CN113167672B - 用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法 - Google Patents

用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113167672B
CN113167672B CN201980059409.1A CN201980059409A CN113167672B CN 113167672 B CN113167672 B CN 113167672B CN 201980059409 A CN201980059409 A CN 201980059409A CN 113167672 B CN113167672 B CN 113167672B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cavity
probe
optical sensor
integrated optical
die
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980059409.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113167672A (zh
Inventor
戈兰·斯托扬诺维奇
科林·斯蒂尔
延斯·霍弗里希特
卡塔林·拉扎尔
约亨·克拉夫特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ams International AG
Original Assignee
Ams International AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ams International AG filed Critical Ams International AG
Publication of CN113167672A publication Critical patent/CN113167672A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113167672B publication Critical patent/CN113167672B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0016—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/047—Optical MEMS not provided for in B81B2201/042 - B81B2201/045

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

一种用于检测动态压力变化的集成光学传感器(1)包括：微机电系统MEMS管芯(10)，其具有MEMS膜片(11)，该MEMS膜片具有第二侧(13)以及暴露于动态压力变化的第一侧(12)；以及专用集成电路ASIC管芯(20)，其具有光学干涉仪组件。干涉仪组件包括光束分离元件(21)、光束合并元件(22)以及检测器(24)，该光束分离元件用于接收来自光源(23)的源光束(30)并用于将源光束(30)分离成在第一光束路径中的探测光束(31)和在第二光束路径中的参考光束(32)，该光束合并元件用于将探测光束(31)与参考光束(32)合并成叠加光束(33)，并且该检测器配置为根据叠加光束(33)来生成电子干涉信号。相对于ASIC管芯(20)将MEMS管芯(10)布置为使得在膜片的第二侧(12)与ASIC管芯(20)之间形成间隙，其中该间隙限定腔体(14)并具有间隙高度。探测光束(31)的第一光束路径包括：耦合到腔体(14)中、从膜片(11)的偏转点或偏转表面(16)反射出来以及耦合出腔体(14)。

Description

用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法
本公开涉及一种用于感测动态压力变化，尤其是声学波的集成光学传感器，并且涉及一种动态压力变化的测量方法。
用于感测动态压力变化的微机电系统(MEMS)传感器广泛用于现代消费电子产品应用中，尤其是用作感测声学频带中的压力波的麦克风。高度集成的MEMS麦克风在其中扮演重要角色的常见示例是便携式计算设备(诸如手提电脑、笔记本电脑和平板电脑)和便携式通信设备(如智能手机或智能手表)。虽然现代传感器通常依赖于电容式读出(例如对于高端音频应用来说，该电容式读出是足够的)，但是诸如语音识别和深度学习应用之类的新兴应用要求提高信噪比(SNR)，这超出了目前的电容式传感器的能力。
要实现的目的是提供一种用于高灵敏度、低噪声的集成传感器的改进构思。
该目的利用独立权利要求的主题来实现。该改进构思的实施例和改进方案在从属权利要求中限定。
本改进构思基于以下思想，即提供一种集成光学传感器，其依赖于受动态压力变化影响的机械柔性传感器(诸如膜片)的位移的干涉读出。其中本改进构思的一个中心方面是避免了约束性背板，该约束性背板是电容式读出方案所需的，并且也作为传统光学传感器中的光栅。
例如，根据本改进构思的用于检测动态压力变化的集成光学传感器包括具有MEMS膜片的MEMS管芯，该MEMS膜片具有第二侧以及暴露于动态压力变化的第一侧。传感器还包括具有光学干涉仪组件的专用集成电路(ASIC)管芯。
光学干涉仪组件包括光束分离元件，以用于接收来自光源的源光束，并用于将该源光束分离成在第一光束路径中的探测光束以及在第二光束路径中的参考光束。此外，光学干涉仪组件还包括光束合并元件以及检测器，该光束合并元件用于将探测光束与参考光束合并成叠加光束，该检测器配置为接收叠加光束并且根据叠加光束来生成电子干涉信号。
根据本改进构思，相对于ASIC管芯来将MEMS管芯布置为使得在膜片的内侧与ASIC管芯之间形成间隙，其中该间隙限定了腔体并且该间隙的特征在于间隙高度。探测光束的第一光束路径包括：耦合到腔体中、从膜片的偏转点或偏转表面反射出来以及耦合出腔体。
在这种传感器中，MEMS管芯的MEMS膜片例如是由诸如氮化硅、晶体硅或多晶硅之类的材料制成的悬置膜。该悬置例如借助于由诸如硅之类的材料制成的夹持结构来实现。为了暴露于动态压力变化，膜片的第一侧面向传感器的环境，并因此可以被视为外侧。相反，第二侧面向ASIC管芯，并因此可以被视为内侧。
ASIC管芯可以与MEMS管芯分开制造，并且可以包括布置在衬底(诸如硅衬底)上的ASIC的有源电路。ASIC管芯还包括光学元件以及检测器，该光学元件(诸如用于分离和合并光束的传统光束分离器)是实现MEMS膜片的偏转的干涉读出所必需的，该检测器(诸如硅光电二极管)用于光学分析以及生成干涉信号。
为了形成光学传感器，两个管芯相对于彼此布置，使得在MEMS膜片与ASIC管芯之间创建了腔体，其中，该腔体的特征在于具有一定间隙高度的间隙。例如，通过例如遵循可以是粘合剂或共晶型的传统晶圆键合技术，来将MEMS管芯和ASIC管芯键合在一起。光学干涉仪组件形成了光学干涉仪(诸如Mach-Zehnder或Michelson干涉仪)，其依赖于探测光束，该探测光束撞击膜片上的点或表面(例如第二侧上的点或表面)，并与来自同一光源的参考光束重新合并以创建叠加光束。(例如由于由来自动态压力变化的振动所引入的膜片偏转的)第一光束路径的长度变化会导致探测光束相对于第二光束路径中的参考光束的相移。所产生的相位差会导致叠加光束中的干涉图案，该干涉图案可以借助于光电检测器来检测和分析，从而提供关于膜片位移的信息。
在一些实施例中，ASIC管芯还包括光源以用于发射源光束。
该光源可以是相干光源，诸如激光器。片上解决方案包括集成半导体激光器，诸如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。这些激光器的尺寸可以足够小，以便将其包括在传感器的ASIC中以用于供应源光束。这样，传感器就能够独立操作而无需外部光源。
在一些实施例中，在有效长度方面，第一光束路径与第二光束路径的偏离小于光源的相干长度。
为了使光学干涉仪产生干涉效果(诸如干涉图案和条纹)，干涉仪的两个臂(即第一光束路径和第二光束路径)要求其有效路径长度等于激光的相干长度。通常，VCSEL的相干长度为1mm至10cm，这取决于激光器的特性。因此，必须将传感器设计为保持这种差异。
在一些实施例中，间隙高度等于或大于100μm，尤其是等于或大于200μm。
膜片与AISC管芯之间的间隙较大意味着传感器的后容积较大。这意味着传感器的特征在于由于后容积内部的空气压缩的较小声学阻抗，从而导致较大的灵敏度和SNR。结合空腔，这意味着不需要像传统传感器中那样的穿孔背板，能够实现约72dBa至80dBa的SNR，从而满足语音识别和深度学习应用的要求。
在一些实施例中，光学干涉仪组件还包括波导结构以用于引导参考光束、探测光束和叠加光束。光学干涉仪组件还包括至少一个耦合元件(诸如光栅耦合元件)，以用于将来自波导结构的光耦合到腔体中和/或用于将来自腔体的光耦合到波导结构中。
例如由硅基波导组成的波导结构是引导光穿过光学元件之间的芯片的常见手段。例如，波导结构包括不同的波导，其中，第一波导被配置为例如将来自光源或耦合元件的源光束引导到光束分离元件。第二波导和第三波导可以被配置为分别引导探测光束和参考光束，并且第四波导可以被配置为将来自光束合并元件的叠加光束引导到检测器。当探测光束在第一光束路径中穿过自由空间中的腔体时，耦合元件可以用于波导-自由空间的耦合，反之亦然。这种耦合元件的典型示例是光栅耦合元件。
在一些另外的实施例中，光束分离元件和/或光束合并元件集成在波导结构中。
为了使干涉仪组件保持简单且紧凑，并且在光学损耗方面维持高效率，可以采用基于波导的光束分离器和光束合并器，以便生成探测光束和参考光束以及叠加光束。
在一些另外的实施例中，光学干涉仪组件在第一光束路径中还包括透镜元件，例如多焦点菲涅耳透镜元件或轴锥透镜元件。该透镜元件被配置为接收来自光束分离元件的探测光束、创建具有修正的空间强度分布的修正的探测光束、并且将该修正的探测光束耦合到腔体中，使得探测光束从膜片的多个偏转点或者一个或更多个偏转表面反射出来。
具有这种透镜元件的光学传感器能够探测膜片的第二侧的多个点或延伸表面，这导致传感器的灵敏度和SNR更大。例如，透镜元件被配置为向探测光束提供环形空间强度分布，以用于撞击并因此探测膜片的环形表面。例如，合适的透镜包括菲涅耳透镜和轴锥透镜。
在一些另外的实施例中，耦合元件根据修正的空间强度分布来成形，并且被配置为将来自腔体的探测光束耦合到波导结构。
为了有效地操作，需要传感器来收集从膜片的第二侧反射回的基本上所有的光，并将其耦合回到波导结构。这意味着耦合元件的形状与所反射的探测光束的强度分布相对应。例如，如果所反射的探测光束具有环形分布，则耦合元件具有相应的环形或圆形形状，其尺寸对应于所反射的探测光束在耦合元件的位置处的大小，即直径。
在一些实施例中，光学干涉仪组件还包括在第一光束路径和/或在第二光束路径中的相位调节元件。
由于制造工艺期间的缺陷或公差，最终传感器的实际尺寸可能会偏离设计尺寸。例如，间隙高度可能会变化高达5μm，并因此最终会小于或大于预期值。首先，干涉仪的特性补偿间隙高度的任何变化。另外，光学路径长度的精细修整有助于确保传感器在干涉仪的优选方案中的操作。例如，这种精细修整是通过在光束路径之一中的加热元件来实现的，其例如通过改变特性(诸如波导的折射率)来改变其有效长度。
在一些实施例中，第二光束路径包括：耦合到腔体中、从MEMS管芯的固定点或固定表面反射出来以及耦合出腔体。
为了实现探测光束和参考光束的光学路径长度基本上相等，同样可以将参考光束引导通过腔体并撞击在MEMS管芯的固定点或固定表面(诸如膜片的夹持结构)上。然后，所反射的参考光束与所反射的探测光束在光束合并元件中重新合并，例如以用于创建携带干涉信号的叠加光束。
在一些实施例中，光学干涉仪组件还包括另外的光束分离元件和另外的光束合并元件。该另外的光束分离元件被配置为在第三光束路径中生成另外的探测光束并且在第四光束路径中生成另外的参考光束。该另外的光束合并元件配置为将该另外的参考光束与该另外的探测光束合并为另外的叠加光束。
为了实现更高的灵敏度和SNR，源光束例如被分离成两个部分，其中，每个部分随后被分离成探测光束和参考光束。然后，两个探测光束可以撞击在膜片的不同点或表面上，并因此在反射之后携带多个点的偏转的信息。可以借助于单个检测器来合并并分析两个形成的叠加光束。替代地，光学干涉仪例如包括附加的检测器以用于检测另外的叠加光束。
在一些实施例中，第三光束路径包括：耦合到腔体中、从膜片的另外的偏转点或另外的偏转表面反射出来以及耦合出腔体。
在一些另外的实施例中，第四光束路径包括：耦合到腔体中、从MEMS管芯的另外的固定点或另外的固定表面反射出来以及耦合出腔体。
该目的还通过一种电子设备(诸如音频设备或通信设备)来解决，其包括根据上述实施例之一的集成光学传感器。其中，传感器被配置为全方向地检测传感器的环境中的动态压力变化，例如具有对应于音频频率的速率的动态压力变化。
该目的还通过一种使用光学干涉仪来检测动态压力变化的方法来解决。该方法包括提供MEMS膜片，该MEMS膜片具有第二侧以及暴露于动态压力变化的第一侧。该方法还包括：将源光束分离成在第一光束路径中的探测光束和在第二光束路径中的参考光束、反射探测光束使其离开MEMS膜片的偏转点或偏转表面、将探测光束和参考光束合并成叠加光束以及根据该叠加光束来生成电子干涉信号。
根据上述传感器的实施例，该方法的另外的实施例对于技术人员而言是显而易见的。
对示例实施例的附图的以下说明可以进一步示出并解释本改进构思的多个方面。具有相同结构和相同效果的传感器的组件或部件分别利用相同的附图标记来表示。只要不同附图中传感器的组件和部件在功能方面彼此相对应，则不针对以下各个附图来重复其说明。
图1示出了根据本改进构思的集成光学传感器的实施例的横截面图；
图2示出了光学传感器的另外的实施例的平面图；
图3示出了光学传感器的另外的实施例的横截面图；
图4示出了光学传感器的另外的实施例的平面图；
图5示出了光学传感器的另外的实施例的平面图；以及
图6示出了光学传感器的另外的实施例的平面图。
图1示出了根据本改进构思的集成光学传感器1的实施例的横截面图。传感器1包括MEMS管芯10和ASIC管芯20，它们例如在单独的制造工艺之后彼此熔融接触。熔融接触例如经由标准晶圆键合技术来实现。两个管芯10、20可以是集成光学传感器1的仅有管芯。
MEMS管芯10包括MEMS膜片11，该MEMS膜片可以是由晶体或多晶材料(诸如硅或多晶硅)、电介质或金属所制成的悬置膜。膜片11包括第一侧12，该第一侧暴露于传感器1的环境2中的动态压力变化(诸如声学波)。膜片11还包括第二侧13。配置为对声波敏感的膜片11的典型直径约为0.25mm至1.5mm。
膜片11的悬置是通过悬置结构15来实现的，该悬置结构夹持膜片11并且可以由单一材料来制成，例如MEMS管芯的衬底材料(诸如硅)，或者可以包括一种以上的材料，例如衬底材料和膜片11的材料。悬置结构15还可以用作键合结构以将MEMS管芯10键合到ASIC管芯20。
相对于ASIC管芯10来将MEMS管芯20布置为使得形成腔体14，该腔体由膜片11的第二侧13、ASIC管芯20的表面和悬置结构15来描绘。腔体14的特征在于膜片11的直径以及膜片11的第二侧13与ASIC管芯20的表面之间的间隙的间隙高度。间隙高度等于或大于100μm，特别是等于或大于200μm。此外，腔体14没有另外的元件(诸如在传统传感器中常见的穿孔背板)。
ASIC管芯20包括ASIC，该ASIC配置为检测膜片11的运动，例如由于膜片11的震动所引起的周期性偏转。为此，ASIC管芯20包括具有光束分离元件21、光束合并元件22和检测器24的光学干涉仪组件。ASIC管芯20还可以包括相干光源23，该相干光源发射源光束30，例如具有980nm的发射波长的红外源光束。替代地，将光学干涉仪组件配置为接收来自外部光源(即单独光源)23的源光束30。
光束分离元件21被配置为接收源光束30并且将源光束30分离成在第一光束路径中的探测光束31和在第二光束路径中的参考光束32。为了说明目的，参考光束路径以及光束分离元件21和光束合并元件22未示出。这两个光束路径可以包括用于引导光束的波导25和用于在波导25与腔体14之间耦合光的波导结构的耦合元件26。波导25例如是集成到ASIC管芯20的材料(诸如衬底材料)中的埋沟波导。耦合元件26例如是布置在波导25的端部处的高效光栅耦合元件。高效耦合元件实现了超过75％至高达约90％的耦合效率。
探测光束耦合到腔体14中并且导向膜片11的第二侧13上的偏转点或偏转表面16，从偏转点或偏转表面16反射出来并且在反射之后导向耦合元件26以耦合到波导25中。偏转点或偏转表面16例如由膜片11的第二侧13上的反射涂层来形成。
在将探测光束31和参考光束32合并成叠加光束33之后，将该叠加光束引导到ASIC管芯20上的检测器24，以用于根据叠加光束33的干涉图案来生成电子干涉信号。
图2示出了光学传感器1的另外的实施例的平面图。该实施例示出了光束分离元件21、光束合并元件22以及源光束30、探测光束31、参考光束32和叠加光束33的光束路径。
在该实施例中，光学干涉仪组件在第一光束路径和第二光束路径中还包括透镜元件27。该透镜元件例如是菲涅耳透镜元件或轴锥透镜元件，并且被配置为修正探测光束31和参考光束32的空间强度分布。透镜元件27还可以用作耦合元件以用于将探测光束31和参考光束32耦合到腔体14。例如，修正后的探测光束31和参考光束32具有圆形或环状的强度分布，并且分别散焦到膜片11的偏转点或偏转表面16以及固定点或固定表面17上。例如，偏转点或偏转表面16定位在膜片11的第二侧13的中心处或其附近，而固定点或固定表面17定位在悬置结构15处或其附近。
用于将来自腔体14的探测光束31和修正后的参考光束32耦合到波导25中的耦合元件26，在形状和尺寸方面都对应于相应光束的空间强度分布。例如，耦合元件26是环形的。探测光束31和参考光束32随后被光束合并元件22合并以形成叠加光束，该叠加光束导向检测器24(例如硅基光电二极管)。
图3示出了基于图2所示的实施例的光学传感器1的实施例的横截面图。图3表示了透镜元件27的工作原理，其将探测光束31的强度分布修正为环形，以及同样表示了环状耦合元件26，其用于将所反射的探测光束31耦合到波导结构的波导25中。虚线标记了探测光束31在被光束分离元件21从源光束30中分离之后的路径。由透镜元件所限定的探测光束31的散焦角度可以为5°至25°。
与图2所示的实施例相反，参考光束32可以替代地不耦合到腔体14中，而是在与探测光束31重新合并之前保留在ASIC管芯20的波导结构内。为了说明目的，在该实施例中未示出参考光束32的第二光束路径。
在该实施例中，例如经由相干光源23来在光束分离元件21背面将其照亮，该相干光源发射源光束30并且引导其穿过ASIC管芯20的波导25或透明材料18。
图4示出了图2所示的集成传感器1的实施例的波导结构的平面图。借助于波导25将探测光束31引导向透镜元件27。在从膜片11的第二侧13反射出来之后，将具有其例如环形强度分布的探测光束31导向耦合元件26(例如光栅耦合元件)，该耦合元件将所反射的探测光束耦合到波导25中，该波导将光导向光束合并元件22。
图5示出了光学传感器的另外的实施例的平面图。该实施例基于在多个点上测量膜片偏转的思想。为此，通过使用另外的光束分离元件21来将源光束30分离成两个探测光束31、31A和两个参考光束32、32A。探测光束31、31A借助于布置在波导25的端部处的光栅耦合元件26来耦合到腔体14中，并且从膜片11的第二侧13上的两个不同的偏转点或偏转表面16、16A反射出来。同样，参考光束32、32A从两个不同的固定点或固定表面17、17A反射出来。在该实施例中，将探测光束31、31A和参考光束32、32A合并成一个叠加光束33，该叠加光束导向检测器24。
此外，所示实施例的ASIC管芯20在光学干涉仪组件中包括相位调节元件28，例如被配置为调节波导25的折射率的热-光折射率调制器。利用该元件，可以调节探测光束路径的光学路径长度以匹配参考光束路径的光学路径长度，使得光学干涉仪以优选方案来操作。这种精细修整能够补偿由于制造公差所引起的差异，该制造公差通常约为几微米。
图6示出了类似于图4所示的波导结构的实施例。然而，与图4相反，源光束被分离成两个参考光束32、32A，并且均被引导到两个不同的光束合并元件22、22A之一。在该实施例中，耦合元件26接收来自腔体14的所反射的探测光，并将其耦合到波导25中，该波导将所反射的光分离成两个探测光束31、31A，该探测光束均同样被引导到两个不同的光束合并元件22、22A之一以用于生成两个叠加光束33、33A。叠加光束33、33A中的每个都导向不同的检测器24、24A以用于分析干涉图案。电子干涉信号例如取决于来自两个检测器24、24A的检测信号。
如上所述的图1至6所示的实施例代表了集成光学传感器1的示例性实施例，因此根据本改进构思，它们并不构成所有实施例的完整列表。例如，实际的传感器配置可以在形状、尺寸和材料方面与所示的实施例不同。
根据所示实施例之一的传感器1可以方便地用在需要紧凑的高灵敏度传感器以检测小的动态压力变化的各种应用中，尤其是在用于检测声波的音频带中。可能的应用包括在计算设备(诸如手提电脑、笔记本电脑和平板电脑)中以及在其中用于附加组件的空间极为有限的便携式通信设备(如智能手机和智能手表)中用作语音识别和深度学习目的的声学麦克风。
附图标记
1 集成光学传感器
2 环境
10 MEMS管芯
11 膜片
12 第一侧
13 第二侧
14 腔体
15 悬置结构
16、16A 偏转点/表面
17、17A 固定点/表面
18 透明材料
20 ASIC管芯
21、21A 光束分离元件
22、22A 光束合并元件
23 光源
24、24A 检测器
25 波导
26 耦合元件
27 透镜元件
28 相位调节元件
30 源光束
31、31A 探测光束
32、32A 参考光束
33、33A 叠加光束

Claims (15)

1.一种用于检测动态压力变化的集成光学传感器（1），所述传感器（1）包括：
- 微机电系统MEMS管芯（10），其具有MEMS膜片（11），所述MEMS膜片具有第二侧（13）以及暴露于所述动态压力变化的第一侧（12）；以及
- 专用集成电路ASIC管芯（20），其具有光学干涉仪组件，其包括：
- 光束分离元件（21），其用于接收来自光源（23）的源光束（30），并且用于将所述源光束（30）分离成在第一光束路径中的探测光束（31）和在第二光束路径中的参考光束（32）；
- 光束合并元件（22），其用于将所述探测光束（31）与所述参考光束（32）合并成叠加光束（33）；以及
- 检测器（24），其配置为接收所述叠加光束（33）并根据所述叠加光束（33）来生成电子干涉信号；
其中，
- 相对于所述ASIC管芯（20）来将所述MEMS管芯（10）布置为使得在所述膜片的第二侧（12）与所述ASIC管芯（20）之间形成间隙，其中所述间隙限定腔体（14）并具有间隙高度；并且
- 所述探测光束（31）的第一光束路径包括：耦合到所述腔体（14）中、从所述膜片（11）的偏转点或偏转表面（16）反射出来以及耦合出所述腔体（14）。
2.根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述ASIC管芯（20）还包括所述光源（23）以用于发射所述源光束（30）。
3.根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，在有效长度方面，所述第一光束路径与所述第二光束路径的偏离小于所述光源的相干长度。
4.根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述间隙高度等于或大于100μm。
5. 根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述光学干涉仪组件还包括：
- 波导结构，其用于引导所述探测光束（31）、所述参考光束（32）和所述叠加光束（33）；以及
- 至少一个耦合元件（26），其用于将来自所述波导结构的光耦合到所述腔体（14）中和/或用于将来自所述腔体（14）的光耦合到所述波导结构中。
6.根据权利要求5所述的集成光学传感器（1），其中，所述光束分离元件（21）和/或所述光束合并元件（22）集成在所述波导结构中。
7.根据权利要求5所述的集成光学传感器（1），其中，所述光学干涉仪组件在第一光束路径中还包括透镜元件（27），其中，所述透镜元件（27）被配置为：
- 接收来自所述光束分离元件（21）的探测光束（31）；
- 创建具有修正的空间强度分布的修正的探测光束（31）；以及
- 将所述修正的探测光束（31）耦合到所述腔体（14）中，使得所述探测光束（31）从所述膜片（11）的多个偏转点（16）或者一个或更多个偏转表面（16）反射出来。
8.根据权利要求7所述的集成光学传感器（1），其中，所述耦合元件（26）根据所述修正的空间强度分布成形，并被配置为将来自所述腔体（14）的探测光束（31）耦合到所述波导结构中。
9.根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述光学干涉仪组件还包括在第一光束路径和/或在第二光束路径中的相位调节元件（28）。
10.根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述第二光束路径包括：耦合到所述腔体（14）中、从所述MEMS管芯的固定点或固定表面（17）反射出来以及耦合出所述腔体（14）。
11. 根据权利要求1所述的集成光学传感器（1），其中，所述光学干涉仪组件还包括另外的光束分离元件（21A）和另外的光束合并元件（22A），其中，
- 所述另外的光束分离元件（21A）被配置为在第三光束路径中生成另外的探测光束（31A）以及在第四光束路径中生成另外的参考光束（32A）；以及
- 所述另外的光束合并元件（22A）被配置为将所述另外的参考光束（32A）与所述另外的探测光束（31A）合并成另外的叠加光束（33A）。
12.根据权利要求11所述的集成光学传感器（1），其中，所述第三光束路径包括：耦合到所述腔体（14）中、从所述膜片（11）的另外的偏转点或另外的偏转表面（16A）反射出来以及耦合出所述腔体（14）。
13.根据权利要求11所述的集成光学传感器（1），其中，所述第四光束路径包括：耦合到所述腔体（14）中、从所述MEMS管芯（10）的另外的固定点或另外的固定表面（17A）反射出来以及耦合出所述腔体（14）。
14.一种电子设备，其包括根据权利要求1至13之一所述的集成光学传感器（1），其中，所述传感器（1）被配置为全方向检测所述传感器（1）的环境（2）中的动态压力变化。
15.一种使用根据权利要求1至13之一所述的集成光学传感器（1）来检测动态压力变化的方法，所述方法包括：
- 提供MEMS膜片（11），所述MEMS膜片具有第二侧（13）以及暴露于所述动态压力变化的第一侧（12）；
- 将源光束（30）分离成在第一光束路径中的探测光束（31）以及在第二光束路径中的参考光束（32）；
- 将所述探测光束（31）从所述MEMS膜片（11）的偏转点或偏转表面（16）反射出来；
- 将所述探测光束（31）和所述参考光束（32）合并成叠加光束（33）；以及
- 根据所述叠加光束（33）来生成电子干涉信号。
CN201980059409.1A 2018-09-26 2019-09-17 用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法 Active CN113167672B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18196899.1A EP3628990B1 (en) 2018-09-26 2018-09-26 Integrated optical transducer and method for detecting dynamic pressure changes
EP18196899.1 2018-09-26
PCT/EP2019/074850 WO2020064431A1 (en) 2018-09-26 2019-09-17 Integrated optical transducer and method for detecting dynamic pressure changes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113167672A CN113167672A (zh) 2021-07-23
CN113167672B true CN113167672B (zh) 2023-03-14

Family

ID=63685737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980059409.1A Active CN113167672B (zh) 2018-09-26 2019-09-17 用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11808654B2 (zh)
EP (1) EP3628990B1 (zh)
KR (1) KR102470265B1 (zh)
CN (1) CN113167672B (zh)
WO (1) WO2020064431A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4422167A (en) * 1981-06-25 1983-12-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Wide-area acousto-optic hydrophone
CN1476629A (zh) * 2000-11-22 2004-02-18 株式会社尼康 曝光设备、曝光法及器件制造法
WO2006042696A1 (de) * 2004-10-20 2006-04-27 Universität Stuttgart Interferometrisches verfahren und anordnung

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5262884A (en) 1991-10-09 1993-11-16 Micro-Optics Technologies, Inc. Optical microphone with vibrating optical element
DE19623504C1 (de) 1996-06-13 1997-07-10 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Optisches Mikrophon
US6014239C1 (en) 1997-12-12 2002-04-09 Brookhaven Science Ass Llc Optical microphone
US6567572B2 (en) 2000-06-28 2003-05-20 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Optical displacement sensor
US6829814B1 (en) 2002-08-29 2004-12-14 Delphi Technologies, Inc. Process of making an all-silicon microphone
US7826629B2 (en) * 2006-01-19 2010-11-02 State University New York Optical sensing in a directional MEMS microphone
FI20060259A0 (fi) * 2006-03-17 2006-03-17 Noveltech Solutions Oy Optinen audiomikrofonijärjestely
US9995674B2 (en) * 2013-12-26 2018-06-12 The United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa. Photoacoustic chemical detector
US9274283B1 (en) 2014-09-30 2016-03-01 Globalfoundries Inc. Silicon photonics alignment tolerant vertical grating couplers
US9479875B2 (en) 2015-01-23 2016-10-25 Silicon Audio Directional, Llc Multi-mode microphones
US9503820B2 (en) 2015-01-23 2016-11-22 Silicon Audio Directional, Llc Multi-mode microphones
GB2558963A (en) * 2017-01-18 2018-07-25 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Flexible membrane
GB2565376B (en) * 2017-08-11 2020-03-25 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd MEMS devices and processes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4422167A (en) * 1981-06-25 1983-12-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Wide-area acousto-optic hydrophone
CN1476629A (zh) * 2000-11-22 2004-02-18 株式会社尼康 曝光设备、曝光法及器件制造法
WO2006042696A1 (de) * 2004-10-20 2006-04-27 Universität Stuttgart Interferometrisches verfahren und anordnung

Also Published As

Publication number Publication date
KR102470265B1 (ko) 2022-11-25
EP3628990B1 (en) 2021-08-25
WO2020064431A1 (en) 2020-04-02
CN113167672A (zh) 2021-07-23
US20210404897A1 (en) 2021-12-30
US11808654B2 (en) 2023-11-07
EP3628990A1 (en) 2020-04-01
KR20210059756A (ko) 2021-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100437142B1 (ko) 광 마이크로 폰
US9641941B2 (en) Transducer system
US8730484B2 (en) Resonant cavity sensor having multiple input optical signals at different angles
Lee et al. Fabrication and characterization of a micromachined acoustic sensor with integrated optical readout
CA2921227C (en) All-optical system responsive to motion and optical module for use in the same
Bicen et al. Integrated optical displacement detection and electrostatic actuation for directional optical microphones with micromachined biomimetic diaphragms
CN112470493A (zh) 光学麦克风组件
KR100629048B1 (ko) 광학소자를 이용한 음향전기 변환장치
CN113167672B (zh) 用于检测动态压力变化的集成光学传感器和方法
CN114175683B (zh) 用于测量位移的光学换能器及方法
JP7009650B2 (ja) フォトニックデバイス、フォトニックデバイスの動作方法、及びフォトニックデバイスの製造方法
US3433959A (en) Microphone
US11510012B2 (en) Integrated optical transducer and method for fabricating an integrated optical transducer
US20200404430A1 (en) Device for Sensing a Motion of a Deflective Surface
CN115462096A (zh) 麦克风组件及制造方法
RU2473181C1 (ru) Оптический микрофон
TWI833802B (zh) 集成式光學傳感器及其製造方法
Suzuki et al. Optical sensing directional acoustic transducer with grating diaphragm using complementary metal oxide semiconductor compatible micromachining techniques
JPS63127700A (ja) 音響センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant