CN109541259A - 一种高灵敏度的光学式加速度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的光学式加速度传感器及其制备方法，光学式加速度传感器从下往上依次包括衬底、振动顶层、振动块和光学敏感元件，本发明首先在衬底上刻蚀出空腔，然后在空腔内填充牺牲层，之后在衬底上沉积振动顶层，在振动顶层上沉积振动块，然后在振动顶层上刻蚀释放孔，通过释放孔将牺牲层腐蚀掉形成振动空腔。本发明灵敏度高，光在光导中的能量损耗较低，该传感器具有较高的品质因子。本发明的加速度传感器还具有能与CMOS工艺兼容、体积小等优点。
Description
技术领域
本发明属于加速度传感器领域，涉及一种光学式加速度传感器技术，尤其涉及到一种高灵敏度的光学式加速度传感器及其制备方法。
背景技术
随着信息社会的不断发展，传感器在信息的传递和收集的过程中发挥着越来越大的作用。加速度传感器作为一种测量加速度的传感器，在智能手机的控制、地震检测、环境监测、工程测振、地质勘探、大型建筑结构动态特性检测等众多方面有着大量的应用。但是随着器件智能化的进展以及物联网的推进，对加速度传感器提出了集成化、微型化、低成本、高灵敏度等新要求，尤其是大量级加速度和极小加速度的测量上，目前很多传统的加速度传感器都无法精确地测量。
现有的加速度传感器主要分为压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式传感器和伺服式传感器。压电式加速度传感器利用压电陶瓷或者石英晶体的压电效应，但只在被测振动频率远低于加速度计的固有频率时力的变化才与被测加速度成正比。压阻式加速度传感器利用电阻的变化检测加速度，易于进行信号调理但是灵敏度通常较低。电容式加速度传感器是基于电容原理，利用极距变化检测外界加速度，但受电缆电容影响较大且成本较高。伺服式加速度传感器采用电磁力进行闭环控制，利用产生的电流大小反映所测加速度的大小，具有较高的灵敏度但是尺寸较大，成本也比较高。因此需要一种成本低、体积小、便于集成化的高灵敏度加速度传感器，以适应各种检测环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度光学式加速度传感器，该传感器利用外界的微小振动能够显著改变光的谐振频率的特性，通过光学敏感元件测量外界加速度，在微米尺寸加工，以解决上述传感器灵敏度低或者成本高或者体积大不易于集成化等的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高灵敏度的光学式加速度传感器，其特征在于：从下往上依次包括衬底、振动顶层、振动块和光学敏感元件，所述衬底与顶层之间设有空腔，所述振动块设于空腔上方的振动顶层上，光学敏感元件包括线形光导和环形光导，所述环形光导设于空腔上方的振动顶层上，线性光导设于空腔侧方的振动顶层上，线形光导和环形光导耦合安装，耦合点位于非空腔区域的振动顶层上，所述振动块用于在发生光学式加速度传感器发生加速度时在振动顶层上产生变形振动，变形振动传递给光学敏感元件，通过光学敏感元件测量出加速度。
作为改进，所述衬底为扁平圆柱体或者扁平的多棱柱。
作为改进，所述空腔的面积占据振动顶层面积的1/2-3/4。
作为改进，所述空腔为圆柱形空腔、圆台空腔或者多棱柱空腔。
作为改进，所述振动顶层为薄片，采用硅或者金属材料制成。
作为改进，所述振动块为圆形或多边形薄片，采用金属材料制成。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种高灵敏度的光学式加速度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备光学式加速度传感器的衬底，在衬底上刻蚀出空腔；
步骤2、在衬底含有空腔的一侧沉积牺牲层，利用牺牲层填满空腔；
步骤3、打磨，将非空腔区域的衬底上牺牲层磨去；
步骤4、在打磨后的衬底上沉积振动顶层；
步骤5、在振动顶层上沉积金属层；
步骤6、将金属层图案化，制成振动块；
步骤7、在振动顶层上刻蚀与空腔内牺牲层相通的释放孔；
步骤8、通过释放孔将牺牲层腐蚀并释放从而形成振动空腔；
步骤9、在振动顶层上铺放耦合安装的线形光导和环形光导，其中环形光导设于空腔上方的振动顶层上，线性光导设于空腔侧方的振动顶层上，耦合点位于非空腔区域的振动顶层上，完成光学式加速度传感器制作。
作为改进，所述线形光导和环形光导均为石英光导。
作为改进，所述衬底为单晶硅片，牺牲层为SiO2层，牺牲层采用等离子体增强化学气相沉积法沉积生成。
作为改进，所述金属层通过等离子体刻蚀成圆形的振动块。
本发明的有益效果：
1、本发明振动顶层微小形变就会导致环形光导的折射率发生变化，光经过折射率改变后的环形石英光导时其谐振光的频率会发生明显的变化，因此具有极高的探测灵敏度。
2、光导材料优选为石英，石英的热膨胀系数小，敏感元件对温度有较强的抗干扰度。
3、金属块相较于中间层和振动顶层有较大的质量，在外界微小的加速度激励下能产生较大的振动幅度从而使环形光导有一定的形变，能够测量出微小加速度。
4、光在光导中传播时能量损耗较小，传感器拥有较高的品质因子。
5、采用微机电系统制备方式，能够与CMOS工艺相兼容，体积小且成本低，利于量产和集成化。
本发明利用微小形变能改变光环折射率的特点，折射率改变导致光经过环形光导后的谐振频率发生显著偏移，通过检测光通过光导后透射率的变化及对应的谐振频率能够检测出外界极小的加速度，具有极高的灵敏度。此外光在光导中的能量损耗较低，该传感器具有较高的品质因子。本发明还公开了该加速度传感器的制备方法。本发明的加速度传感器还具有能与CMOS工艺兼容、体积小等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，将结合附图在下文中描述本发明的一种优选示例性实施例，但不限于下列实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件，在附图中：
图1为具体实施例中的光学敏感元件的微环光学谐振原理图；
图2为具体实施例中衬底图形化为正方形和金属块图形化为圆形示意图，其中图2(a)为光学式加速度传感器截面示意图，图2(b)为光学式加速度传感器俯视图；
图3为具体实施例中的Si衬底示意图，其中图3(a)为Si衬底截面示意图，图3(b)为Si衬底俯视图。
图4为具体实施例中的Si衬底上刻蚀割圆形空腔示意图，其中图4(a)为Si衬底截面示意图，图4(b)为Si衬底俯视图。
图5为具体实施例中的在Si衬底以及割圆形空腔中沉积牺牲层后示意图，其中图5(a)为Si衬底截面示意图，图5(b)为Si衬底俯视图。
图6为具体实施例中利用化学机械抛光技术将牺牲层磨平抛光后示意图，其中图6(a)为Si衬底截面示意图，图6(b)为Si衬底俯视图。
图7为具体实施例中在磨平抛光牺牲层后在Si衬底上沉积Si薄膜形成振动顶层后示意图，其中图7(a)为截面示意图，图7(b)为俯视图。
图8为具体实施例中的在振动顶层上沉积铜金属层示意图，其中图8(a)为截面示意图，图8(b)为俯视图。
图9为具体实施例中将铜金属层图形化为圆形的振动块示意图，其中图9(a)为截面示意图，图9(b)为俯视图。
图10为具体实施例中在牺牲层上方的振动顶层中制备释放孔后示意图，其中图10(a)为截面示意图，图10(b)为俯视图。
图11为具体实施例中腐蚀并释放牺牲层后形成振动空腔示意图，其中图11(a)为截面示意图，图11(b)为俯视图。
附图中各部件的标记如下：1-振动块，2-光耦合点，3-环形石英光导，4-线形石英光导，5-割圆形空腔，6-振动顶层，7-Si衬底，8-牺牲层，9-释放孔，10-铜金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实施例提供了一种能够测量微小加速度的高灵敏度光学式加速度传感器，用以提高探测灵敏度和拓宽测量范围，体积小易于集成化。
如图1所示，该结构为光学式加速度传感器的敏感元件原理示意图，包括线形石英光导4、环形石英光导3和光耦合点2。当光从线形石英光导4输入端输入时，经过光耦合点2，部分光进入环形石英光导3，另一部分光会继续沿着线形石英光导4前进到输出端输出。进入环形石英光导3的光会沿着环形石英光导3的环进行传播，当这部分光再次经过光耦合点2时，满足微环谐振条件的光会留在环形石英光导3中产生光谐振，不满足微环谐振条件的光会通过光耦合点2从线形石英光导4中输出，当外界有加速度时，金属块会振动使得振动顶层6发生形变进而使得线形石英光导4和环形石英光导3发生微小形变，石英光导发生形变后折射率发生改变，根据微环谐振条件公式(1)可以得出，此时满足谐振条件的光变为另一种频率的光，通过检测此刻输入光和输出光的能量透射率极值对应的光频率，进而得出外界加速度的大小。微环谐振条件为：
2πRneff＝mλ 公式(1)
公式(1)中，R为环形石英光导3的环形直径，neff为环形石英光导3的有效折射率，m为任意正整数，代表光的谐振阶次，λ为对应谐振阶次下的光波长。
图2为本发明一种高灵敏度的光学式加速度传感器示意图，光学式加速度传感器从下往上依次包括衬底、振动顶层6、振动块1和光学敏感元件，所述衬底与顶层之间设有空腔，所述振动块1设于空腔上方的振动顶层6上，光学敏感元件包括线形光导和环形光导，所述环形光导设于空腔上方的振动顶层6上，线性光导设于空腔侧方的振动顶层6上，线形光导和环形光导耦合安装，耦合点位于非空腔区域的振动顶层6上。
本实施例中，衬底采用单晶硅片衬底，衬底上空腔为采用等离子体刻蚀的方法刻蚀出，具体形状为割去一边的圆柱形空腔，这样可以保证环形光导位于空腔区域，但是环形光导与线形光导的耦合点位于非空腔区域，之后为了便于生成振动顶层6，采用等离子体增强化学气相沉积法造空腔内沉积牺牲层8，之后制作振动顶层6，在振动顶层6上刻蚀释放孔9，通过释放孔9将空腔内牺牲层8腐蚀掉，形成振动空腔。
需要指出的是，本发明实施例中振动块1为铜金属层10图案化制成，可以为圆形或者多边形，金属块材料优选为Cu、Fe等金属，也可以采用其他一些密度高的重金属。
本发明实施例中，振动顶层6的材料可以是金属材料或者其他有一定刚度的材料，优选为Si材料。
本发明实施例中，光导元件材料可以选用石英、氮化硅或其他光导材料，优选为石英。
如图2-图11所示：图2所示的光学式加速度传感器通过以下工艺步骤实现：
如图3所示，提供制备光学式加速度传感器的衬底，本具体实施例中选择Si衬底7。
如图4所示，在Si衬底7上利用等离子体刻蚀的方法刻蚀出割圆形空腔5，割圆形空腔5的截面形状为圆形割去一个边。
如图5所示，在Si衬底7上含有空腔的一侧利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积牺牲层8，本实施例中使用SiO2作为牺牲层8材料。
如图6所示，通过化学机械抛光(CMP)工艺将SiO2制成的牺牲层8磨平抛光，使其填满割圆形空腔5。
如图7所示，在SiO2制成的牺牲层8上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)继续沉积Si薄膜，制成振动顶层6。
如图8所示，再利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在Si薄膜制成的振动顶层6上沉积铜金属层10。
如图9所示，利用等离子体刻蚀将铜金属层10图案化(比如刻蚀或者腐蚀工艺)为圆形的振动块1。
如图10所示，在牺牲层8上方的Si薄膜制成的振动顶层6中同样通过等离子体刻蚀制备圆形的释放孔9。
如图11所示，通过释放孔9通入氢氟酸蒸汽(VHF)将牺牲层8腐蚀并释放从而形成振动空腔。
如图2所示，在振动顶层6上铺放并耦合线形石英光导4和环形石英光导3，完成光学式加速度传感器制作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高灵敏度的光学式加速度传感器，其特征在于：从下往上依次包括衬底、振动顶层、振动块和光学敏感元件，所述衬底与顶层之间设有空腔，所述振动块设于空腔上方的振动顶层上，光学敏感元件包括线形光导和环形光导，所述环形光导设于空腔上方的振动顶层上，线性光导设于空腔侧方的振动顶层上，线形光导和环形光导耦合安装，耦合点位于非空腔区域的振动顶层上，所述振动块用于在发生光学式加速度传感器发生加速度时在振动顶层上产生变形振动，变形振动传递给光学敏感元件，通过光学敏感元件测量出加速度。
2.如权利要求1所述的光学式加速度传感器，其特征在于：所述衬底为扁平圆柱体或者扁平的多棱柱。
3.如权利要求1所述的光学式加速度传感器，其特征在于：所述空腔的面积占据振动顶层面积的1/2-3/4。
4.如权利要求1所述的光学式加速度传感器，其特征在于：所述空腔为圆柱形空腔、圆台空腔或者多棱柱空腔。
5.如权利要求1所述的光学式加速度传感器，其特征在于：所述振动顶层为薄片，采用硅或者金属材料制成。
6.如权利要求1所述的光学式加速度传感器，其特征在于：所述振动块为圆形或多边形薄片，采用金属材料制成。
7.一种高灵敏度的光学式加速度传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、制备光学式加速度传感器的衬底，在衬底上刻蚀出空腔；
步骤2、在衬底含有空腔的一侧沉积牺牲层，利用牺牲层填满空腔；
步骤3、打磨，将非空腔区域的衬底上牺牲层磨去；
步骤4、在打磨后的衬底上沉积振动顶层；
步骤5、在振动顶层上沉积金属层；
步骤6、将金属层图案化，制成振动块；
步骤7、在振动顶层上刻蚀与空腔内牺牲层相通的释放孔；
步骤8、通过释放孔将牺牲层腐蚀并释放从而形成振动空腔；
步骤9、在振动顶层上铺放耦合安装的线形光导和环形光导，其中环形光导设于空腔上方的振动顶层上，线性光导设于空腔侧方的振动顶层上，耦合点位于非空腔区域的振动顶层上，完成光学式加速度传感器制作。
8.如权利要求7所述的光学式加速度传感器制备方法，其特征在于：所述线形光导和环形光导均为石英光导。
9.如权利要求7所述的光学式加速度传感器制备方法，其特征在于：所述衬底为单晶硅片，牺牲层为SiO2层，牺牲层采用等离子体增强化学气相沉积法沉积生成。
10.如权利要求7所述的光学式加速度传感器制备方法，其特征在于：所述金属层通过等离子体刻蚀成圆形的振动块。
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2018
- 2018-12-05 CN CN201811478990.4A patent/CN109541259B/zh active Active
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