CN102096133B - 可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法。可调纳米光栅包括可动子光栅和固定子光栅，采用聚焦离子束/扫描电镜双束系统加工，精度高，周期一致性好。可动子光栅和固定子光栅的多个单光栅上下交叉排列，梁连接有质量块。纳米光栅加速度计包括激光光源、加速度计芯片、光电探测装置，加速度计芯片包括可调纳米光栅。以可调纳米光栅作为传感部分的中心元件，且与质量块和梁共同组成传感头，光源照射可调纳米光栅，利用光电探测器和检测电路进行信号加速度检测，计算时以矢量衍射理论为基础，结构简单、灵敏度高。

Description

可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计量装置，尤其涉及一种可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法。

背景技术

纳米光栅加速度计是用于测量加速度及加速度变化的装置。纳米光栅加速度计是基于光栅的矢量衍射理论和纳米加工技术。当光栅的结构尺寸(周期、缝深等)远大于入射光波长时标量理论还是比较成功的。但对亚波长光栅(光栅尺寸与入射光波长接近或比入射光波长小)而言，其结构尺寸为波长、亚波长量级，这时标量衍射理论的假设不再成立，必须使用严格的矢量衍射理论来分析和设计。矢量衍射理论的基础是严格的电磁波理论，不作任何的近似和假设，使电磁场严格满足麦克斯韦方程组和边界条件，从而对光学元件的性能进行研究。矢量衍射理论对比与标量衍射理论有如下不同：

(1)从推导过程来看，矢量衍射理论的推导过程复杂，其计算过程必须使用计算机进行数值计算，而标量理论相对简单。

(2)矢量衍射理论能够分别计算出反射和透射波的衍射效率，而标量衍射理论却不能。

(3)矢量衍射理论计算中，衍射效率与入射光的波长、光栅周期、光栅深度、以及介质的折射率大小都有关系，而在标量衍射理论中，衍射效率的计算与这些因素无关。

(4)矢量衍射理论中，计算衍射效率时要考虑入射波的偏振状态，但是在标量衍射理论中没有考虑入射波的偏振状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、灵敏度高、能应用矢量衍射理论的可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的可调纳米光栅，包括可动子光栅和固定子光栅，所述可动子光栅和固定子光栅分别包括多个单光栅；

所述可动子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在梁上；

所述固定子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在基座上；

所述可动子光栅和固定子光栅的多个单光栅上下交叉排列，构成多个隙缝；

所述梁为活动梁，所述活动梁连接有质量块。

本发明的纳米光栅加速度计，包括激光光源、加速度计芯片、光电探测装置，所述加速度计芯片包括上述的可调纳米光栅；

所述激光光源发出的光穿过所述可调纳米光栅的多个单光栅构成的隙缝后，被所述光电探测装置接收。

本发明的可调纳米光栅或纳米光栅加速度计的加工方法，包括步骤：

首先，在多晶硅表面淀积一层十几纳米厚的薄金层；

其次，将待加工的物放入加速电压为30KV的聚焦离子束/扫描电镜双束系统中，在特定的放大倍数下，将离子束聚焦成5-7nm束斑；

之后，将束斑移动至待加工物表面需制备纳米光栅的位置进行加工，得到纳米光栅结构。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法，由于以可调纳米光栅作为传感部分的中心元件，且与质量块和梁共同组成传感头，光源照射可调纳米光栅，利用光电探测器和检测电路进行信号加速度检测，计算时以矢量衍射理论为基础，结构简单、灵敏度高。

附图说明

图1为本发明中纳米光栅系统原理流程框图；

图2为本发明的可调纳米光栅的结构示意图；

图3为本发明的纳米光栅加速度计的结构示意图；

图4为具体实施例的设计加工光栅示意图。

图中：1.可动子光栅，2.固定子光栅，3.单光栅，4.梁，5.质量块，6.激光光源，7.加速度计芯片，8.可调纳米光栅，9.质量块，10.光电探测器，11.信号检测电路，12.信号检测电路。

具体实施方式

本发明的可调纳米光栅，其较佳的具体实施方式是：

包括可动子光栅和固定子光栅，所述可动子光栅和固定子光栅分别包括多个单光栅；

所述可动子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在梁上；

所述固定子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在基座上；

所述可动子光栅和固定子光栅的多个单光栅上下交叉排列，构成多个隙缝；

所述梁为活动梁，所述活动梁连接有质量块。

本发明的纳米光栅加速度计，其较佳的具体实施方式是：

包括激光光源、加速度计芯片、光电探测装置，所述加速度计芯片包括上述的可调纳米光栅；

所述激光光源发出的光穿过所述可调纳米光栅的多个单光栅构成的隙缝后，被所述光电探测装置接收。

所述激光光源、加速度计芯片和光电探测装置可以分别有两个。

所述单光栅的宽度和厚度可以小于所述激光光源发出的光的波长。

所述光电探测装置可以包括光电探测器，所述光电探测器连接有信号检测电路。

本发明的上述的可调纳米光栅或纳米光栅加速度计的加工方法，，其较佳的具体实施方式包括步骤：

首先，在多晶硅表面淀积一层十几纳米厚的薄金层；

其次，将待加工的物放入加速电压为30KV的聚焦离子束/扫描电镜双束系统中，在特定的放大倍数下，将离子束聚焦成5-7nm束斑；

之后，将束斑移动至待加工物表面需制备纳米光栅的位置进行加工，得到纳米光栅结构。

本发明的纳米光栅加速度计，是指建立在光学矢量衍射理论基础上，基于以一种可调纳米光栅作为传感部分的中心元件且与质量块和梁共同组成的传感头，光源照射可调纳米光栅，利用光电探测器和检测电路进行信号检测实现测量的纳米光栅加速度计。

如图1所示，在具体实施例中，用于测量加速度的装置主要包括光源驱动、可调激光光源、准直透镜、质量块、梁、可调纳米光栅、光电探测器、信号处理电路等。可调激光光源是用来提供输入光，通过准直透镜准直，输入光照射到可调纳米光栅上，可调纳米光栅通过梁与质量块相连，可调纳米光栅通过质量块、梁感应加速度，当有加速度时，可调纳米光栅的栅距发生变化从而导致照射到纳米光栅的输入光的反射光和透射光的能量改变，光电探测器探测反射或透射光能量的变化，通过信号检测电路检测最终获得加速度的大小。

本发明的优点是：

纳米光栅加速度计是用纳米加工技术加工光栅敏感部件，用近场(远场)光学手段测量纳米级位移，通过理论分析表明，此加速度计灵敏度可达到10^-9g，位移测量精度可达到。可望在高灵敏度微加速度计的设计原理和关键技术上实现重大突破，能够满足航空航天和军事领域对高性能技术指标的要求。同时，也可用于精密位置定位、精确地震测量和导航以及精密调制器光开关等上面；

纳米光栅加速度计是通过检测反射或投射光的能量的变化来达到测量加速度的目的，由于多使用光学器件，所以还具有抗高冲击、抗电磁干扰，并且可以通过光纤传输实现远距离加速度探测、以及易于实现传感分布网络的特点；

纳米光栅加速度计基于测量纳米级的位移变化，光栅的尺寸在纳米级，敏感头预计尺寸为60μm×60μm，封装尺寸可以达到2mm×2mm。纳米光栅加速度计可以制作在硅基上，它可以把电和光二者有效的集成在一起。微小型光学部件尺寸大概在几微米，可以加工在硅表面从而替代大体积的元件。这些技术的使用允许光学元件制作在硅基表面或内部，从而可以与电子元件集成在一起，实现加速度计的小型化；

此发明可以采用扫描电镜增配聚焦离子束的双束系统进行加工。该系统具有原位探测的优点——在加工的同时可以实时进行观测，如果在加工过程中，发现不妥，可以随时调整参数，大大节省了工时和成本。FIB(聚焦离子束)系统加工采用液态镓离子源，带正电荷。而SEM(扫描电子显微镜)是采用电子。但两者同时应用时，镓离子正电荷会和电子所带的负电荷产生中和，进一步减小束斑直径，从而使加工的最小线宽进一步减小。目前，该系统加工的最小线宽为7nm。采用FIB加工的优点即光栅加工周期一致性好，加工的纳米光栅周期为840nm时，周期一致性优于1％，同时加工垂直度好。与电子束刻蚀相比，由于镓离子比电子的质量要大很多，因此同样的条件下，可以比电子束刻蚀加工的更深，更快。该方法加工步骤如下，

1)在多晶硅表面淀积一层十几纳米厚的薄金层。2)将待加工的物放入加速电压为30KV的聚焦离子束/扫描电镜双束系统中，在特定的放大倍数下，将离子束聚焦成5-7nm束斑。3)将束斑移动至待加工物表面需制备纳米光栅的位置进行加工，得到纳米光栅结构。

具体实施例中，加工尺寸及参数可以设置为：

加工时，需要先对双束系统进行调焦，调像散，但参数均调整完毕后，利用图形发生器设计光栅图形，设置加工参数。加工时间与束流大小，加工规模等参数均有关系，有时为了达到一个时间和质量的一个最优，需要反复调试参数。经过较长时间的工艺摸索，得到加工参数如下，

区域步距尺寸：0.001～0.002μm，区域暂停时间：0.023050～0.02390ms，区域剂量：791500～791800PAS/cm²，暂停时间0.348500～348900ms。电子束速度：0.052mm/s，点暂停时间：0.10000ms，刻写场尺寸：20um。最小步距：0.0002～0.0004um。束流：0.027～0.029nA。区域步距：0.0012um。其中，区域剂量＝(束流×区域停留时间)/区域步距。电压；30KeV。

如图4所示，为具体实施例的设计加工光栅图形。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步的详细说明：

如图2所示，是纳米光栅加速度计中用到的可调纳米光栅的结构示意图。下面对可调纳米光栅的工作原理和结构进行阐述。当光在均匀介质(例如空气)中传播时，它表现为一系列沿传播方向行进的平面波。当平面波遇到障碍时，它将因为障碍物的影响而发生改变。如果障碍物是一个隙缝，隙缝周围有两个主要区域：近场区域和远场区域。从隙缝衍射出来的波前的形状取决于观察点是在近场还是在远场。如果障碍物包括多个隙缝，衍射出来的波是由各个隙缝相互作用得到的。当隙缝的大小发生变化时，通过隙缝衍射出来的光的强度就会随之发生改变。

本发明中所用到的可调纳米光栅正是基于以上的机理。如附图2所示的可调纳米光栅，此种光栅能够改变光学输出信号的衍射模式强度。这种可调纳米光栅结构上包括两个子光栅结构，分别为可动子光栅1和固定子光栅2。可动子光栅1就是它可以感应外界的加速度从而发生位置变化，而固定子光栅2是不能感应外界加速度，是不动的。它们相互作用，并且它们的宽度和厚度要比输入的光信号的波长小。每个子光栅都是由多个单光栅3组成。图2中，可动子光栅1包含多个单光栅，这些单光栅沿着水平轴均匀间隔，并固定在梁4上，可以随梁4一起移动。固定子光栅2固定在基座上(图2中基座未画出)，沿水平轴均匀间隔。两个子光栅上下交叉排列，共同构成了许多隙缝，每个隙缝都包含缝宽a和缝深b。缝宽定义为可动子光栅中的一个单个光栅和固定子光栅中与其距离最近的单光栅的侧面的距离。缝深定义为下面的固定子光栅的某个单光栅的上表面(或下表面)与相对应的可动子光栅中的单光栅的上表面(或下表面)的距离。当有加速度时，加速度通过质量块5感应，质量块5的运动带动梁4的左右(或上下，取决于加速度的方向)的移动，当梁4左右(上下)移动时带动可动子光栅1的左右(或上下)的移动，由于可动子光栅1的移动，同时固定子光栅2固定不动，因此缝宽a和缝深b相应的发生改变。这时通过此可调纳米光栅的衍射光和反射光的光强就会随之发生变化。

一个具体实施例的可调纳米光栅的尺寸设计指标为：

周期d＝600～850nm，单光栅栅宽w＝200～450nm，单光栅栅厚h＝600～850nm，单光栅长度l₁＝3～3.5μm；

梁4的指标为：

灵敏度20fm/ng，固有频率100Hz；

质量块为：18～22mg。

如图3所示，为本发明即纳米光栅加速度计的结构示意图。结构上可以分为三部分，工作原理如下：光从底部的两个激光光源6发出，发出的光照射到加速度计芯片7上，加速度芯片7包括可调纳米光栅8和质量块9，光照射到加速度计芯片7中的可调纳米光栅8上，透射光被光电探测器10接受，将其光信号转变成电信号，然后通过信号检测电路11、12进行检测。当有加速度时，质量块9感应加速度，带动可调纳米光栅8移动，此时会导致透射过可调纳米光栅的光的强度发生变化，将加速度信号转化成光信号，通过光电探测器10将光信号转换成电信号，然后通过信号检测电路测出电信号从而测出加速度的大小。

一个具体实施例的激光光源指标为：

中心波长850nm，输出功率)1mw；

光电探测器：跨阻～40KΩ，带宽～111MHZ，转换率0.92A/W。

本发明主要是通过可调纳米光栅的纳米位移量来计算加速度的大小。位移精度非常高可达到

，，整个纳米光栅加速度计的系统灵敏度可达到590V/G，系统噪声可降低到

，分辨率可达到

。可望在高灵敏度为加速度计的原理和关键技术上实现重大突破，为研制出切实可行的高精度微小型惯性器件提供新颖的设计方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调纳米光栅，其特征在于，包括可动子光栅和固定子光栅，所述可动子光栅和固定子光栅分别包括多个单光栅；

所述可动子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在梁上；

所述固定子光栅的多个单光栅沿着水平轴均匀间隔布置，并固定在基座上；

所述可动子光栅和固定子光栅的多个单光栅上下交叉排列，构成多个隙缝；

所述梁为活动梁，所述活动梁连接有质量块。

2.一种纳米光栅加速度计，其特征在于，包括激光光源、加速度计芯片、光电探测装置，所述加速度计芯片包括权利要求1所述的可调纳米光栅；

所述激光光源发出的光穿过所述可调纳米光栅的多个单光栅构成的隙缝后，被所述光电探测装置接收。

3.根据权利要求2所述的纳米光栅加速度计，其特征在于，所述激光光源、加速度计芯片和光电探测装置分别有两个。

4.根据权利要求3所述的纳米光栅加速度计，其特征在于，所述单光栅的宽度和厚度小于或等于所述激光光源发出的光的波长。

5.根据权利要求2、3或4所述的纳米光栅加速度计，其特征在于，所述光电探测装置包括光电探测器，所述光电探测器连接有信号检测电路。

6.一种权利要求1所述的可调纳米光栅或权利要求2所述的纳米光栅加速度计的加工方法，其特征在于，包括步骤：

首先，在多晶硅表面淀积一层十几纳米厚的薄金层；

其次，将待加工的物放入加速电压为30KV的聚焦离子束/扫描电镜双束系统中，在特定的放大倍数下，将离子束聚焦成5-7nm束斑；

之后，将束斑移动至待加工物表面需制备纳米光栅的位置进行加工，得到纳米光栅结构。

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