CN113048887B - 一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，属于位移传感技术领域；包括覆盖在被测物体上的铬膜、二氧化硅基底及覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；将被测物体固定于固定外框的内顶面，在被测物体下表面覆盖一层铬膜；二氧化硅基底上表面均分为多个等宽的区域，每四个连续区域为一个单元；通过连接结构将二氧化硅基底水平固定于所述固定外框内的中部，并在二氧化硅基底每个单元的第一区域和第三区域表面覆盖一层铬膜，得到四区域等线宽相位调制光栅，由四区域等线宽相位调制光栅、覆盖在被测物体上的铬膜以及空气间隙构成了新型相位调制光学谐振腔；当空气间隙在每周期的10μm范围内时，该传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达0.25％/nm。
Description
技术领域
本发明属于位移传感技术领域，具体涉及一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元。
背景技术
目前具备高可行性的光学测量单元通常是基于光栅干涉腔的，常见做法是通过电子细分、调制解调或者减小入射激光波长来提升光学位移测量单元的位移-光强灵敏度，但是细分手段会增加传感器的系统复杂度，减小波长则会导致线性范围的下降。
实际上，现有光栅干涉腔因为0级反射光束的存在，超过50％的能量都集中在不可探测的0级中，这造成了能量利用率以及衍射效率和灵敏度的大大降低；同时，0 级光束通常会反射回激光器，影响激光器的工作稳定性；并且，发生干涉的两束衍射光束光强通常不同，导致干涉衍射光束的光强信号无法达到理想对比度。
Degertekin等人从复振幅叠加的标量衍射理论出发，通过制作两个紧挨着的相位相反的光栅实现了正负一级干涉衍射光束光强信号的反相，进而调控了不同干涉衍射级次之间的光强关系[Van Gorp,B.,A.G.Onaran,and F.L.Degertekin,Integrated dualgrating method for extended range interferometric displacement detection inprobe microscopy.Applied Physics Letters,2007.91(8):p.083101.]，但是该方法中的两个光栅相对独立，0级反射光束依然存在，能量利用率并未提高，对干涉衍射光束的对比度更是未有涉及；Hall等人在Degertekin工作的基础上将其中一个相位正交的光栅穿插到另一个光栅中，构建了一整块的二元光栅，光栅的一个周期内拥有四个区域，其中两两相位正交，因此相干光经过光腔后返回的0级光的四种复振幅相干抵消，这样就从原理上消除了0级反射光束[Williams,R.P.,S.K.Hord, and N.A.Hall,Optically read displacementdetection using phase-modulated diffraction gratings with reduced zeroth-order reflections.Applied Physics Letters,2017.110(15):p.151104.]，不过由于高级次干涉衍射光束的存在，正负一级的衍射效率未达到100％，并且由于未对光栅基底和金属的选择做研究，实验得到的干涉衍射光束的光强信号对比度也不理想。美国Sandia国家实验室通过引入静电力反馈的方式动态调控了加速度敏感单元的机械性能，并且使微光学加速度计工作在加速度-光强曲线的斜率最大处，提升了加速度计的测量灵敏度[Hall,N.A.,et al., Micromachined Accelerometers With Optical Interferometric Read-Out and Integrated Electrostatic Actuation.J Microelectromech Syst,2008.17(1):p. 37-44.]，但这种设计相当于仅改进了加速度敏感单元，未消除0级反射光，也未能提升光栅干涉腔的输出信号对比度。冯丽爽等人通过对入射激光引入一个夹角，保证0 级反射光束能够不回到激光器中，一定程度上增加了微光学加速度计的稳定性[Wang, X.,etal.,Sensitivity improvement of micro-grating accelerometer based ondifferential detection method.Applied Optics,2013.52(18):p.4091-4096.]，但是该方法既无法提高有用信号的能量利用率和对比度，还会使得微光学加速度计内部空间局促、装调困难。本团队研究了由于光栅干涉腔的光栅和反射镜不平行导致的灵敏度下降问题，理论和实验表明轻微的不平行会导致干涉衍射光强信号对比度的急剧下降，一种高度对称的结构可以保证光栅干涉腔的平行度[中国发明专利号： 201610331559.1]，但是该结构只能保证对比度和灵敏度不下降，既无法消除0级反射光的负面影响，也无法提升能量利用率。本团队还提出了一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法[中国发明专利号：201911130641.8]，此类面外位移传感单元尽管拥有很高的灵敏度，但可测量位移范围远小于光栅干涉腔方案，且因其基于表面等离激元耦合原理，传感单元参数设置要求苛刻，光强均集中在0级，测量装置复杂，适用范围不广。
因此，需要设计基于新型相位调控光栅的光学谐振腔，选择包括光栅基底和金属膜材料在内的合适光腔参数，提高光栅干涉腔式面外位移传感单元的干涉衍射光束的能量利用率和对比度。
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四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，在不增加结构复杂度的前提下，通过设计四区域等线宽相位调制光栅并优化其参数，该设计大幅度提升了光学位移测量单元的灵敏度。
本发明的技术方案是：一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，包括封装外壳、固定外框、激光器和光电探测器，所述封装外壳位于最外侧、用于安装和固定整个传感单元，固定外框设置于封装外壳内，激光器和光电探测器设置于固定外框内、分别用于发射和接收光束；其特征在于：还包括覆盖在被测物体上的铬膜、二氧化硅基底及覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；
将被测物体通过连接结构固定于固定外框的内顶面，并在被测物体的下表面覆盖一层铬膜，即为覆盖在被测物体上的铬膜；
所述二氧化硅基底为块状结构，其上表面均分为多个等宽的区域，每四个连续区域为一个单元；每个单元中各区域内二氧化硅基底的厚度从左到右为：第一区域＝第二区域＜第三区域＜第四区域；通过连接结构将二氧化硅基底水平固定于所述固定外框内的中部，并在二氧化硅基底每个单元的第一区域和第三区域表面覆盖一层铬膜，即为覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；所述二氧化硅基底及覆盖于其上的铬膜组成四区域等线宽相位调制光栅，覆盖在被测物体上的铬膜和四区域等线宽相位调制光栅之间形成空气间隙；由四区域等线宽相位调制光栅、覆盖在被测物体上的铬膜以及空气间隙构成了新型相位调制光学谐振腔；
所述激光器和光电探测器均安装于所述固定外框内底面，由激光器沿竖直方向发射光束打在四区域等线宽相位调制光栅上，一部分光碰到覆盖在光栅表面的铬膜后反射，形成反射衍射光束，另一部分光从未覆盖铬膜处透过，穿过空气间隙，被覆盖在被测物体表面的铬膜反射，再次透过光栅上表面未覆盖金属膜区域形成透射衍射光束，两种光束相干叠加，由光电探测器接收；其中出射干涉衍射光束中0级光的四种复振幅相干抵消，消除了0级光束。
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850±10nm，模式为TE模；入射激光与新型相位调制光学谐振腔的法线方向垂直。
本发明的进一步技术方案是：所述四区域等线宽相位调制光栅与覆盖在被测物体上的铬膜互相平行。
本发明的进一步技术方案是：所述四区域等线宽相位调制光栅的总宽度为8μm，各区域宽度为2μm。
本发明的进一步技术方案是：所述二氧化硅基底的厚度为300至500μm。
本发明的进一步技术方案是：所述四区域等线宽相位调制光栅的四个区域的厚度分别是：第一区域厚度100±5nm、第二区域厚度0±5nm、第三区域厚度240.75±5nm、第四区域厚度416.83±5nm，该四个区域的厚度测量是以所述二氧化硅基底的第一区域、第二区域的上表面为起点；所述第一区域和第三区域表面覆盖铬膜的厚度为100±5 nm。
本发明的进一步技术方案是：所述覆盖在被测物体上的铬膜厚度为100±5nm。
一种四区域等线宽相位调制光栅的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：清洗二氧化硅基底；
步骤二：在二氧化硅基底上，利用紫外光刻正胶对其上第三区域和第四区域进行曝光，形成掩膜；
步骤三：使用反应离子刻蚀，对第一区域和第二区域进行刻蚀，形成设定深度的沟槽；
步骤四：利用紫外光刻正胶对第四区域进行套刻曝光，形成掩膜；
步骤五：使用反应离子刻蚀，对第三区域进行刻蚀，形成设定深度的沟槽；
步骤六：利用紫外光刻负胶对第二区域和第四区域进行套刻曝光；
步骤七：使用电子束蒸发技术，生长设定厚度的铬膜；
步骤八：利用剥离工艺去掉所覆盖的紫外胶，形成四区域等线宽相位调制光栅；
步骤九：利用聚焦离子束检测四区域等线宽相位调制光栅表面形貌，测量刻蚀深度；
步骤十：使用显微镜进行四区域等线宽相位调制光栅各区域镜检。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明采用了一种新型相位调制光学谐振腔，分别在被测物体上和二氧化硅基底上覆盖有铬膜，覆盖于二氧化硅基底上的铬膜按照等间距间隔分布，激光器从二氧化硅基底下方射入谐振腔，经两次反射，形成两种透射衍射光束，两种光束相互叠加，使得出射干涉衍射光束中0级光的四种复振幅相干抵消，消除了0级光束。且此光束携带有腔长的相位差信息，腔长发生改变，光束光强会随之发生剧烈变化。通过探测出射干涉衍射光束被测级次的光强变化量即可解算出新型相位调制光学谐振腔的腔长变化，也即四区域等线宽相位调制光栅的面外位移量。
本发明通过优化新型相位调制光学谐振腔的各个参数，其中四区域等线宽相位调制光栅面外位移传感单元的灵敏度呈周期性趋势，周期为70μm，当空气间隙在每周期的10μm范围内时，该传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达0.25％/nm，因此该位移传感单元对面外位移的光学位移灵敏度超越以往的光学测量方案(对于850 nm波长在±10nm左右)；即每当四区域等线宽相位调制光栅发生1nm的面外位移时，出射干涉衍射光束的被测级次光强变化量为入射激光光强的0.25％；消除了0级出射干涉衍射光束，压制了高级次的出射干涉衍射光束，相比未改进的方案提高了50％能量利用率；提升了被测级次即正负一级出射干涉衍射光束对比度，提高了20％测量精度。
本发明在优化设计的过程中考虑了新型相位调制光学谐振腔的参数容差，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是本发明的面外位移传感单元示意图；
图2是四区域等线宽相位调制光栅的工艺流程示意图；
图3是传统光栅发生面外位移时出射干涉衍射光束的光强与位移的关系图；
图4是四区域等线宽相位调制光栅发生面外位移时出射干涉衍射光束的光强与位移的关系图；
图5是四区域等线宽相位调制光栅的电磁场分布图。
附图标记说明：1.激光器、2.光电探测器、3.新型相位调制光学谐振腔、4.固定外框、5.封装外壳、6.四区域等线宽相位调制光栅、7.空气间隙、8.覆盖在被测物体上的铬膜、9.二氧化硅基底、10.覆盖在二氧化硅基底上的铬膜、11.入射光束、12. 区域1反射衍射光束、13.区域2反射衍射光束、14.区域3反射衍射光束、15.区域4反射衍射光束、16.出射光束、17.四区域等线宽相位调制光栅中区域1部分、18.四区域等线宽相位调制光栅中区域2部分、19.四区域等线宽相位调制光栅中区域3部分、20.四区域等线宽相位调制光栅中区域4部分。
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。
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新型相位调制光学谐振腔的面外位移传感单元，该传感单元包括激光器1、光电探测器2、新型相位调控光学谐振腔3、固定外框 4和封装外壳5；新型相位调制光学谐振腔3由四区域等线宽相位调制光栅6、空气间隙7、覆盖于被测物体表面的铬膜8组成；四区域等线宽相位调制光栅6由二氧化硅基底9和覆盖在基底上的铬膜10构成。
固定外框4设置于封装外壳1内，激光器1和光电探测器2均安装于固定外框4 的内底面；将被测物体通过连接结构固定于固定外框4的内顶面，通过连接结构将二氧化硅基底9水平固定于固定外框4内的中部。
本发明的具体测量原理描述如下：本发明通过结合有限时域差分法和粒子群优化算法，优化了新型相位调制光学谐振腔的各个参数；
激光器1出射波长为850nm的TE模式激光，入射激光11以垂直角度入射至新型相位调制光学谐振腔3，谐振腔中四区域等线宽相位调制光栅6上表面等分为四部分，间隔覆盖着铬膜10，使得四个区域两两相位正交。一部分光碰到覆盖在光栅表面的铬膜10后反射，形成反射衍射光束12、14，另一部分光从未覆盖铬膜处透过，穿过空气间隙7，被覆盖在被测物体表面的铬膜8反射，再次透过光栅上表面未覆盖金属膜区域形成透射衍射光束13、15。两种光束发生相干叠加，使得出射干涉衍射光束16 的光强携带有腔长的相位差信息，腔长发生改变，出射干涉衍射光束16光强会随之发生剧烈变化，且出射干涉衍射光束16中0级光的四种复振幅相干抵消，消除了0级光束；新型相位调制光学谐振腔3的参数经有限时域差分法和粒子群算法优化，压制了出射干涉衍射光束16中高级次光束，提升了被测级次即正负一级光束对比度，且正负一级光束光强可随四区域等线宽相位调制光栅6的面外位移发生剧烈变化。新型相位调制光学谐振腔3的最优参数集合包括：四区域等线宽相位调制光栅6的周期为8μ m，四种不同相位区域的线宽为2μm，以最小厚度的区域为基准，四个区域17、18、 19、20的厚度分别为100±5nm、0±5nm、240.75±5nm、416.83±5nm；覆盖于四区域等线宽相位调制光栅6上的金属膜分别覆盖于四区域等线宽相位调制光栅中区域 1部分17和区域3部分19处，线宽均为2μm，厚度为100±5nm；覆盖在被测物体表面的铬膜8厚度为100±5nm；此四区域等线宽相位调制光栅面外位移传感单元的灵敏度呈周期性趋势，周期为70μm，当空气间隙在每周期10μm范围内变化时，该传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达0.25％/nm。
当覆盖在被测物体上的铬膜8发生相对于四区域等线宽相位调制光栅6的面外位移时，出射干涉衍射光束16光强会发生改变。出射干涉衍射光束16的光强随着覆盖在被测物体上的铬膜8的面外位移的变化曲线图如图3所示。可以发现其光强位移灵敏度呈周期性趋势，周期大约为70μm，当覆盖在被测物体上的铬膜8的面外位移在每周期10μm范围内变化时，光强位移灵敏度最大，且变化基本为线性。
图5为四区域等线宽相位调制光栅的电磁场分布图，其中，(a)为如图3所示单周期内负一级光强最大时的电场分布，(b)为单周期内负一级光强最大时的磁场分布，(c) 为如图3所示单周期内负一级光强最小时的电场分布，(d)为单周期内负一级光强最小时的磁场分布。
参阅图2，本发明还提供了新型相位调制光学谐振腔3的制造方法，所用基片是如图2的(a)图所示的二氧化硅片，厚度为300至500μm。制造方法包括以下步骤：
1)清洗二氧化硅基底；
2)在所述二氧化硅基底上利用紫外光刻正胶对区域3部分19及区域4部分20 进行曝光；
3)使用反应离子刻蚀，对区域1部分17及区域2部分18进行刻蚀，形成指定深度的沟槽；
4)利用紫外套刻正胶对区域4部分20进行曝光；
5)使用反应离子刻蚀，对曝光后的区域3部分19进行刻蚀，形成指定深度的沟槽；
6)利用紫外套刻负胶对区域2部分18及区域4部分20进行曝光；
7)使用电子束蒸发技术，在区域1部分17及区域3部分19生长指定厚度的铬膜10；
8)利用剥离工艺去掉所覆盖的紫外胶，最终形成四区域等线宽相位调制光栅6；
9)利用聚焦离子束检测四区域等线宽相位调制光栅表面形貌，测量刻蚀深度；
10)使用显微镜进行四区域等线宽相位调制光栅各区域镜检。
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 (8)
1.一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，包括封装外壳、固定外框、激光器和光电探测器，所述封装外壳位于最外侧、用于安装和固定整个传感单元，固定外框设置于封装外壳内，激光器和光电探测器设置于固定外框内、分别用于发射和接收光束；其特征在于：还包括覆盖在被测物体上的铬膜、二氧化硅基底及覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；
将被测物体通过连接结构固定于固定外框的内顶面，并在被测物体的下表面覆盖一层铬膜，即为覆盖在被测物体上的铬膜；
所述二氧化硅基底为块状结构，其上表面均分为多个等宽的区域，每四个连续区域为一个单元；每个单元中各区域内二氧化硅基底的厚度从左到右为：第一区域＝第二区域＜第三区域＜第四区域；通过连接结构将二氧化硅基底水平固定于所述固定外框内的中部，并在二氧化硅基底每个单元的第一区域和第三区域表面覆盖一层铬膜，即为覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；所述二氧化硅基底及覆盖于其上的铬膜组成四区域等线宽相位调制光栅，覆盖在被测物体上的铬膜和四区域等线宽相位调制光栅之间形成空气间隙；由四区域等线宽相位调制光栅、覆盖在被测物体上的铬膜以及空气间隙构成了新型相位调制光学谐振腔；
所述激光器和光电探测器均安装于所述固定外框内底面，由激光器沿竖直方向发射光束打在四区域等线宽相位调制光栅上，一部分光碰到覆盖在光栅表面的铬膜后反射，形成反射衍射光束，另一部分光从未覆盖铬膜处透过，穿过空气间隙，被覆盖在被测物体表面的铬膜反射，再次透过光栅上表面未覆盖铬膜区域形成透射衍射光束，两种光束相干叠加，由光电探测器接收；其中出射干涉衍射光束中0级光的四种复振幅相干抵消，消除了0级光束。
2.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为850±10nm，模式为TE模；入射激光与新型相位调制光学谐振腔的法线方向垂直。
3.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述四区域等线宽相位调制光栅与覆盖在被测物体上的铬膜互相平行。
4.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述四区域等线宽相位调制光栅的总宽度为8μm，各区域宽度为2μm。
5.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述二氧化硅基底的厚度为300至500μm。
6.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述四区域等线宽相位调制光栅的四个区域的厚度分别是：第一区域厚度100±5nm、第二区域厚度0±5nm、第三区域厚度240.75±5nm、第四区域厚度416.83±5nm，该四个区域的厚度测量是以所述二氧化硅基底的第一区域、第二区域的上表面为起点；所述第一区域和第三区域表面覆盖铬膜的厚度为100±5nm。
7.根据权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，其特征在于：所述覆盖在被测物体上的铬膜厚度为100±5nm。
8.一种权利要求1所述基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元的四区域等线宽相位调制光栅的制造方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：清洗二氧化硅基底；
步骤二：在二氧化硅基底上，利用紫外光刻正胶对其上第三区域和第四区域进行曝光，形成掩膜；
步骤三：使用反应离子刻蚀，对第一区域和第二区域进行刻蚀，形成设定深度的沟槽；
步骤四：利用紫外光刻正胶对第四区域进行套刻曝光，形成掩膜；
步骤五：使用反应离子刻蚀，对第三区域进行刻蚀，形成设定深度的沟槽；
步骤六：利用紫外光刻负胶对第二区域和第四区域进行套刻曝光；
步骤七：使用电子束蒸发技术，生长设定厚度的铬膜；
步骤八：利用剥离工艺去掉所覆盖的紫外胶，形成四区域等线宽相位调制光栅；
步骤九：利用聚焦离子束检测四区域等线宽相位调制光栅表面形貌，测量刻蚀深度；
步骤十：使用显微镜进行四区域等线宽相位调制光栅各区域镜检。
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