的要求，提高了耦合效率，进而增加了测量精度。

2、采用光学谐振腔为平面跑道形形状，输入光波导、输出光波导与谐振腔成为一体，使得平面跑道形平行两侧均为耦合区域，增加了耦合长度。

3、采用的光学谐振腔为平面跑道形形状，此光学谐振腔的长度可与悬臂梁长度基本相同，增加了光学谐振腔发生形变后的相位积累，提高测量灵敏度。

4、光学谐振腔的光学输入与输出端采用了光栅结构，利用垂直耦合方式，改变了以往光源与光波导直接对接的耦合方式，克服了耦合效率低，模式匹配难的缺点。

5、本光学谐振腔和悬臂梁结构简单，可用于基于悬臂梁阵列技术的微加速度计上。其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设有光学谐振腔，其原理就是外部加速度使悬臂梁发生形变，影响透射谱共振峰值。

6、由于采用光学谐振腔传输光路，可以克服现有加速度传感器技术的应用限制，可以应用在如电磁复杂和超高真空系统等要求非常严格的环境中。

7、由于是利用光透射谱线共振峰中心频率的显著变化来实现测量加载在质量块上的外部加速度的，因而，达到的精度比现有加速度传感器技术所达到的精度都要高。

本发明基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计主要应用在外部加速度的测量，如振动加速度，冲击加速度等，可适用于磁场环境复杂，真空等环境。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明级联式波导光栅结构图；

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。

[0023本发明基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计的结构：

如图1所示，基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计。它包括带光学输入口与输出口的光学谐振腔1、悬臂梁2、基底3、质量块4、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7、输出光波导8；所述光学谐振腔为平面跑道形形状，输入光波导和输出光波导分别与光学谐振腔相连，在输入光波导的光学输入口设置输入光栅，在输入光波导的光学输入口设置输出光栅；所述光学谐振腔、输入光栅与输入光波导、输出光栅与输出光波导为一体；所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端与质量块连接，悬臂梁用刻蚀形成；所述光学谐振腔被刻蚀在悬臂梁的上表面。

本发明基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计有三层结构，第一层结构是利用光刻技术形成的光学谐振腔1、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7和输出光波导8；第二层结构是利用第二次光刻技术形成的悬臂梁2；第三层结构是通过第三次光刻技术形成基底3。该微加速度计通过层层刻蚀后，光学谐振腔1、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7和输出光波导8形成在悬臂梁2上表面，并将集成输入输出端的光学谐振腔1、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7和输出光波导8形成在悬臂梁2上表面，并将集成输入输出端的光学谐振腔1、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7和输出光波导8和质量块4集成在一起。

实例：

[0027本发明整体采用硅SOI材料，所采用顶层结构为硅SOI材料，厚度220nm-300nm, 氧化层为二氧化硅SiO₂,厚度1μm -1.5μm,衬底层为硅,厚度为550μm -600μm。

（1）光学谐振腔：在SOI顶层硅和氧化层二氧化硅材料上利用光刻技术加工形成集成输入输出端的光学谐振腔，二氧化硅也要刻蚀，以保证光在硅层的单模传输。所述光学谐振腔的输入光波导端与输出光波导端的宽度为500nm-550nm,与光学谐振腔的两侧平行的输入光波导及输出光波导的宽度550nm-600nm, 即输入光波导端与输出光波导端的宽度比光学谐振腔的两侧平行的输入光波导及输出光波导的宽度要窄50nm，光学谐振腔弯曲部分的两侧外半径为5μm-6μm，内半径为4.5μm-5.5μm。

（2）输入光栅与输出光栅与光学谐振腔一体，材料相同，利用电子束刻蚀或者纳米压印技术形成。光栅常数620nm,光栅刻蚀深度50nm-60nm，光栅宽度与所连接的波导宽度比大于1/3，可以利用级联式渐变波导宽度。如图2所示。

（3）悬臂梁：材料为SOI材料衬底硅，利用背向刻蚀技术形成。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100-400μm，宽度为20-50μm,厚度为0.4-10μm。

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400μm，宽为30μm,厚度为10μm。

（4）基底：几何形状为长方体，材料为SOI材料衬底硅。

上述实例中，光学谐振腔1通过光刻技术加工，被刻蚀在悬臂梁上，SOI材料结构的选择，可以保证光单一模式的传播。同时由于其特有的结构，和以往光学谐振腔通过外部光波导利用倏逝波耦合的方式相比，不仅增加了耦合长度，而且改变了耦合方式，提高了耦合效率，进而确保透射谱的明显变化。

本发明基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计的工作原理：

如图3所示，本发明采用可调激光器光源。由光源9发出的激光作为信号源，经过入射光纤10（通常为聚焦形锥形光纤），进入输入光栅5。由于光的衍射现象，光大部分经过衍射，水平传入输入光波导7，按照光学谐振腔1形状传输，并在光学谐振腔中发生共振，再经过输出光波导8，水平进入输出光栅6，同样由于衍射现象，在输出光栅6垂直方向利用光电探测器11可以接收到传出的光，然后光经过进入光谱分析仪12，光谱分析仪12信号输入计算机13并进行数值分析。其中：

当光经输入光栅，输入光波导，进入光学谐振腔传播时，在光学谐振腔中形成共振，之后再次经过输出光波导，输出光栅传输出来。由于光学谐振腔特有的结构对光极为敏感，腔壁的微小变化会使在双槽口光学谐振腔传输的光的共振峰值发生明显变化。当光学谐振腔的腔壁发生微小形变，改变了光学谐振腔的腔长，改变了光在光学谐振腔中的共振模式，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，对应测量出外界加速度的变化。

例如对某外部加速度进行测试：

使用基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计测量某外界加速度时，当质量块受到外界加速度时，根据牛顿第二定律，质量块也因此受到该加速度对应的力，质量块在垂直方向上产生位移，由于质量块与悬臂梁集成在一起，因此质量块的移动必然引起悬臂梁在垂直方向上的同步位移，发生微小形变。这种形变使得在悬臂梁表面的光学谐振腔1的腔壁长度发生变化，改变了经过输入光栅5，输入光波导7，进入光学谐振腔中光的共振频率（共振谱线），这种共振频率变化后的光再经过输出光波导8和输出光栅6，一次进入光电探测器11，光谱分析仪12。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，最终测得透射谱共振峰值的变化所对应的外部加载的加速度。

Claims (4)

1.一种基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，包括光学谐振腔(1)、悬臂梁(2)、基底(3)、质量块(4)、输入光栅(5)、输出光栅(6)、输入光波导(7)、输出光波导(8)；所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端与质量块连接，悬臂梁用刻蚀形成，所述光学谐振腔被刻蚀在悬臂梁的上表面，所述光学谐振腔为平面跑道形的形状；其特征在于：光学输入口是通过输入光栅连接输入光波导，并与谐振腔集成为一体；光学输出口是通过输出光栅 连接输出光波导，并与谐振腔集成为一体；该光学谐振腔微加速度计由上而下有三层结构，其中：

第一层结构是所述光学谐振腔、输入光波导和输出光波导、输入光栅和输出光栅，输入光波导和输出光波导均利用光刻法刻蚀在光学谐振腔两侧，并且利用电子束刻蚀方式以光栅作为传输光的结构；

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，悬臂梁是由正面刻蚀和反面深刻蚀技术形成的；

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。

2.如权利要求1所述的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，其特征在于：所述光学谐振腔的输入光波导端与输出光波导端的宽度为500nm-550nm,与光学谐振腔的两侧平行的输入光波导及输出光波导的宽度550nm-600nm,光学谐振腔弯曲部分的两侧外半径为5μm-6μm，内半径为4.5μm-5.5μm。

3.如权利要求1所述的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，其特征在于：所述输入光栅(5)或输出光栅(6)的光栅常数为620nm, 输入光栅(5)或输出光栅(6)的刻蚀深度为50nm-60nm，输入光栅(5)的宽度与所连接的输入光波导(7)的宽度比大于1/3，输出光栅(6)的宽度与所连接的输出光波导(8)的宽度比也大于1/3，输入光波导(7)与输出光波导(8)都是利用级联式渐变波导宽度。

4.如权利要求1所述的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，其特征在于：所述悬臂梁(2)的长度为100-400μm，宽度为20-50μm,厚度为0.4-10μm。

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