CN104501842A - 一种基于微机电系统的光传感装置和光传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光传感器技术领域，具体涉及一种基于微机电系统的光传感装置，包括：光源，用于输出光子信号；微机电单元，包括相互连接的感应运动模块和光变模块，所述感应运动模块用于感应外界信息并根据外界信息进行机械变化，所述光变模块用于改变光子信号的物理特征，所述光变模块通过感应运动模块带动进行机械变化；光接收单元，用于接收通过微机电单元的光子信号并转换成电信号。还涉及一种基于微机电系统的光传感方法。本发明通过设计一种光传感装置和光传感方法，根据反应外界信息的变化改变光子信号的物理特征，提高对外界信息的变化的灵敏度，还具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性和适应性强等优点，并适于应用在各种环境中。

Description

一种基于微机电系统的光传感装置和光传感方法

技术领域

本发明涉及光传感器技术领域，具体涉及一种基于微机电系统的光传感装置和光传感方法。

背景技术

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势，传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro Electro MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。特别是微机电系统传感器，MEMS(微机电系统)技术目前已经广泛使用于各类电子传感器之中，包括，陀螺仪、压力传感器、加速度计、气体传感器、生物芯片。这些传感器通过特定的结构将外界的各种信号(包括运动、压力、生物化学组份信号)直接转换成电子信号。尽管电子信号的处理技术已逐渐走向成熟，但是在日益提升的高灵敏度、高集成度性能要求及市场需求驱动之下，作为传感的电子信号由于自身物理特征的限制将成为下一代传感器的技术瓶颈。

在光传感技术迅速发展的今天，已经能够解决传统传感技术存在的灵敏度低、易受干扰、感应时间较长、检测某些化学气体不安全等方面的问题。光传感技术作为信息科学技术的一个重要分支，在光通信、工业过程控制、环境监测和国家安全等众多方面都有着十分重要的应用。与传统传感器相比，光传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰能力强、便于集成、可在线检测等众多优点。因此在传感领域中，光传感占有越来越重要的地位。

近年来，作为传感器技术中十分重要的一员，光传感器已广泛应用在各个行业。尽管光传感技术正在快速发展，在设计上却一直没有重大的突破。由于受到光学器件尺寸和材料的限制，平面光传感系统的制备通常需要复杂的加工工艺流程，如光刻、电子束刻蚀或者纳米压印技术，且难以同时集成复杂的光电性能在单一芯片上，不便于实现大规模产业化制作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于微机电系统的光传感装置，提高传感性能，并实现光传感器的芯片集成化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于微机电系统的光传感装置，包括：

光源，用于输出光子信号；

微机电单元，包括相互连接的感应运动模块和光变模块，所述感应运动模块用于感应外界信息并根据外界信息进行机械变化，所述光变模块用于改变光子信号的物理特征，所述光变模块通过感应运动模块带动进行机械变化；

光接收单元，用于接收通过微机电单元的光子信号并转换成电信号；

所述微机电单元分别与光源和光接收单元连接。

其中，较佳方案是：所述感应运动模块包括用于感应外界信息的感应子模块和根据外界信息进行机械变化的机械子模块，所述机械子模块分别与感应子模块和光变模块连接。

其中，较佳方案是：所述光变模块包括至少一层的光学薄膜，所述光学薄膜用于改变光子信号的物理特征。

其中，较佳方案是：所述光子信号的物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。

其中，较佳方案是：所述微机电单元还包括一机械联接模块，所述机械联接模块分别与机械子模块和光变模块连接，所述机械子模块通过机械联接模块带动光变模块进行机械变化。

其中，较佳方案是：所述光源包括相互连接的发光模块和驱动电极模块，所述发光模块用于输出具有特定波长的光子信号，所述驱动电极模块用于提供发光模块工作所需能量。

其中，较佳方案是：所述光接收单元包括相互连接的光电转换模块和电信号输出模块，所述光电转换模块用于接收通过微机电单元的光子信号，并将光子信号转换成电信号，所述电信号输出模块用于将电信号输出到外部电子设备中。

其中，较佳方案是：还包括光传输通道，所述光传输通道包括若干具有不同光折射率的通光层，所述通光层根据由低至高的光折射率在光传输通道中横向排列；所述光子信号在光传输通道中是从光折射率低的通光层射向光折射率高的通光层。

其中，较佳方案是：所述光传输通道包括发射端光传输通道和接收端光传输通道，所述发射端光传输通道设置在光源和微机电单元之间，所述接收端光传输通道设置在光接收器和微机电单元之间。

其中，较佳方案是：还包括一衬底，所述光源、微机电单元和光接收单元依次设置在所述衬底上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种基于微机电系统的光传感方法，包括步骤：

A、输出光子信号，并将光子信号输入微机电单元中；

B、所述微机电单元包括相互连接的感应运动模块和光变模块，所述感应运动模块感应外界信息并根据外界信息进行机械变化，所述光变模块通过感应运动模块带动进行机械变化,并改变光子信号的物理特征；

C、接收通过所述微机电单元的光子信号，并将光子信号转换成电信号。

其中，较佳方案是：所述步骤B中的机械变化包括移动、转动、振动、弯曲、扭曲和伸缩。

其中，较佳方案是：所述步骤B中的光子信号物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种光传感装置和光传感方法，根据反应外界信息的变化改变光子信号的物理特征，提高对外界信息的变化的灵敏度，还具有电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、非侵入性和适应性强等优点，并适于应用在各种环境中；由于结构简单，便于光传感器的芯片集成化设计，便于大规模生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明光传感装置的结构框图；

图2是本发明光传感装置的具体结构框图；

图3是本发明感应运动模块的结构框图；

图4是本发明光传感装置的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，本发明提供一种光传感装置的优选实施例，其中图1是光传感装置的结构框图。

一种基于微机电系统的光传感装置10，包括光源100、微机电单元200和光接收单元300，光源100、微机电单元200和光接收单元300依次连接。其中光源100用于输出光子信号，优选输出具有特定波长的光子信号；微机电单元200包括相互连接的感应运动模块210和光变模块220，感应运动模块210用于感应外界信息20并根据外界信息20进行机械变化，光变模块220用于改变光子信号的物理特征，光变模块220通过感应运动模块210带动进行机械变化；光接收单元300用于接收通过微机电单元200的光子信号并转换成电信号。

具体地，光源100将输入光子信号31发送到微机电单元200中，微机电单元200根据外界信息20改变输入光子信号31的物理特征，光接收单元300接收通过微机电单元200的输出光子信号32。微机电系统具体指微机电单元200中各模块构成的工作系统。

光子信号的物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。光源100发射出的光子信号优选包括红外线和可见光，其中根据光传感装置10的应用环境，光源100发射出的光子信号还包括紫外线和X射线等高频率电磁波信号。

如图2、图3和图4所示，本发明提供一种光传感装置的较佳实施例，其中图2是光传感装置的具体结构框图，图3是感应运动模块的结构框图，图4是光传感装置的结构示意图。

一种基于微机电系统的光传感装置10，包括光源100、微机电单元200和光接收单元300，还包括光传输通道，光传输通道设置在光源100和微机电单元200之间，或者设置在微机电单元200和光接收单元300，光传输通道是在光子信号在光源100、微机电单元200和光接收单元300间传输的通道媒介，提高光传感装置10的传感性能。

进一步地，微机电单元200包括感应运动模块210、光变模块220和机械联接模块230，感应运动模块210通过机械联接模块230与光变模块220连接，感应运动模块210包括感应子模块211和机械子模块212，机械子模块212分别与感应子模块211和光变模块220连接。

其中，在感应运动模块210中，感应子模块211用于感应外界信息20，机械子模块212根据外界信息20进行机械变化，感应子模块211可为各种类型传感器，不同类型传感器检测不同的外界信息20，外界信息20包括位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量；机械子模块212根据上述外界信息20的变化程度进行机械变化，机械变化包括机械运动和机械形变，机械运动包括移动、转动和振动，机械形变包括弯曲、扭曲和伸缩。以下提供一案例：在一种基于振动传感的微机电单元200中，机械子模块212包括底部悬空的质量滑块和与质量滑块连接的弹簧结构，质量滑块和弹簧结构构成的结构体具有特定的本征共振频率，当外界振动频率接近结构体的本征共振频率时，结构体将发生共振现象，且产生机械振动。

在光变模块220中，光变模块220包括至少一层的光学薄膜，光学薄膜用于改变光子信号的物理特征。光学薄膜优选通过半导体芯片制造工艺在特定区域形成至少一层含有特定材料的金属薄膜、合金属薄膜或非金属薄膜，其中半导体芯片制造工艺包括电镀、溅射、淀积等工艺，特定区域为用于固定光变模块220的区域，特定材料包括金属材料、合金材料和非金属材料。使用特定材料形成的金属薄膜、合金属薄膜或非金属薄膜对特定波长的光子信号具有高反射率或高透射率，高反射率优选百分之九十以上，高透射率优选百分之九十以上。光学薄膜与感应运动模块210连接，感应运动模块210带动光学薄膜根据外界信息20的变化程度进行机械变化。

其中，光学薄膜根据不同的形成形状、不同的初始位置、输入光子信号31的不同光斑尺寸、不同的材料、不同的机械变化，对光子信号的物理特征具有不同的改变。以下提供一案例：在上述基于振动传感的微机电单元200中，为了增强灵敏度，输入至光学薄膜的光斑尺寸应较小(如光斑直径为500微米)而光强应较强(如100毫瓦)，因而光学薄膜的尺寸也应较小(如400微米)，而且光学薄膜的边缘位置应接近初始状态下输入光斑的中心点，光学薄膜的组成材料应当能够以高反射率(大于90％以上)对光强应较强(如100毫瓦)的输入光斑进行反射，由此，质量滑块和弹簧结构构成的结构体带动光学薄膜的正向或反向平移运动，并将增强或减弱反射光子信号在传播路劲中的强度分布。

在机械联接模块230中，机械联接模块230分别与机械子模块212和光变模块220连接，机械子模块212通过机械联接模块230带动光变模块220进行机械变化。

光传感装置10包括一微机电单元200，但由于环境需要、功能应用或传感精确度需求，光传感装置10可包括两个及以上的微机电单元200。

进一步地，光源100包括相互连接的发光模块110和驱动电极模块120，发光模块110用于输出具有特定波长的光子信号，驱动电极模块120用于提供发光模块110工作所需能量。其中特定波长优选波长大于1微米；发光模块110包括发光二极管、激光器和热辐射体；光子信号包括两种光波：不随电子信号变化的连续光波和随电子信号变化的调制光波，连续光波的稳定性更强，调制光波提高光波的可控性。

进一步地，光接收单元300包括相互连接的光电转换模块310和电信号输出模块320，光电转换模块310用于接收通过微机电单元200的光子信号，并将光子信号转换成电信号，电信号输出模块320用于将电信号输出到外部电子设备中。光接收单元300还包括放大器模块，用于将光电转换模块310输出的电信号进行放大。

进一步地，光传感装置10还包括光传输通道，光传输通道包括若干具有不同光折射率的通光层，通光层根据由低至高的光折射率在光传输通道中横向排列；光子信号在光传输通道中是从光折射率低的通光层射向光折射率高的通光层。其中若干通光层形成同轴结构，通光层的组成材料包括硅、二氧化硅或其他含硅化合物，光传输通道的结构包括直线形状波导、弯曲形状波导、Y型波导、棱镜波导、透镜波导、光栅波导结构等。光子信号在光传输通道中是从光折射率低的通光层射向光折射率高的通光层是由于光子信号在折射率低的材料发射到折射率高的材料时，会发生全反射现象，以便光子信号能在光传输通道中稳定传播。

其中，光传输通道包括发射端光传输通道410和接收端光传输通道420，发射端光传输通道410设置在光源100和微机电单元200之间，接收端光传输通道420设置在光接收器和微机电单元200之间。由于光子信号在光传输通道中是从光折射率低的通光层射向光折射率高的通光层，发射端光传输通道410具有光折射率高通光层的一端与微机电单元200连接，接收端光传输通道420具有光折射率低通光层的一端与微机电单元200连接。

参考图4，提供一种光传感装置10，还包括衬底500，光源100、发射端光传输通道410、微机电单元200、接收端光传输通道420和光接收单元300依次设置在衬底500上。由于光传感装置10设有光传输通道，光源100和光接收单元300不必要设置在同一直线上，只要保证光子信号能通过微机电单元200并到达光接收单元300即可。

进一步地，光传感装置10的光接收单元300输出的电信号传输到与光传感装置10连接的外部设备40中，外部设备40根据电信号检测出外界信号的变化情况。

本实施例中，光传感装置10中的各单元还可通过自身设有的固定结构进行连接。

本发明还提供一种基于微机电系统的光传感方法的较佳实施例，光传感方法的具体步骤如下：

A、输出光子信号，并将光子信号输入微机电单元200中；

B、所述微机电单元200包括相互连接的感应运动模块210和光变模块220，所述感应运动模块210感应外界信息20并根据外界信息20进行机械变化，所述光变模块220通过感应运动模块210带动进行机械变化,并改变光子信号的物理特征；

C、接收通过所述微机电单元200的光子信号，并将光子信号转换成电信号。

在步骤B中，光子信号通过光变模块220的机械变化和光变模块220本身的光学特性，有规律地改变自身的物理特征。有规律地改变不单单是光子信号物理特征的改变示有规律的，还包括根据某时间段的光子信号物理特征的改变，清楚反映外界信息20的变化情况。

进一步地，所述步骤B中的机械变化包括机械运动和机械形变，所述机械运动包括移动、转动和振动，所述机械形变包括弯曲、扭曲和伸缩。其中，感应运动模块210进行其他物理上的变化，都属于机械变化。

进一步地，所述步骤B中的光子信号物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。

具体的，光子信号物理特征的改变，是与光变模块不进行机械变化的情况进行比较，通过电子信号反应光子信号物理特征的改变，外部设备40根据电子信号获得外界信息20。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (13)

1.一种基于微机电系统的光传感装置，其特征在于，包括：

光源，用于输出光子信号；

微机电单元，包括相互连接的感应运动模块和光变模块，所述感应运动模块用于感应外界信息并根据外界信息进行机械变化，所述光变模块用于改变光子信号的物理特征，所述光变模块通过感应运动模块带动进行机械变化；

光接收单元，用于接收通过微机电单元的光子信号并转换成电信号；

所述微机电单元分别与光源和光接收单元连接。

2.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于：所述感应运动模块包括用于感应外界信息的感应子模块和根据外界信息进行机械变化的机械子模块，所述机械子模块分别与感应子模块和光变模块连接。

3.根据权利要求2所述的光传感装置，其特征在于：所述光变模块包括至少一层的光学薄膜，所述光学薄膜用于改变光子信号的物理特征。

4.根据权利要求3所述的光传感装置，其特征在于：所述光子信号的物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。

5.根据权利要求3所述的光传感装置，其特征在于：所述微机电单元还包括一机械联接模块，所述机械联接模块分别与机械子模块和光变模块连接，所述机械子模块通过机械联接模块带动光变模块进行机械变化。

6.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于：所述光源包括相互连接的发光模块和驱动电极模块，所述发光模块用于输出具有特定波长的光子信号，所述驱动电极模块用于提供发光模块工作所需能量。

7.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于：所述光接收单元包括相互连接的光电转换模块和电信号输出模块，所述光电转换模块用于接收通过微机电单元的光子信号，并将光子信号转换成电信号，所述电信号输出模块用于将电信号输出到外部电子设备中。

8.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于：还包括光传输通道，所述光传输通道包括若干具有不同光折射率的通光层，所述通光层根据由低至高的光折射率在光传输通道中横向排列；所述光子信号在光传输通道中是从光折射率低的通光层射向光折射率高的通光层。

9.根据权利要求8所述的光传感装置，其特征在于：所述光传输通道包括发射端光传输通道和接收端光传输通道，所述发射端光传输通道设置在光源和微机电单元之间，所述接收端光传输通道设置在光接收器和微机电单元之间。

10.根据权利要求1所述的光传感装置，其特征在于：还包括一衬底，所述光源、微机电单元和光接收单元依次设置在所述衬底上。

11.一种基于微机电系统的光传感方法，其特征在于，包括步骤：

A、输出光子信号，并将光子信号输入微机电单元中；

B、所述微机电单元包括相互连接的感应运动模块和光变模块，所述感应运动模块感应外界信息并根据外界信息进行机械变化，所述光变模块通过感应运动模块带动进行机械变化,并改变光子信号的物理特征；

C、接收通过所述微机电单元的光子信号，并将光子信号转换成电信号。

12.根据权利要求11所述的光传感方法，其特征在于：所述步骤B中的机械变化包括移动、转动、振动、弯曲、扭曲和伸缩。

13.根据权利要求11所述的光传感方法，其特征在于：所述步骤B中的光子信号物理特征包括强度分布、频率、相位和偏振。