CN110360935A - 一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法 - Google Patents

一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法包括一个激光器、一个光隔离器、一个可动亚波长硅光栅及覆盖于其上的银膜、一层覆盖在硅基底上的亚波长银膜光栅、一层空气间隙、一个硅基底和一个分光棱镜；利用近场光学谐振腔的谐振增强原理，设计了光栅组的结构参数和相对位置，使得谐振腔出射的反射光强对可动亚波长硅光栅的面内位移非常敏感，从而实现超高灵敏度的面内位移测量。本发明用两组银膜代替了寻常光学纳米谐振腔中的两组光栅，整个传感单元由单片绝缘体上硅晶圆制作而成，大大降低了加工难度；优化后的结构参数使得传感单元拥有比现有谐振腔方案更高的光强位移灵敏度，因此可实现高集成度、可靠性和精度的面内位移测量。

Description

一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法
技术领域
本发明属于位移传感单元领域，具体涉及一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法。
背景技术
高精度光学位移传感器的测量原理通常是基于光的波动性，即利用光信号的干涉、衍射效应进行位移测量。但是基于光的波动性的位移测量无法突破光的衍射极限，测量精度受到光波长的限制。虽然可以通过电子细分、调制解调等方式将位移测量精度提升至λ/100甚至更高，但是各种细分方式的引入也会增加系统复杂度和位移传感器的成本，并且对于位移测量系统而言，细分对理论极限灵敏度和精度的提升并无帮助。
利用近场光学谐振增强和伍德异常等手段可以突破标量衍射的极限，将位移测量的灵敏度和精度提升至皮米甚至飞米量级[DW C,JP S,TA F.Laterally deformablenanomechanical zeroth-order gratings:anomalous diffraction studied byrigorous coupled-wave analysis[J].Opt Lett,2003,28(18):1636-8.]。但是，现有的近场光学谐振结构通常是由多种材料的多层纳米结构组成的，一般包括三种甚至更多种材料，并且包含悬空的复杂结构。这就导致其加工难度极大，良品率也不高；另外，很难实现超灵敏位移测量。
例如Dustin提出的光纳米机电位移传感器[KEELER B E N,BOGART G R,CARR DW.Laterally deformable optical NEMS grating transducers for inertial sensingapplications；proceedings of the Nanofabrication:Technologies,Devices,andApplications,F,2005[C].]由两个可动纳米光栅、空气间隙和基底组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，基底材料为二氧化硅和氮化硅；又比如王晨等人提出的光栅组位移传感器[WANG C,LU Q,BAI J,et al.Highly sensitive lateral deformableoptical MEMS displacement sensor:anomalous diffraction studied by rigorouscoupled-wave analysis[J].Appl Optics,2015,54(30):8935-43.和中国专利号为CN201410636890的专利“组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法”]，同样由两组可动亚波长光栅、空气间隙和基底组成，可动光栅的材料为单晶硅，基底材料为二氧化硅和氮化硅；Rogers提出的亚波长光栅组的位移传感器虽然结构相对简单，但是因为该方案仅仅使用两组亚波长光栅等效一个正常的衍射光栅，因此光强位移灵敏度仅为0.5％/nm，远未达到超灵敏位移测量的需求[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,et al.Verification ofevanescent coupling from subwavelength grating pairs[J].Applied Physics B-Lasers and Optics,2011,105(4):833-7.]。由此可见，基于近场光学谐振腔的方案或结构复杂，或灵敏度不高，并且由于近场光学谐振增强对结构参数敏感，现有方案加工难度大，对材料要求极高，存在成本高和可靠性不高的缺点。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法，在降低结构和材料复杂度的同时提升了位移测量灵敏度，实现了超高灵敏度和精度的新型光学位移测量。
本发明的技术方案是：一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：还包括激光器、光隔离器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅及完整覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜、硅基底及覆盖在硅基底上的亚波长银膜；
所述可动亚波长硅光栅通过连接结构固定于被测物体框内；
所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜，所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；被测物体通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述可动亚波长硅光栅悬空设置于所述硅基底上方，同时位于所述分光棱镜的正下方，在可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；所述覆盖在硅基底上的亚波长银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个光学纳米谐振腔；
所述可动亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜和覆盖在硅基底上的亚波长银膜的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。
本发明的进一步技术方案是：所述激光器输出的激光波长为641nm，模式为TE模。
本发明的进一步技术方案是：所述连接结构为弹性结构或刚性结构，保证被测物体移动时所述可动亚波长硅光栅能够产生相对于所述硅基底的位移。
一种简化光学纳米谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：所述绝缘体上硅晶圆从上到下依次包括器件层、埋氧层和基底层；在单抛的绝缘体上硅晶圆的器件层上利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺制作出可动亚波长硅光栅；
步骤二：利用湿法腐蚀去除所述可动亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成亚波长硅光栅的释放；
步骤三：利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上生长一层金属银膜，由于可动亚波长硅光栅被镂空，因此银膜会分别溅射在可动亚波长硅光栅和基底层上，基底层上的银膜与可动亚波长硅光栅上的银膜周期互补。
本发明的进一步技术方案是：所述器件层的厚度为664±10nm，埋氧层的厚度为1364±20nm，基底层的厚度为300-500μm。
有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明通过优化光学纳米谐振腔的各个参数，使得位移传感单元对面内位移的灵敏度超越了以往的光学测量方案，达到了1.8％/nm，即每当可动亚波长硅光栅移动1nm，反射光束的光强变化入射激光光强的1.8％。可动亚波长硅光栅距离初始位置存在350-400nm的面内位移时，该位移传感单元的位移测量灵敏度最大，达到1.8％/nm。
本发明简化了光学纳米谐振腔的设计，用两层金属银膜代替了寻常的近场光学谐振腔的两组硅光栅，并且用单一的硅基底代替了多层介质的基底；两层金属银膜可以通过一次磁控溅射工艺加工而成，整个传感单元可以由一个单片绝缘体上硅(SOI)晶圆加工而成，大大降低了工艺的复杂度，降低制作成本的同时提升了器件的可靠性。
本发明的设计过程中考虑了光学纳米谐振腔的参数容差，使得现有的微纳加工工艺可以满足其加工误差的需求，保证了整体方案的可行性。
附图说明
图1是本发明的面内位移传感单元示意图；
图2是所用绝缘体上硅(SOI)晶圆的剖面示意图；
图3是简化光学纳米谐振腔的工艺流程示意图；
图4是可动亚波长硅光栅发生面内位移时反射光束的光强与位移的关系图；
图5是简化光学纳米谐振腔处在反射模式和透过模式时的电磁场分布图。
附图标记说明：激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、简化光学纳米谐振腔4、第一光电探测器5、第二光电探测器6、固定外框7、封装外壳8、上银膜9、可动亚波长硅光栅10、下银膜11、硅基底12、空气间隙13、入射激光14、反射光束15、绝缘体上硅(SOI)晶圆上的器件层16、埋氧层17、基底层18。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例及其实施过程如下：
如图1所示，本发明提供了一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元，该传感单元包括激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、简化光学纳米谐振腔4、第一光电探测器5、第二光电探测器6、固定外框7、封装外壳8；简化光学纳米谐振腔4由上银膜9、可动亚波长硅光栅10、下银膜11、硅基底12、空气间隙13构成，其中上银膜9覆盖在可动亚波长硅光栅10上，下银膜11覆盖在硅基底12上，两层银膜周期一致但是互补。
固定外框7设置于封装外壳8内，第一光电探测器5安装于固定外框7的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，第二光电探测器6安装于第一光电探测器5的下方；激光器1安装于固定外框7内的顶部，激光器1的下方安装有光隔离器2，光隔离器2正下方设置有分光棱镜3，硅基底12设置于固定外框7的内底面上；可动亚波长硅光栅10通过弹性梁连接到硅外框或是其他被测物体上的，保证被测物体移动时可动亚波长硅光栅10能够产生相对于硅基底12的位移。被测物体通过埋氧层设置于硅基底12上表面，将可动亚波长硅光栅10悬空设置于硅基底12上方，同时位于分光棱镜3的正下方，在可动亚波长硅光栅10和硅基底12之间形成空气间隙13；所述覆盖在硅基底12上的亚波长银膜位于亚波长硅光栅10间隙正投影的下方；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅10、覆盖了银膜的硅基底12以及所述空气间隙13构成一个光学纳米谐振腔；
本发明的具体测量原理描述如下：
激光器1出射波长为641nm的TE模式激光，入射激光14经光隔离器2后垂直入射至镀在可动亚波长硅光栅10的上银膜9上表面；由于可动亚波长硅光栅10、上银膜9和下银膜11的线宽特征小于入射激光14的波长，因此入射激光14经过可动亚波长硅光栅10及上银膜9后不会产生衍射效应，而是转变为倏逝场信号；倏逝场信号在简化光学纳米谐振腔4中振荡，部分信号透过硅基底12上的下银膜11间隙产生损耗，部分信号在简化光学纳米谐振腔4中谐振产生可以传递到远场的反射光束15，反射光束15同样垂直于上银膜9上表面；
简化光学纳米谐振腔4的参数经过优化设计，随着可动亚波长硅光栅10的面内移动和上银膜9与下银膜11的相对位置变化，反射光束15的光强会发生剧烈变化；当两个银膜的相对位置合适时，反射光束的光强最强，此时倏逝场信号在光学纳米谐振腔中发生谐振增强。将可动亚波长硅光栅调整至最优位置，即光强位移灵敏度的最大位置处，可以以最高灵敏度探测出位移变化量。反射光束15的光强被第二光电探测器6接收并转化为电信号，在与第一光电探测器5接收到的环境光强信号做差分后可以起到共模抑止，降低测量噪声的作用。简化光学纳米谐振腔4的参数包括：入射激光14的波长为641nm；可动亚波长硅光栅4的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；上银膜9和下银膜11的周期与占空比与可动亚波长硅光栅4相同，厚度为194±20nm；空气间隙13的厚度为1170nm±20nm。
可动亚波长硅光栅10发生相对硅基底12的微小面内位移时，简化光学纳米谐振腔4的耦合谐振条件会发生改变。其中反射光束15光强随可动亚波长硅光栅10的位移的变化曲线图如图4所示。可以发现在可动亚波长硅光栅10的面内位移从350nm变化至400nm及从580nm变化至630nm时，光强位移灵敏度最大，且变化基本为线性。当两个银膜的相对位置位于如图5(a)所示的反射模式时，倏逝场信号在简化光学纳米谐振腔4中发生谐振增强，反射光束15的光强最强；当两个银膜的相对位置位于如图5(b)所示的透射模式时，电磁场大部分透过硅基底12耗散，反射光束15的光强最弱；当可动亚波长硅光栅10位于如图4所示的最优位置时，位移传感单元的光强位移灵敏度最大，此时的光强位移灵敏度可达1.8％/nm，即可动亚波长硅光栅10每移动1nm，反射光束15的光强变化入射激光14光强的1.8％。
参阅图2和图3，本发明还提供了简化光学纳米谐振腔4的制造方法，所用晶圆是如图2所示的绝缘体上硅(SOI)晶圆，包括器件层16、埋氧层17、基底层18，其中器件层16的厚度为664±10nm，埋氧层17的厚度为1364±20nm，基底层18的厚度为300-500μm。制造方法包括以下步骤：
1)在所述绝缘体上硅(SOI)晶圆的器件层16上利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺制作出可动亚波长硅光栅10；
2)利用湿法腐蚀去除所述可动亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅(SOI)晶圆的埋氧层17，完成亚波长硅光栅的释放
3)利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅(SOI)晶圆上生长一层金属银膜，由于可动亚波长硅光栅10被镂空，因此银膜会分别溅射在器件层16和基底层18上形成上银膜9和下银膜11，上银膜9与下银膜11的周期互补。
由此可见，本发明利用两层金属银膜代替了寻常的近场光学谐振腔的两组硅光栅，并且用单一的硅基底代替了多层介质的基底；两层金属银膜可以通过一次磁控溅射工艺加工而成，整个传感单元可以由一个单片绝缘体上硅(SOI)晶圆加工而成，大大减小了工艺的复杂度，降低了制作的成本的同时提升了器件的可靠性；并且，经过优化设计的简化光学纳米谐振腔不仅结构简单，参数容差大，还拥有比常见的近场光学谐振腔更高的光强位移灵敏度，为制作超灵敏的面内位移传感单元提供了新的方案。
本发明已通过实施例进行了描述，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：还包括激光器、光隔离器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅及完整覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜、硅基底及覆盖在硅基底上的亚波长银膜；
所述可动亚波长硅光栅通过连接结构固定于被测物体框内；
所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜，所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；被测物体通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述可动亚波长硅光栅悬空设置于所述硅基底上方，同时位于所述分光棱镜的正下方，在可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；所述覆盖在硅基底上的亚波长银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个光学纳米谐振腔；
所述可动亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜和覆盖在硅基底上的亚波长银膜的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。
2.根据权利要求1所述基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为641nm，模式为TE模。
3.根据权利要求1所述基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元，其特征在于：所述连接结构为弹性结构或刚性结构，保证被测物体移动时所述可动亚波长硅光栅能够产生相对于所述硅基底的位移。
4.一种权利要求1所述简化光学纳米谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：所述绝缘体上硅晶圆从上到下依次包括器件层、埋氧层和基底层；在单抛的绝缘体上硅晶圆的器件层上利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺制作出可动亚波长硅光栅；
步骤二：利用湿法腐蚀去除所述可动亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成亚波长硅光栅的释放；
步骤三：利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上生长一层金属银膜，由于可动亚波长硅光栅被镂空，因此银膜会分别溅射在可动亚波长硅光栅和基底层上，基底层上的银膜与可动亚波长硅光栅上的银膜周期互补。
5.根据权利要求4所述简化光学纳米谐振腔的制造方法,其特征在于：所述器件层的厚度为664±10nm，埋氧层的厚度为1364±20nm，基底层的厚度为300-500μm。
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