CN106248067A - 用于高度集成的光学读出mems传感器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于高度集成的光学读出MEMS传感器的系统和方法。在一个实施例中，一种用于集成波导光学拾取器传感器的方法包括：将由激光光源产生的激光束发射到在第一基板内单片制作的集成波导光学拾取器中，该集成波导光学拾取器包括光学输入端口、耦合端口和光学输出端口；以及通过测量在光学输出端口处激光束的衰减，检测激光束从耦合端口到与耦合端口分离一定间隙的传感器部件的耦合的量。

Description

用于高度集成的光学读出MEMS传感器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年4月29日提交的名称为“HIGHLY INTEGRATED OPTICALREADOUT MEMS SENSORS(高度集成的光学读出MEMS传感器)”的美国临时申请No.62/154,197的优先权和权益，并且以其全文通过引用并入本文。
背景技术
MEMS传感器的电容性读出容易受到多种误差机制的影响，该多种误差机制诸如是传感器机械模式的电馈通、电阻尼、玻璃充电、金属电容性板的工作功能改变等等。此外，传感器的比例因子(SF)，或者您得出的信号的量除以输入信号，是与读出机构的灵敏度直接相关的。这两种因素限制了MEMS传感器中的电容性读出的有效性。光学倏逝波耦合是有前途的读出技术，其潜在地比其电容性对等物更灵敏且不易受上述的静电误差机制损害。然而，很多所提议的方法不足够坚固以应对传感器通常暴露于的严酷环境因素。
由于上面所述的原因以及由于对本领域技术人员来说在阅读和理解了本说明书时将变得明显的下面所述的其他原因，本领域中存在对用于提供高度集成光学读出MEMS传感器的替代系统和方法的需要。
发明内容
本发明的实施例提供了用于提供高度集成光学读出MEMS传感器的方法和系统，并将通过阅读和研究下面的说明书加以理解。
在一个实施例中，一种用于集成波导光学拾取器传感器的方法包括：将由激光光源产生的激光束发射到在第一基板内单片制作的集成波导光学拾取器中，所述集成波导光学拾取器包括光学输入端口、耦合端口和光学输出端口；以及通过测量在光学输出端口处激光束的衰减来检测激光束从耦合端口到与耦合端口分离一定间隙的传感器部件的耦合的量。
附图说明
在鉴于优选实施例的描述和下面的附图加以考虑时，本发明的实施例可以被更容易理解并且其进一步的优点和用途可以更加显而易见，在下面的附图中：
图1是本公开的一个实施例的单片式光学读出MEMS传感器的示图；
图2是本公开的一个实施例的单片式光学读出MEMS传感器的示图操作；
图3A和3B是图示了本公开的一个实施例的单片式光学读出MEMS传感器的操作的示图；
图4A、4B、4C和4D是本公开的一个实施例的替代的单片式光学读出MEMS传感器的示图；
图5是图示了本公开的一个实施例的光学拾取(pickoff)信号处理的示图；
图6是图示了本公开的一个实施例的光学拾取漂移传感器的示图；和
图7是图示了本公开的一个实施例的方法的流程图。
按照一般惯例，各种所描述的特征不是按比例绘制的而是被绘制成强调与本发明相关的特征。贯穿附图和文本，附图标记表示相似的要素。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参考了形成其一部分且在其中通过其中可实践本发明的具体说明性实施例而示出的附图。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且应当理解的是，可以利用其他实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出逻辑、机械和电学的改变。因此，下面的具体实施方式不应在限制的意义上采用。
本公开的实施例提供了用于在MEMS传感器(诸如但不限于MEMS陀螺仪)的玻璃基板内制作的单片集成光学拾取器的系统和方法。许多MEMS传感器是多层结构，其中一层包括玻璃基板。本公开的实施例可以利用下述工艺：其中，毫微微秒激光器可以被采用以便以相对较低的损耗在玻璃基板中“写”或图案化3维光波导。利用该工艺，光波导可以被集成到器件的玻璃层中。
当移动的MEMS结构足够接近于波导时，经由倏逝波耦合从波导中提取出光。移动的结构离波导越近，则越多的光从波导中耦合出来。因而，可以通过监测波导的光强度输出来导出MEMS器件的运动的振幅。该方法的优点如下。首先，本文公开的实施例通过提供更灵敏的读出改进了传感器性能。倏逝波耦合和电容性读出对作为～e(-gap)的间隙改变(即，移动的结构和感测机构之间的间隔)敏感，而传统的电容性拾取器仅与～1/gap成比例。因此，与电容性耦合相比，倏逝波耦合潜在地对间隙改变敏感得多。由于感测部件的单片集成、更少的光学部件、不相似材料的避免和更好的温度稳定性，本文公开的实施例也比竞争的光学读出方案相对更加稳定。最后，本文公开的实施例提供了归因于不同驱动(静电)和感测(光学)技术的已知传感器偏置机制的消除。
图1是集成光学读出MEMS传感器100的本公开的一个实施例的示图。传感器100包括陀螺仪器件层114，其包括第一检测质量块116和第二检测质量块117。陀螺仪器件层114被定位在限定了开放空间腔115的上玻璃基板110和下玻璃基板112之间，在该开放空间腔115内，第一检测质量块116和第二检测质量块117中的每个具有至少一个自由度(1-DOF)，以在相对于陀螺仪器件层114的平面成法向的方向上在开放空间腔115内移动。也就是说，虽然它们可能以三个自由度移动，但它们至少反应于沿着相对于陀螺仪器件层114的平面成法向的传感器100的感测轴施加的惯性力而垂直地移入和移出陀螺仪器件层114的平面。检测质量块116和117的运动由集成波导光学拾取器120、130、140和150测量。在本文中使用术语时，“集成波导”意味着：光学拾取器120、130、140和150包括单片集成到玻璃基板110和112中的波导。在一个实施例中，这些集成波导元件是使用到例如由其制作玻璃基板110和112的Gorilla GlassTM材料中的三维毫微微秒激光波导图案化来创建的。
如图1中所示，集成波导光学拾取器120和130可以被用于测量检测质量块116的位移。集成波导光学拾取器120在检测质量块116上方的上玻璃基板110内制作，并包括光学输入端口121、耦合端口123和光学输出端口125。在一个实施例中，光学输入端口121和光学输出端口125中的一个或全部两个可以包括上玻璃基板110的外表面的区域，其被抛光以促进激光从上玻璃基板110的低损耗进入和离开。输入端口121通过单片集成波导122光学耦合到耦合端口123，而耦合端口123通过单片集成波导124进一步耦合到输出端口125。在一个实施例中，耦合端口123包括波导122和124之间的单片集成波导的部分，该部分在开放空间腔115内逼近上玻璃基板110的表面，且被定位成当检测质量块116非常靠近于耦合端口123时将光耦合到检测质量块116中。在一个实施例中，激光在输入端口121处由激光光源126发射到上玻璃基板110中，且在输出端口125处由光电检测器127测量离开上玻璃基板110。
集成波导光学拾取器130在检测质量块116下方的下玻璃基板112内制作，并包括光学输入端口131、耦合端口133和光学输出端口135。在一个实施例中，光学输入端口131和光学输出端口135中的一个或全部两个可以包括下玻璃基板112的外表面的区域，该区域被抛光以促进激光从下玻璃基板112的低损耗进入和离开。输入端口131通过单片集成波导132光学耦合到耦合端口133，而耦合端口133通过单片集成波导134进一步耦合到输出端口135。在一个实施例中，耦合端口133包括波导132和134之间的单片集成波导的部分，该部分在开放空间腔115内逼近下玻璃基板112的表面，且被定位成当检测质量块116非常靠近于耦合端口133时将光耦合到检测质量块116中。在一个实施例中，激光在输入端口131处由激光光源136发射到下玻璃基板112中，且在输出端口135处由光电检测器137测量离开下玻璃基板112。
另外，如图1中所示，集成波导光学拾取器140和150可以用于测量检测质量块117的位移。集成波导光学拾取器140在检测质量块117上方的上玻璃基板110内制作，并包括光学输入端口141、耦合端口143和光学输出端口145。在一个实施例中，光学输入端口141和光学输出端口145中的一个或全部两个可以包括上玻璃基板110的外表面的区域，该区域被抛光以促进激光从上玻璃基板110的低损耗进入和离开。输入端口141通过单片集成波导142光学耦合到耦合端口143，而耦合端口143通过单片集成波导144进一步耦合到输出端口145。在一个实施例中，耦合端口143包括波导142和144之间的单片集成波导的部分，该部分在开放空间腔115内逼近上玻璃基板110的表面，且被定位成当检测质量块117非常靠近于耦合端口143时将光耦合到检测质量块117中。在一个实施例中，激光在输入端口141处由激光光源146发射到上玻璃基板110中，且在输出端口145处由光电检测器147测量离开上玻璃基板110。
集成波导光学拾取器150在检测质量块117下方的下玻璃基板112内制作，并包括光学输入端口151、耦合端口153和光学输出端口155。在一个实施例中，光学输入端口151和光学输出端口155中的一个或全部两个可以包括下玻璃基板112的外表面的区域，该区域被抛光以促进激光从下玻璃基板112的低损耗进入和离开。输入端口151通过单片集成波导152光学耦合到耦合端口153，而耦合端口153通过单片集成波导154进一步耦合到输出端口155。在一个实施例中，耦合端口153包括波导152和154之间的单片集成波导的部分，该部分在开放空间腔115内逼近下玻璃基板112的表面，且被定位成当检测质量块117非常靠近于耦合端口153时将光耦合到检测质量块117中。在一个实施例中，激光在输入端口151处由激光光源156发射到下玻璃基板112中，且在输出端口155处由光电检测器157测量离开下玻璃基板112。
激光光源126、136、146和156以及光电检测器127、137、147和157是可集成到器件封装壳体传感器100中的电气器件，或者可替换地，可在分别与上玻璃基板110和下玻璃基板112的外部上和下表面对接的插入层160和162(或其他物理层)内制作的电气器件。在一个实施方式中，激光光源126、136、146和156中的每个是发光二极管(LED)激光光源。
当传感器100暴露于惯性力时，检测质量块116和117将从其在陀螺仪器件层114的平面内的位置位移与惯性力的幅度成正比的距离。这种由围绕传感器100的旋转轴的旋转加速度造成的位移的一个示例在图2中图示，其中检测质量块116向着上玻璃基板110(以及远离下玻璃基板112)位移，而检测质量块117向着下玻璃基板112(以及远离上玻璃基板110)位移。激光光源126、136、146和156中的每个将激光光束发射到它们各自的光学输入端口中，该激光光束经由单片集成波导122、124、132、134、142、144和152、154传播到它们各自的光电检测器127、137、147和157。到达光电检测器127、137、147和157的激光光束的强度可以被用于确定检测质量块116和117由于惯性力而经历的偏转，并且因此，来自光电检测器127、137、147和157的电输出信号可以最终被用于获得该惯性力的测量结果。
例如，图3A在300图示了集成波导光学拾取器360中的任一个的示例操作，集成波导光学拾取器360可以表示上面讨论的集成波导光学拾取器120、130、140和150中的任一个。在图3A的示例中，检测质量块315(其可以表示例如检测质量块116或117)远离耦合端口333而偏转。这会是图2中的集成波导光学拾取器130和140二者中的任一个的示例位移的情况。这里，集成波导光学拾取器360在玻璃基板312内单片制作，并包括光学输入端口331、耦合端口333和光学输入端口335。由于惯性力，检测质量块315从其静止位置301到偏转位置302(远离耦合端口333)偏转与惯性力的幅度成比例的距离。远离耦合端口333的该偏转减小了检测质量块315和耦合端口333之间的光学耦合(在304图示出)，使得被发射到输入端口331中的强度为PIN的激光在几乎没有乃至没有衰减的情况下到达输出端口335(在350由曲线图示出)。事实上，因为来自输出端口335的倏逝波读出是作为检测质量块315和耦合端口333之间的间隙距离305的指数函数(即，k～e-gap distance)而衰减的，所以随着间隙距离305增大，在输出端口335处由于检测质量块315和耦合端口333之间的光学耦合而引起的衰减影响迅速变得可忽略。
相比而言，图3B在360图示了检测质量块315向着耦合端口333偏转的示例操作。对于图2中的集成波导光学拾取器120和150，将是这种情况。由于惯性力，检测质量块315现在从其静止位置301到偏转位置303(即，向着耦合端口333)偏转与惯性力的幅度成比例的距离。向着耦合端口333的该偏转增加了检测质量块315和耦合端口333之间的光学耦合(在307图示出)，使得被发射到输入端口331中的强度为PIN的激光的某部分耦合到检测质量块315中，且未到达输出端口335。结果是未到达输出端口335的激光的强度的衰减。因为来自输出端口335的倏逝波读出是作为检测质量块315和耦合端口333之间的间隙距离306的指数函数(即，k～e-gap distance)而衰减的，所以随着间隙距离306减小，在输出端口335处由于检测质量块315和耦合端口333之间的光学耦合而引起的衰减影响迅速增加。
关于本公开的实施例，对在MEMS传感器的上和下玻璃基板的材料内制作的集成波导光学拾取器的利用提供了可与由电容性拾取器提供的那些读出稳定性相比的读出稳定性，但具有可利用光学拾取器实现的改进灵敏性，同时避免原本可能从并入有不同光学材料以实现光学拾取器而引入的稳定性误差。在此描述的各种实施例提供了由于更灵敏的读出而引起的改进性能、由于单片集成而引起的稳定光学读出方案，需要相对较少的光学部件，避免不相似的材料，以及提供温度稳定性的改进。单片集成提供了在静电读出MEMS陀螺仪之上的改进的枪硬度以及由于消除驱动到感测馈通机制的独特的驱动(电学)和感测(光学)技术而引起的已知偏置机制的消除。这些实施例还提供了与电容性拾取器相比更灵敏的拾取器(＞10x)、导致改进的器件性能的陀螺仪比例因子的增加，并允许检测质量块弹簧更加刚性以在不牺牲性能的情况下留存更高的g水平。
图4A和4B是本公开的一个实施例的替代单片光学读出MEMS传感器400的示图。在一个实施例中，光学读出MEMS传感器400提供了传感器100的替代实施方式。因此，图1和2中相似命名的元件的描述适用于传感器400，并且反之亦然。在一些实施方式中，在图4A和4B中描述的元件可以与图1和2中的相似命名的元件结合、与其组合或作为其替代物而使用。传感器400包括陀螺仪器件层414，陀螺仪器件层414包括第一检测质量块416和第二检测质量块417。陀螺仪器件层414被定位在限定了开放空间腔415的上玻璃基板410和下玻璃基板412之间，在该开放空间腔415内，第一检测质量块416和第二检测质量块417中的每个具有至少一个自由度(1-DOF)，以便以与上面关于检测质量块116和117描述的方式相同的方式在相对于陀螺仪器件层414的平面成法向的方向上在开放空间腔415内移动。也就是说，尽管它们可以以三个自由度移动，但是它们至少反应于沿传感器400的与陀螺仪器件层414的平面成法向的感测轴施加的惯性力而垂直地移入和移出陀螺仪器件层414的平面。检测质量块416和417的运动由集成波导光学拾取器420、440、440和450测量。
与传感器100相对比，传感器400利用两个激光光源426和436，这两个激光光源426和436被安装到相应玻璃基板410和412的侧面，而不是被安装在相应玻璃基板410和412上面或下面的插入层中。如图4A中所示，激光光源426经由输入端口421将其激光发射到玻璃基板410中，并经由输入端口422发射到玻璃基板412中。因为激光光源426是相干的，所以全部两个光学输入端口421和422均有效地看到相同的光。进入光学输入端口421的激光传播到光学拾取器420的耦合端口423(以测量检测质量块416的偏转)，并且同时，进入光学输入端口422的激光传播到光学拾取器450的耦合端口453(以测量检测质量块417的偏转)。耦合端口423耦合到光学输出端口425，并且到达光学输出端口425的光的强度由光电检测器446测量。耦合端口453耦合到光学输出端口455，并且到达光学输出端口455的光的强度由光电检测器457测量。如图4B中所示，激光光源436经由输入端口431将其激光发射到玻璃基板410中，并经由输入端口432发射到玻璃基板412中。再一次，因为激光光源436是相干的，所以全部两个光学输入端口431和432均有效地看到相同的光。应当理解，对于一些实施方式，激光光源436和激光光源426可以使用相同的激光产生器件而实现，而在其他实施方式中，它们是独立的激光光源。进入光学输入端口431的激光传播到光学拾取器440的耦合端口443(以测量检测质量块417的偏转)，同时，进入光学输入端口432的激光传播到光学拾取器430的耦合端口433(以测量检测质量块416的偏转)。耦合端口443耦合到光学输出端口445，并且到达光学输出端口445的光的强度由光电检测器447测量。耦合端口433耦合到光学输出端口451，并且到达光学输出端口451的光的强度由光电检测器456测量。与传感器100一样，输入端口、耦合端口和输出端口中的每一个的耦合是利用限定集成波导光学拾取器420、430、440和450的玻璃基板410和412内的集成波导实现的。也就是说，光学拾取器420、430、440和450包括单片集成到玻璃基板410和412中的波导。在一个实施例中，与光学输入端口421和431相似，在玻璃基板410和412的侧面而不是玻璃基板410和412的顶和底表面上制作光学输出端口425、445、455和451，并且，被安装的光电检测器446、447、457和456接收从这些输出端口离开的光。
还应当理解，在另一个实施例中，可以将输出425和455组合在一起，使得单个光电检测器可以代替446和457。同样地，可以将输出445和451组合在一起，使得单个光电检测器可以代替447和456。这种实施例在图4C和4D中由传感器470图示。传感器470与传感器400相同，预期：1)传感器400中的两个分离的光电检测器446和457被单个光电检测器448替换，该单个光电检测器448测量针对在两个光学输出端口425和455处接收的总光而接收的光强度；以及2)传感器400中的两个分离的光电检测器447和456被单个光电检测器458替换，该单个光电检测器458测量针对在两个光学输出端口445和451处接收的总光而接收的光强度。传感器470反应于旋转力的方式，检测质量块416和417将在相反的方向(即，彼此异相)上移动，如上面关于图2所描述。因此通过利用单个光电检测器448以监测光学拾取器420和450二者以及利用另一单个光电检测器458以监测光学拾取器420和440二者，传感器470有效地两次测量相同的效果。与图4C和4D的实施例相关联的一个优点在于：需要更少数量的光电检测器，从而降低了成本和复杂度，而且减小了测量中的信号噪声。也就是说，在图4A和4B的实施例中，利用四个分离的光电检测器，针对光学拾取器420、430、440和450中的每一个有一个。这些光电检测器中的每一个表示不相关噪声对测量的分离贡献。通过利用如图4C和4D中所示的仅两个光电检测器，而不是四个，不相关噪声贡献的潜在源的数量削减成一半。相比而言，利用分离的光电检测器分离地测量光学拾取器420、430、440和450中的每一个的输出的一个优点在于：可以在没有可能来自组合信号的掩蔽的情况下检测到检测质量块416和417的非理想或反常运动。
图5是总体上在500图示了本公开的一个实施例的光学拾取信号处理的示图。对于在此描述的实施例中的任一个来说，与集成波导光学拾取器中的每一个相关联的(总体上在505示出的)光电检测器的电输出可以由电子设备510使用模拟或数字装置或者其组合来处理，以抵消共模或其他误差。例如，基于来自与第一检测质量块相关联的光电检测器(PM1顶PD和PM1底PD)的输出之间的差的函数，电子设备510可以确定第一检测质量块的位移。相似地，基于来自与第二检测质量块相关联的光电检测器(PM2顶PD和PM2底PD)的输出之间的差的函数，电子设备510可以确定第二检测质量块的位移。其他传感器测量结果可以通过考虑全部两个检测质量块的组合偏转而实现。例如，基于来自针对第一检测质量块的顶基板光电检测器(PM1顶PD)和针对第二检测质量块的底基板光电检测器(PM2底PD)的输出之间的差的函数，电子设备510可以确定惯性测量结果或校正因子。相似地，基于来自针对第一检测质量块的底基板光电检测器(PM1底PD)和针对第二检测质量块的顶基板光电检测器(PM2顶PD)的输出之间的差的函数，电子设备510可以确定惯性测量结果或校正因子。
虽然上面的本公开描述了用于测量移动部分(例如，移动的检测质量块)的运动的单片集成光学拾取器的说明性实施例，但是应当注意，在另外其他实施例中，单片集成光学拾取器可以与未有意地移动的特征结合而用于其他应用。例如，图6是图示了本公开的一个实施例的集成波导光学拾取漂移传感器600的示图。传感器600包括与玻璃基板610邻近定位的静态结构层614。在图6的实施例中，第一间隙615限定了上玻璃基板610和静态结构层614之间的固定距离开放空间。传感器600进一步包括集成波导光学拾取器620，其包括单片集成到玻璃基板610中的波导元件。在一个实施例中，这些集成波导元件是使用到例如由其制作玻璃基板610的Gorilla GlassTM材料中的三维毫微微秒激光波导图案化来创建的。
集成波导光学拾取器620在静态结构层614上方的上玻璃基板610内制作，并包括光学输入端口621、耦合端口623和光学输出端口625。在一个实施例中，光学输入端口621和光学输出端口625中的一个或全部两个可以包括上玻璃基板610的外表面的区域，其被抛光以促进激光从上玻璃基板610的低损耗进入和离开。输入端口621通过单片集成波导622光学耦合到耦合端口623，而耦合端口623通过单片集成波导624进一步耦合到输出端口625。在一个实施例中，耦合端口623包括波导622和624之间的单片集成波导的部分，该部分在间隙空间615内逼近上玻璃基板610的表面，且被定位成将光耦合到静态结构层614中。在一个实施例中，激光在输入端口621处由激光光源626发射到上玻璃基板610中，且在输出端口625处由光电检测器627测量离开上玻璃基板610。激光光源626也可以与一个或多个其他光学传感器(诸如上面描述的MEMS传感器100或400)结合使用，并经由集成波导628将激光提供到这种传感器的元件。
使用如图6中所示的这种集成波导光学拾取器，可以利用光学倏逝波耦合以检测光学输出端口625处的光强度的改变，其可能由激光光源所提供的激光中的诸如漂移之类的现象导致。利用这种单片集成光学拾取器以测量静止元件之间的恒定间隙可以用于校准出器件的移动部分中的那些类型的漂移。也就是说，因为间隙615是恒定间隙，所以耦合端口623与静态结构层614之间的光学耦合的任何改变都归因于来自激光光源626的激光的光功率中的漂移。在一个实施例中，光电检测器627的电信号输出被提供给偏置误差计算器640以计算偏置误差。在一个实施例中，可以将从偏置误差计算器640输出的偏置误差馈送到电子设备510中并包括在用于产生惯性测量结果的计算中。
例如，参考图6以及图3A和3B，如果在一个实施例中激光光源626也是到光学输入端口231的激光的源，则可以使用在光电检测器627处测量(且由偏置误差计算器540转换成偏置误差)的强度的改变以检测在光学输出端口235处测量的光强度的改变，这些改变归因于激光漂移而不是检测质量块215位置的改变。通过减掉偏置误差，然后剩下的是检测质量块215的偏转的真实度量。
图7是图示了本公开的一个实施例的方法700的流程图。700的方法可以使用在此描述的各种前述实施例的一个或多个元件而实现，且可以与关于图1-6描述的实施例中的任一个结合或组合使用。由此，上面关于上面相似命名的元件提供的本公开应用方法700，并且反之亦然。
该方法开始于710，其中将由激光光源产生的激光束发射到在第一基板内单片制作的集成波导光学拾取器中，该集成波导光学拾取器包括光学输入端口、耦合端口和光学输出端口。在本文中使用术语时，“集成波导”意味着：该光学拾取器包括单片集成到可包括硅玻璃基板的第一基板中的一个或多个波导。在一个实施例中，这些集成波导元件是使用到例如由其制作第一基板的Gorilla GlassTM的材料中的三维毫微微秒激光波导图案化来创建的。
该方法继续到720，其中通过测量在光学输出端口处激光束的衰减，检测激光束从耦合端口到与耦合端口分离一定间隙的传感器部件的耦合的量。在一个实施例中，传感器部件是移动的传感器部件，诸如可形成陀螺仪器件层的一部分的惯性传感器的检测质量块(诸如上面描述的检测质量块中的任一个)。移动的传感器部件可以被定位在至少部分地由第一基板提供的开放空间腔内，在该开放空间腔内，第一检测质量块可以具有反应于沿相对于陀螺仪器件层的平面成法向的传感器的感测轴施加的惯性力的移动的自由度。传感器部件的运动由集成波导光学拾取器通过感测从耦合端口耦合到传感器部件的光的量来测量。在光学输出端口处接收的光的衰减的改变是对移动的传感器部件和耦合端口之间的间隙的改变的指示，其可以被转换成电信号(即，经由光电检测器)且如上面描述的那样处理以产生惯性测量结果。
在其他实施例中，传感器部件是非移动的传感器部件，例如，诸如在图6中描述的集成波导光学拾取漂移传感器600。在该情况下，传感器部件可以使用与具有第一间隙的第一基板邻近定位的静态结构层而实现，该第一间隙限定了第一基板和静态传感器部件之间的固定距离开放空间。使用这种集成波导光学拾取器，可以利用光学倏逝波耦合以检测光学输出端口处的光强度的改变，其可能由诸如但不限于由激光光源提供的激光中的漂移或者温度瞬变之类的现象导致。利用这种单片集成光学拾取器以测量静止元件之间的恒定间隙可以用于校准出器件的移动部分中的那些类型的偏置源。也就是说，因为耦合端口和传感器部件之间的间隙意图是恒定间隙，所以耦合端口和静态结构层之间的光学耦合的任何改变可以归因于来自激光光源的激光的光功率中的漂移或其他偏置。在一个实施例中，耦合到光学输出端口的光电检测器的电信号输出被提供给偏置误差计算器以计算偏置误差。在一个实施例中，可以将偏置误差输出馈送到传感器电子设备中并包括在用于产生惯性测量结果的计算中。例如，参考图6以及图3A和3B，如果在一个实施例中激光光源626也是到光学输入端口231的激光的源，则可以使用在光电检测器627处测量(且由偏置误差计算器540转换成偏置误差)的强度的改变以检测在光学输出端口235处测量的光强度的改变，这些改变归因于激光漂移而不是检测质量块215位置的改变。通过减掉偏置误差，然后剩下的是检测质量块215的偏转的真实度量。
示例实施例
示例1包括一种用于集成波导光学拾取器传感器的方法，该方法包括：将由激光光源产生的激光束发射到在第一基板内单片制作的集成波导光学拾取器中，该集成波导光学拾取器包括光学输入端口、耦合端口和光学输出端口；以及通过测量在光学输出端口处激光束的衰减，检测激光束的从耦合端口到与耦合端口分离一定间隙的传感器部件的耦合的量。
示例2包括示例1的方法，其中传感器部件是静态结构，该方法进一步包括：作为由于激光束到静态结构中的耦合而引起的在光学输出端口处激光束的衰减的函数，确定如激光光源所产生的激光束中的漂移。
示例3包括示例2的方法，进一步包括：基于激光束的衰减来校正惯性传感器测量结果，其中惯性传感器测量结果是从耦合到激光光源的第二集成波导光学拾取器获得的。
示例4包括示例1-3中任一项的方法，其中传感器部件是移动的传感器部件。
示例5包括示例4的方法，其中移动的传感器部件是微机电系统(MEMS)惯性传感器检测质量块。
示例6包括示例5的方法，进一步包括：基于由于MEMS惯性传感器检测质量块的位移而引起的在光学输出端口处激光束的衰减的改变来输出惯性加速度测量结果。
示例7包括示例1-6中任一项的方法，其中测量在光学输出端口处激光束的衰减进一步包括：使用耦合到光学输出端口的光电检测器来测量衰减；以及处理光电检测器的电输出。
示例8包括示例1-7中任一项的方法，其中发射由激光光源产生的激光束进一步包括：将由激光光源产生的激光束发射到在第二基板内单片制作的至少第二集成波导光学拾取器中，该第二集成波导光学拾取器包括第二耦合端口和第二光学输出端口；以及通过测量在第二光学输出端口处激光束的衰减，检测激光束从第二耦合端口到与第二耦合端口分离第二间隙的第二传感器部件的耦合的量。
示例9包括示例8的方法，其中传感器部件是微机电系统(MEMS)惯性传感器检测质量块，并且第二传感器部件是第二MEMS惯性传感器检测质量块。
示例10包括示例1-9中任一项的方法，其中激光光源是在与第一基板邻近的插入层内制作的。
示例11包括示例1-10中任一项的方法，其中激光光源是发光二极管(LED)。
示例12包括一种集成光学读出传感器，该传感器包括：至少第一玻璃基板；集成波导光学拾取器，在第一基板内单片制作，且包括光学输入端口、耦合端口和光学输出端口；移动的传感器部件，邻近于耦合端口且具有在垂直于集成波导的耦合端口的方向上的运动的自由度；激光光源，其经由光学输入端口将光发射到第一玻璃基板中，其中作为耦合端口和移动的传感器部件之间的间隙距离的函数，一部分光从耦合端口耦合到移动的传感器部件；耦合到光学输出端口的至少一个光电检测器；以及耦合到该至少一个光电检测器的电子设备，其基于从光学输出端口离开的光的光强度的衰减来计算测量结果，其中衰减至少部分地是间隙距离的函数。
示例13包括示例12的传感器，其中移动的传感器部件是微机电系统(MEMS)惯性传感器检测质量块。
示例14包括示例12-13中任一项的传感器，其中激光光源在邻近于第一基板的插入层内制作。
示例15包括示例12-14中任一项的传感器，进一步包括：耦合到激光光源的集成波导光学拾取漂移传感器，该集成波导光学拾取漂移传感器包括：第二耦合端口和第二光学输出端口；与第二光学输出端口分离具有固定距离的第二间隙的静态结构；以及耦合到第二光学输出端口的第二光电检测器；其中一部分光从第二耦合端口跨第二间隙耦合到静态结构。
示例16包括示例15的传感器，进一步包括：耦合到第二光电检测器的漂移误差计算器，其中漂移误差计算器基于从第二光学输出端口离开的光的光强度的衰减来计算误差。
示例17包括示例16的传感器，其中电子设备基于漂移误差来校准测量结果。
示例18包括示例12-17中任一项的传感器，进一步包括：第二玻璃基板；第二集成波导光学拾取器，在第二基板内单片制作，且包括第二耦合端口和第二光学输出端口；第二移动的传感器部件，邻近于第二耦合端口，且具有在垂直于第二耦合端口的方向上的运动的自由度；其中激光光源进一步发射光到第二玻璃基板中，其中作为第二耦合端口和第二移动的传感器部件之间的第二间隙距离的函数，一部分光从第二耦合端口耦合到第二移动的传感器部件。
示例19包括示例18的传感器，电子设备进一步耦合到第二光电检测器，其中电子设备进一步基于从第二光学输出端口离开的光的光强度的衰减来计算测量结果，其中从第二光学输出端口离开的光的光强度的衰减至少部分地是第二间隙距离的函数。
示例20包括示例12-19中任一项的传感器，其中激光光源是发光二极管(LED)。
尽管已经在本文中图示和描述了具体实施例，但是本领域技术人员将理解，可以用被计划以实现相同目的的任何布置代替所示出的具体实施例。本申请意图覆盖本发明的任何改编或变形。因此，明显意图在于，本发明仅由权利要求及其等同物来限制。

Claims (3)

1.一种用于集成波导光学拾取器(120)传感器的方法，所述方法包括：
将由激光光源(126)产生的激光束发射到在第一基板(110)内单片制作的集成波导光学拾取器(120)中，所述集成波导光学拾取器(120)包括光学输入端口(121)、耦合端口(123)和光学输出端口(125)；以及
通过测量在光学输出端口(125)处激光束的衰减，检测激光束从耦合端口(123)到与耦合端口(123)分离一定间隙的传感器部件的耦合的量。
2.一种集成光学读出传感器，所述传感器包括：
至少第一玻璃基板(110)；
集成波导光学拾取器(120)，在第一基板(110)内单片制作，且包括光学输入端口(121)、耦合端口(123)和光学输出端口(125)；
移动的传感器部件(116)，邻近于耦合端口(123)且具有在垂直于集成波导的耦合端口(123)的方向上的运动的自由度；
激光光源(126)，其经由光学输入端口(121)将光发射到第一玻璃基板(110)中，其中作为耦合端口(123)和移动的传感器部件(116)之间的间隙距离的函数，一部分光从耦合端口(123)耦合到移动的传感器部件(116)；
耦合到光学输出端口(125)的至少一个光电检测器(127)；以及
耦合到该至少一个光电检测器的电子设备(510)，其基于从光学输出端口(125)离开的光的光强度的衰减来计算测量结果，其中衰减至少部分地是间隙距离的函数。
3.如权利要求2所述的传感器，进一步包括：
耦合到激光光源(126，621)的集成波导光学拾取漂移传感器(620)，所述集成波导光学拾取漂移传感器(620)包括：
第二耦合端口(623)和第二光学输出端口(625)；
与第二光学输出端口(125)分离具有固定距离的第二间隙(615)的静态结构(614)；
耦合到第二光学输出端口(625)的第二光电检测器(627)；
其中一部分光从第二耦合端口(623)跨第二间隙(615)耦合到静态结构(614)；
耦合到第二光电检测器(627)的漂移误差计算器(640)，其中漂移误差计算器(640)基于从第二光学输出端口(125)离开的光的光强度的衰减来计算误差。
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