CN113465597A - 基于mzi干涉系统的硅光加速度计及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于MZI干涉系统的硅光加速度计，光线从输入端射入，当被施加一个惯性力时，被悬臂梁所支撑的质量块也发生位移，质量块推动测量波导产生应变，由于光弹效应及应变效应作用，测量波导中光的传输相位随着质量块的运动而发生偏移。固定波导和测量波导的光线在输出端前发生MZI干涉，测量输出端的光强即可达到提取所测加速度信号的目的。本申请的光加速度计具有灵敏度高，抗干扰能力强，能够适应恶劣环境或有精密测量需求的环境。

Description

基于MZI干涉系统的硅光加速度计及其制备方法

技术领域

本申请属于光子传感器技术领域，尤其是涉及一种基于MZI干涉系统的硅光加速度计及其制备方法。

背景技术

加速度计是惯性导航、制导和控制系统的重要测试元件，广泛应用于导弹制导、飞机导航、人造卫星的姿态控制、刹车系统控制、大型电器设备的振动测量及石油地震勘探等领域。近年来，随着微机械加工技术和集成光学技术的发展，兼具微机械加速度计集成化、微型化与光学加速度计高精度、抗电磁干扰等显著优势的微光机电（ＭＯＥＭＳ）加速度计得到了国内外广泛研究。

扭转干涉仪型光加速度计已经有人进行过报道，其通过一质量块扭转MZI干涉结构测量波导通过光线的干涉最终完成的对加速度的测量，但是扭转干涉仪较为复杂，工艺难以实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种制备简单、灵敏度高的基于MZI干涉系统的硅光加速度计及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于MZI干涉系统的硅光加速度计，包括：

基层，由硅材料制成；

顶层，设置于基层上；

固定锚，固定设置于基层上；

MZI干涉结构，设置于所述顶层上，包括：输入端和输出端，以及同时连接输入端与输出端且并联设置的固定波导和测量波导；

质量块，顶部与测量波导连接，一端通过第一悬臂梁、另一端通过位于测量波导下方的第二悬臂梁连接于固定锚上，且第二悬臂梁的中间或者底部具有氧化层。

本发明的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，包括，2个MZI干涉结构和2个质量块，且2个质量块的振动方向垂直，2个MZI干涉结构的输入端通过耦合器连接。

本发明的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，所述第一悬臂梁为弹簧形。

本发明的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，所述第一悬臂梁和质量块位于顶层形成的空腔中，所述质量块侧壁上设置有限位块。

本发明的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，所述基层与顶层接触的部分之间为氧化层，通过刻蚀所述质量块、第一悬臂梁和第二悬臂梁边缘使所述质量块脱离基层、顶层和氧化层的其余部分得到，在顶层处所述质量块与测量波导之间具有槽以隔离质量块与测量波导下方的第二悬臂梁，所述质量块在基层的部分与第二悬臂梁连接。

本发明的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，所述质量块中间部分与第二悬臂梁连接。

本发明还提供一种基于MZI干涉系统的三轴硅光加速度计，

包括，

基层，由硅材料制成；

顶层，设置于基层上；

固定锚，固定设置于基层上；

3个MZI干涉结构，每个MZI干涉结构均设置于所述顶层上，包括：输入端和输出端，以及同时连接输入端与输出端且并联设置的固定波导和测量波导；3个MZI干涉结构的输入端两两分别通过两个耦合器连接；

3个质量块，其中2个的质量块顶部与测量波导连接，质量块的一端通过第一悬臂梁、另一端通过位于测量波导下方的第二悬臂梁连接于固定锚上，2个所述质量块的振动方向垂直构成X轴和Y轴方向的振动块；另一个质量块顶部与测量波导连接，质量块通过位于测量波导下方的第三悬臂梁与固定锚连接，且测量波导和第三悬臂梁不通过质量块的重心以构成Z轴的扭转块；第二悬臂梁和第三悬臂梁的中间或者底部具有氧化层。

本发明还提供一种基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，包括以下步骤：

S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层、顶层和位于基层与顶层之间的氧化层；

S2：在顶层进行刻蚀，形成MZI干涉结构，所述MZI干涉结构，包括：输入端和输出端，以及同时连接输入端与输出端且并联设置的固定波导和测量波导；

S3：对顶层继续进行刻蚀，在质量块和第一悬臂梁四周刻蚀空腔以形成质量块和第一悬臂梁的相应形状；

S4：从基层底部在对应于质量块和第一悬臂梁四周刻蚀空腔的位置进行刻蚀形成底部空腔并使氧化层露出，使第一悬臂梁对应的基层刻蚀掉使氧化层露出，从基层底部在对应于第二悬臂梁处进行刻蚀降低此处基层厚度；

S5：将氧化层腐蚀掉使质量块和第一悬臂梁四周的空腔完全连通，同时第一悬臂梁对应的氧化层腐蚀掉，释放质量块和第一悬臂梁。

本发明的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，在S3步骤中，还在质量块与测量波导之间刻蚀使氧化层露出的槽以隔离质量块与测量波导下方的第二悬臂梁。

本发明的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，在S5步骤中，还在质量块与第二悬臂梁连接处进行刻蚀，使质量块中间部分与第二悬臂梁连接。

本发明的有益效果是：

本实施例的光加速度计，光线从输入端射入，当被施加一个惯性力时，被悬臂梁所支撑的质量块也发生位移，质量块推动测量波导产生应变，由于光弹效应及应变效应作用，测量波导中光的传输相位随着质量块的运动而发生偏移。固定波导和测量波导的光线在输出端前发生MZI 干涉，测量输出端的光强即可达到提取所测加速度信号的目的。本实施例的光加速度计具有灵敏度高，抗干扰能力强，能够适应恶劣环境或有精密测量需求的环境。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请实施例的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的结构示意图；（图中第二悬臂梁采用了虚线的话，其可以为弹簧形，也可以上直线型，为直线型时依靠硅材料本身的弹性）

图2是本申请实施例的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的俯视图；

图3是本申请实施例的基于MZI干涉系统的双轴硅光加速度计的俯视图；

图4是本申请实施例的基于MZI干涉系统的三轴硅光加速度计的俯视图；

图5是质量块与第二悬臂梁在顶层处的连接关系图；

图6是质量块与第二悬臂梁在基层处的连接关系图。

图中的附图标记为：

1　 顶层；

2 MZI干涉结构；

3　 固定锚；

4　 基层；

5　 质量块；

6　 悬臂梁；

8　 耦合器；

21　 输入端；

22　 波导；

221　固定波导；

222　测量波导；

23　 输出端；

51　 限位块；

61　 第一悬臂梁；

62　 第二悬臂梁；

63　 第三悬臂梁；

81 空腔；

82 槽。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计，如图1和图2所示，包括：

基层4，由硅材料制成；

顶层1，设置于基层4上；

固定锚3，固定设置于基层4上；

MZI干涉结构2，设置于所述顶层1上，包括：输入端21和输出端23，以及同时连接输入端21与输出端23且并联设置的固定波导221和测量波导222；

质量块5，顶部与测量波导222连接，一端通过第一悬臂梁61、另一端通过位于测量波导222下方的第二悬臂梁62连接于固定锚3上，且第二悬臂梁62的中间或者底部具有氧化层（以实现光线全反射）。

本实施例的光加速度计，光线从输入端21射入，当沿Y轴方向施加一个惯性力时，被悬臂梁6（第一悬臂梁61和第二悬臂梁62构成）所支撑的质量块5也发生位移，质量块5推动测量波导222产生应变，由于光弹效应及应变效应作用，测量波导222中光的传输相位随着质量块5的运动而发生偏移。固定波导221和测量波导222（共同组成波导22）的光线在输出端23前发生MZI 干涉，测量输出端23的光强即可达到提取所测加速度信号的目的。本实施例的光加速度计具有灵敏度高，抗干扰能力强，在一些恶劣环境或有精密测量需求的环境

优先地，所述第一悬臂梁61为弹簧形。

优先地，所述第一悬臂梁61和质量块5位于顶层1形成的空腔中，所述质量块5侧壁上设置有限位块51。通过空腔内壁以及限位块51以限制质量块5的振动方向。

值得说明的是，输入端21是接收来自光源的光线，输出端23与图像传感器（光电二极管）连接。

作为一种实施方式，基于MZI干涉系统的双轴硅光加速度计，如图3所示，双轴为X/Y轴；

包括，2个MZI干涉结构2和2个质量块5，且2个质量块5的振动方向垂直，2个MZI干涉结构2的输入端21通过耦合器8连接。

作为一种实施方式，基于MZI干涉系统的三轴硅光加速度计，如图4所示，三轴为X/Y/Z轴；

包括，

基层4，由硅材料制成；

顶层1，设置于基层4上；

固定锚3，固定设置于基层4上；

3个MZI干涉结构2，每个MZI干涉结构2均设置于所述顶层1上，包括：输入端21和输出端23，以及同时连接输入端21与输出端23且并联设置的固定波导221和测量波导222；3个MZI干涉结构2的输入端21两两分别通过两个耦合器8连接；

3个质量块5，其中2个的质量块5顶部与测量波导222连接，质量块5的一端通过第一悬臂梁61、另一端通过位于测量波导222下方的第二悬臂梁62连接于固定锚3上，2个所述质量块5的振动方向垂直构成X轴和Y轴方向的振动块；另一个质量块5顶部与测量波导222连接，质量块5通过位于测量波导222下方的第三悬臂梁63与固定锚3连接，且测量波导222和第三悬臂梁63不通过质量块5的重心以构成Z轴的扭转块；第二悬臂梁62和第三悬臂梁63的底部具有SiO₂层。

进一步地，所述基层4与顶层1接触的部分之间为氧化层，通过刻蚀所述质量块5、第一悬臂梁61和第二悬臂梁62边缘使所述质量块5脱离基层4、顶层1和氧化层的其余部分得到，在顶层1处所述质量块5与测量波导222之间具有槽82以隔离质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62，所述质量块5在基层4的部分与第二悬臂梁62连接。也即质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62在顶层1处不进行连接，质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62在基层4的部分连接。如此设置可以进一步阻止测量波导222的光线泄漏。第二悬臂梁62的基层4和氧化层部分被腐蚀掉仅剩下顶层1部分。

进一步地，所述质量块5中间部分与第二悬臂梁62连接。也即质量块5与第二悬臂梁62在基层4处的连接宽度变小，变相增加了第二悬臂梁62的长度，提高振幅。

实施例2

本实施例提供一种基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，包括以下步骤：

S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层4、顶层1和位于基层4与顶层1之间的氧化层；

S2：在顶层1进行刻蚀，形成MZI干涉结构2，所述MZI干涉结构2，包括：输入端21和输出端23，以及同时连接输入端21与输出端23且并联设置的固定波导221和测量波导222；

S3：对顶层1继续进行刻蚀，在质量块5和第一悬臂梁61四周刻蚀空腔81以形成质量块5和第一悬臂梁61的相应形状；

S4：从基层4底部在对应于质量块5和第一悬臂梁61四周刻蚀空腔的位置进行刻蚀形成底部空腔并使氧化层露出，使第一悬臂梁61对应的基层4刻蚀掉使氧化层露出，从基层4底部在对应于第二悬臂梁62处进行刻蚀降低此处基层4厚度；

S5：将氧化层腐蚀掉使质量块5和第一悬臂梁61四周的空腔完全连通，同时第一悬臂梁61对应的氧化层腐蚀掉，释放质量块5和第一悬臂梁61。也即保留第二悬臂梁62底部的氧化层（SiO₂层），保留氧化层可以使经过测量波导222处泄漏至第二悬臂梁62的光线发生全反射，最终光线能够从输出端23射出。

也即质量块5具有基层4、顶层1和氧化层的结构，质量较大。第二悬臂梁62具有基层4、顶层1和氧化层的结构。第一悬臂梁61仅具有顶层1的结构。基层4、顶层1未被刻蚀掉的部分形成固定锚3。本实施例的硅光加速度计的制备方法，有一块SOI晶片上通过合理的刻蚀即可得到实施例1的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计，制备简单，良品率较高。

优选地，在S3步骤中，如图5所示，还在质量块5与测量波导222之间刻蚀使氧化层露出的槽82以隔离质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62。也即质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62在顶层1处不进行连接，质量块5与测量波导222下方的第二悬臂梁62在基层4的部分连接。如此设置可以进一步阻止测量波导222的光线泄漏。

优选地，在S5步骤中，如图6所示，还在质量块5与第二悬臂梁62连接处进行刻蚀，使质量块5中间部分与第二悬臂梁62连接。也即质量块5与第二悬臂梁62在基层4处的连接宽度变小，变相增加了第二悬臂梁62的长度，提高振幅。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，包括：

基层（4），由硅材料制成；

顶层（1），设置于基层（4）上；

固定锚（3），固定设置于基层（4）上；

MZI干涉结构（2），设置于所述顶层（1）上，包括：输入端（21）和输出端（23），以及同时连接输入端（21）与输出端（23）且并联设置的固定波导（221）和测量波导（222）；

质量块（5），顶部与测量波导（222）连接，一端通过第一悬臂梁（61）、另一端通过位于测量波导（222）下方的第二悬臂梁（62）连接于固定锚（3）上，且第二悬臂梁（62）的中间或者底部具有氧化层。

2.根据权利要求1所述的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，

包括，2个MZI干涉结构（2）和2个质量块（5），且2个质量块（5）的振动方向垂直，2个MZI干涉结构（2）的输入端（21）通过耦合器（8）连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，

所述第一悬臂梁（61）为弹簧形。

4.根据权利要求1所述的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，所述第一悬臂梁（61）和质量块（5）位于顶层（1）形成的空腔中，所述质量块（5）侧壁上设置有限位块（51）。

5.根据权利要求1或2的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，所述基层（4）与顶层（1）接触的部分之间为氧化层，通过刻蚀所述质量块（5）、第一悬臂梁（61）和第二悬臂梁（62）边缘使所述质量块（5）脱离基层（4）、顶层（1）和氧化层的其余部分得到，在顶层（1）处所述质量块（5）与测量波导（222）之间具有槽（82）以隔离质量块（5）与测量波导（222）下方的第二悬臂梁（62），所述质量块（5）在基层（4）的部分与第二悬臂梁（62）连接。

6.根据权利要求5的基于MZI干涉系统的硅光加速度计，其特征在于，所述质量块（5）中间部分与第二悬臂梁（62）连接。

7.一种基于MZI干涉系统的三轴硅光加速度计，其特征在于，

包括，

基层（4），由硅材料制成；

顶层（1），设置于基层（4）上；

固定锚（3），固定设置于基层（4）上；

3个MZI干涉结构（2），每个MZI干涉结构（2）均设置于所述顶层（1）上，包括：输入端（21）和输出端（23），以及同时连接输入端（21）与输出端（23）且并联设置的固定波导（221）和测量波导（222）；3个MZI干涉结构（2）的输入端（21）两两分别通过两个耦合器（8）连接；

3个质量块（5），其中2个的质量块（5）顶部与测量波导（222）连接，质量块（5）的一端通过第一悬臂梁（61）、另一端通过位于测量波导（222）下方的第二悬臂梁（62）连接于固定锚（3）上，2个所述质量块（5）的振动方向垂直构成X轴和Y轴方向的振动块；另一个质量块（5）顶部与测量波导（222）连接，质量块（5）通过位于测量波导（222）下方的第三悬臂梁（63）与固定锚（3）连接，且测量波导（222）和第三悬臂梁（63）不通过质量块（5）的重心以构成Z轴的扭转块；第二悬臂梁（62）和第三悬臂梁（63）的中间或者底部具有氧化层。

8.一种基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层（4）、顶层（1）和位于基层（4）与顶层（1）之间的氧化层；

S2：在顶层（1）进行刻蚀，形成MZI干涉结构（2），所述MZI干涉结构（2），包括：输入端（21）和输出端（23），以及同时连接输入端（21）与输出端（23）且并联设置的固定波导（221）和测量波导（222）；

S3：对顶层（1）继续进行刻蚀，在质量块（5）和第一悬臂梁（61）四周刻蚀空腔（81）以形成质量块（5）和第一悬臂梁（61）的相应形状；

S4：从基层（4）底部在对应于质量块（5）和第一悬臂梁（61）四周刻蚀空腔的位置进行刻蚀形成底部空腔并使氧化层露出，使第一悬臂梁（61）对应的基层（4）刻蚀掉使氧化层露出，从基层（4）底部在对应于第二悬臂梁（62）处进行刻蚀降低此处基层（4）厚度；

S5：将氧化层腐蚀掉使质量块（5）和第一悬臂梁（61）四周的空腔完全连通，同时第一悬臂梁（61）对应的氧化层腐蚀掉，释放质量块（5）和第一悬臂梁（61）。

9.根据权利要求8所述的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，其特征在于，在S3步骤中，还在质量块（5）与测量波导（222）之间刻蚀使氧化层露出的槽（82）以隔离质量块（5）与测量波导（222）下方的第二悬臂梁（62）。

10.根据权利要求9所述的基于MZI干涉系统的单轴硅光加速度计的制备方法，其特征在于，在S5步骤中，还在质量块（5）与第二悬臂梁（62）连接处进行刻蚀，使质量块（5）中间部分与第二悬臂梁（62）连接。

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