CN114200162B - 一种微光学加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微光学加速度计，由上层的光收发模块，中间层的异构集成腔光力加速度敏感芯片以及下层的保护封盖封装在陶瓷基底上得到，还有间隔键合层，光收发模块由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板以及激光器芯片和探测器芯片组成，异构集成腔光力加速度敏感芯片由多个光子晶体波导、MEMS敏感结构、光力传感结构以及谐振光栅耦合器组成，保护封盖为二氧化硅盖板，陶瓷基底带有金属焊盘；本发明集成了多级差分探测结构，抑制了激光器，探测器，MEMS机械振子敏感结构，拉链腔式腔光力传感等多种共模噪声，比现有的光学式加速度计具备更低的本底噪声，从而能够实现更高精度的加速度测量。

Description

一种微光学加速度计

技术领域

本发明属于微光机电系统及加速度传感器（微惯性测量）技术领域，特别是涉及一种可敏感平面内加速度的腔光力微光学加速度计。

背景技术

由于受限于传统的电学测量方式限制，常规的如压阻、电容式MEMS在测量灵敏度和噪声等指标上已遇到瓶颈，无法满足高精度惯性导航等应用领域的需求。近年来，基于光学检测和MEMS工艺的光学MEMS（微光学）加速度计正逐渐走向人们的视野。MEMS工艺技术为微光学加速度计的实现提供了良好的工艺基础，另一方面光学检测方案采用了诸如光强、频率、相位以及近场效应等光学检测手段实现敏感单元的位移检测，能够提供比传统电学检测方案更为优异的位移检测分辨率。微光学加速度计具有小型化、高精度、抗电磁干扰等一系列优点，随着光子集成设计及工艺的进一步发展，微光学加速度计将会成为新一代高精度加速度计的代表。

近年来，国内外的研究机构开始对微光学加速度计进行了一定的研究。2009年，加州理工学院的Eichenfield等人实现了pg量级质量和nm级尺度的光子晶体光机械腔体，报道称其能够实现高精度的力及位移探测。2012年，同为加州理工学院的 Krause等人改进了此方案，提出了拉链式光子晶体光机械腔体式加速度计，这种微光学加速度计拥有很高的Q（～4106）值和带宽（～20 kHz），其位移测量精度也可以突破标准量子极限达到4 ，不过由于质量块的尺寸较小，该加速度计的噪声等效加速度仅达到10 ，且由于工艺受限，该方案最终并未实现实际的加速度计集成。随着对微机械加速度计性能的要求不断提高，对于惯导级高精度(优于1ug)的微加速度计的需求愈加迫切，而现有技术中的微光学加速度计探测灵敏度较低，工艺集成度较差，尚无法满足需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直集成光电封装的微光学加速度计，解决现有技术中存在的探测灵敏度较低，工艺集成度较差等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微光学加速度计，由上层的光收发模块，中间层的异构集成腔光力加速度敏感芯片以及下层的保护封盖封装在陶瓷基底上得到，上中下三层结构通过键合工艺垂直封装成“三明治”式封装结构，所述的光收发模块和异构集成腔光力加速度敏感芯片之间以及异构集成腔光力加速度敏感芯片和保护封盖之间均设置有相应的间隔键合层以实现所需的高度间隙；所述的光收发模块由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板以及位于氮化铝陶瓷基板指定位置的多个激光器芯片和探测器芯片组成；所述的异构集成腔光力加速度敏感芯片由多个光子晶体波导、位于光子晶体波导中心区域用于敏感面内加速度的MEMS敏感结构、位于MEMS敏感结构两侧用于敏感微小位移变化的光力传感结构以及位于MEMS敏感结构两侧的谐振光栅耦合器等结构组成，光力传感结构9能够对输入/输出光力传感结构9的激光光强形成调制；所述的保护封盖为二氧化硅盖板；所述的陶瓷基底带有金属焊盘。

所述的一种微光学加速度计，其激光器芯片及探测器芯片构成激光探测芯片组，多个激光探测芯片组对称分布在氮化铝陶瓷基板上，每个激光探测芯片组包含一个激光器芯片及对称分布在氮化铝陶瓷基板上的两个探测器芯片，所有的激光器芯片共同由一个电极驱动，对称分布的两个探测器芯片形成一级差分探测结构，用以减小激光器相对强度噪声，对称分布的多个不同激光探测芯片组形成二级差分探测结构，进一步减少系统噪声。

所述的一种微光学加速度计，其激光器芯片和探测器芯片均按垂直向下朝向布置，激光器芯片和探测器芯片的位置与谐振光栅耦合器位置一一对应，每一个谐振光栅耦合器实现将上层的光收发模块各芯片中的激光耦合进入异构集成腔光力加速度敏感芯片的光子晶体波导中，以及将激光从异构集成腔光力加速度敏感芯片中的光子晶体波导中耦合到上层的光收发模块中的探测器芯片中。

所述的一种微光学加速度计，其光子晶体波导将从谐振光栅耦合器耦合进入异构集成腔光力加速度敏感芯片中的激光传输到异构集成腔光力加速度敏感芯片中的光力传感结构位置入口处；或者将异构集成腔光力加速度敏感芯片中的光力传感结构位置出口处的激光传输到异构集成腔光力加速度敏感芯片中与光收发模块的探测器芯片对应的谐振光栅耦合器中去。

所述的一种微光学加速度计，其光力传感结构由附着在单晶硅基底上表面的一层氮化硅膜组成，氮化硅膜中有两条距离很近的纳米线，纳米线上有均匀分布的微孔，形成“拉链式”的图案，以成为拉链腔式腔光力传感结构。

所述的一种微光学加速度计，其MEMS敏感结构、光力传感结构、谐振光栅耦合器、光子晶体波导等结构由异构集成工艺实现，其中MEMS敏感结构由单晶硅基底通过深硅刻蚀刻穿工艺形成，光力传感结构、谐振光栅耦合器和光子晶体波导等结构通过氮化硅生长工艺、电子束曝光工艺以及刻蚀工艺形成。

所述的一种微光学加速度计，其间隔键合层采用硅、二氧化硅或者金属材料。

所述的一种微光学加速度计，其探测器芯片采用低噪声硅光电二极管（PD）。

所述的一种微光学加速度计，其保护封盖尺寸与异构集成腔光力加速度敏感芯片外框一致，保护封盖非键合区域与异构集成腔光力加速度敏感芯片中的MEMS敏感结构区域一致。

本发明的有益效果是：

1，本发明采用了MEMS敏感结构，拉链腔式腔光力传感结构，谐振光栅耦合器，光子晶体波导等多种结构异构集成而成的腔光力加速度敏感芯片，在一片芯片上实现了光的输入输出耦合，波导传输，加速度敏感以及腔光力式位移传感，大幅提升了检测灵敏度。

2，本发明集成了多级差分探测结构，抑制了激光器，探测器，MEMS机械振子结构，拉链腔式腔光力传感等多方面的噪声，比现有的光学式加速度计具备更低的本底噪声，从而能够实现更高精度的加速度测量。

3，本发明采用了三明治式垂直光电封装结构，对模块的垂直对准和键合提供了多种优势：第一是它能够大幅减小传感器在平面内的投影面积，最终能够减小系统体积；第二模块的垂直集成能够使器件的键合区域更多，从而提升键合强度，这最终能够提升工艺的可行性。综上，此封装方案能够实现微小型集成化的光学加速度计，其工艺可行性高，一致性好，适用于批量生产。

本发明的具体工作原理描述如下：

中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中的MEMS敏感结构在外界加速度输入时，会在面内产生微位移；这个位移会导致中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中的拉链腔式腔光力传感对称结构的拉链对间距改变，这就会导致此拉链腔式腔光力传感对称结构的激光共振频率发生改变，从而会对输入输出此传感结构的激光光强产生剧烈调制作用。另一方面，上层光收发模块中的激光器芯片垂直发射激光，通过中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中谐振光栅耦合器耦合进入中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中的光子晶体波导中，激光通过光子晶体波导输入进入拉链腔式腔光力传感对称结构中，并受到调制后通过光子晶体波导和谐振光栅耦合器输出到下层光收发模块中的垂直封装的探测器芯片中去。通过探测器芯片检测输出激光光强的变化从而实现对外界加速度的测量。

附图说明

图1是本发明加速度计的结构示意图；

图2是本发明异构集成腔光力加速度敏感芯片的结构示意图；

图3是本发明上层光收发模块与中间层对准键合后示意图；

图4是本发明图3中的局部放大图。

各附图标记为：1—光收发模块，2—异构集成腔光力加速度敏感芯片，3—保护封盖，4—陶瓷基底，5—间隔键合层，6—金属焊盘，7—谐振光栅耦合器，8—光子晶体波导，9—光力传感结构，10—MEMS振子敏感结构，11—激光器芯片，12—探测器芯片。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明公开的一种垂直集成光电封装的微光学加速度计，是由上层光收发模块1，中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2以及下层保护封盖3与陶瓷基底4组成的“三明治”式封装结构。所述的保护封盖3为二氧化硅盖板；所述的陶瓷基底4带有金属焊盘6；下层保护封盖3尺寸与中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2外框一致，下层保护封盖键合区域与中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中的MEMS振子敏感结构10区域一致。下层保护封盖的功能是保护整个中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2，特别是MEMS振子敏感结构10的正常工作。下层带有金属焊盘6的陶瓷基底4功能是实现与上层的光收发模块1电气互联以及与外界的电气连接。

所述的上中下三层结构通过键合工艺垂直封装成“三明治”式封装结构，三层结构之间有相应的间隔键合层5实现所需的高度间隙；间隔键合层5的材料可以是硅，二氧化硅或者金属。

如图2所示，所述的异构集成腔光力加速度敏感芯片2由MEMS振子敏感结构10，拉链腔式腔光力传感结构9，谐振光栅耦合器7，光子晶体波导8等结构组成；异构集成腔光力加速度敏感芯片2中可以采用不同的周期性结构来实现光学波导8传输以及谐振光栅耦合器7的输入输出，它们可以是各种周期性的结构，例如带有孔洞的阵列、梁，光栅，光晶格等，材料可以是硅，氮化硅，氧化硅等或者这些的组合。

异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的MEMS振子敏感结构10可包括多个，例如四个位移传感器，每一个都可等价于一个柔性的弹簧悬挂着质量块。中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的MEMS振子敏感结构10位于芯片的中间区域，可敏感面内加速度。

中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的拉链腔式腔光力传感结构9由附着在单晶硅基底上表面的一层氮化硅膜组成，氮化硅膜中有两条距离很近的纳米线，纳米线上有均匀分布的微孔，形成“拉链式”的图案。

异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的谐振光栅耦合器7位置与光收发模块1中的多组激光器11和探测器芯片12位置一一对应，每一个谐振光栅耦合器7实现将上层的光收发模块1中的激光耦合进入中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2的光子晶体波导8中或者将激光从中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的光子晶体波导8中耦合到上层的光收发模块1中的探测器12芯片中的功能。

异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的光子晶体波导8结构实现将从谐振光栅耦合器7耦合进入异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的激光传输到异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的拉链腔式腔光力传感结构9位置入口处；或者将异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的拉链腔式腔光力传感结构9位置出口处的激光传输到异构集成腔光力加速度敏感芯片2中与上层的光收发模块1的探测器芯片12所对应的谐振光栅耦合器7中去的功能。

异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的MEMS振子敏感结构10，拉链腔式腔光力传感结构9，谐振光栅耦合器7，光子晶体波导8等结构由异构集成工艺实现。其中MEMS振子敏感结构10由单晶硅基底通过深硅刻蚀刻穿工艺形成，拉链腔式腔光力传感结构9，谐振光栅耦合器7，光子晶体波导8等结构通过氮化硅生长工艺，电子束曝光工艺以及刻蚀工艺形成。

如图3所示为上层光收发模块1与中间层对准键合后示意图，其中上层光收发模块由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板（隐藏未显示），以及位于陶瓷基板指定位置的一个或多个激光器11及探测器芯片12组成。

所述的激光器芯片11的一个实例可以是垂直腔表面发射激光器（VCSEL），功率可以是0.1～1mW，波长可以是850nm。激光器产生稳定的，单纵模的输出激光，电光转换效率可以是30%，这可以帮助实现系统的超低功耗。进一步的，激光器提供高质量的TEM00空间模式输出，以及接近衍射极限的模场直径，这样可以提升进入中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中所需的单模光的耦合效率。

所述的探测器芯片12可以是低噪声硅光电二极管（PD），它具有较低的电压和电流噪声水平，使得系统噪声可以接近散粒噪声极限。

所述的谐振光栅耦合器7同时也是一个分束器，能够将光平均分束进入两个对称的光子晶体波导8中，沿着芯片的不同方向传播，（其中每一个路径都采用箭头标出）。这些波导能够将激光传输到两个不同位置的拉链腔式腔光力传感结构9处。

上层的光收发模块1，激光器11和探测器芯片12均按垂直向下朝向布置，激光器11与探测器芯片12的位置与中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片中的谐振光栅耦合器位置一一对应。上层光收发模块1与中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2通过垂直方向上的严格对准和键合来保证所需的的光学路径和光学效率。

所述的上层光收发模块1中包含有多组激光器11和探测器芯片12，每一组包含一个激光器芯片11及对称分布的两个探测器芯片12组成，所有组的激光器共同由一个电极驱动，对称分布的两个探测器芯片形成一级差分探测结构，可以移除激光器的共模噪声，例如相对强度噪声（RIN）。不同组的激光器和探测器芯片也按对称方式分布，形成二级差分探测结构，进一步减少系统噪声。

如图4所示，为上层光收发模块与中间层对准键合后的带光路传输路径的局部放大图，上层光收发模块1中的激光器11垂直向下发射激光，经过中间层异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的谐振光栅耦合器7耦合进入光子晶体波导8中，耦合进入的激光通过光子晶体波导输入到拉链腔式腔光力传感结构9中，其输入输出光强受到调制后经过光子晶体波导8并通过输出端的谐振光栅耦合器输出到上层光收发模块1中的探测器芯片12中。

当加速度计工作时， MEMS敏感结构在外界加速度输入时，会在面内产生微位移；这个位移会导致异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的拉链腔式腔光力传感对称结构的拉链对间距改变，这就会导致此拉链腔式腔光力传感对称结构的激光共振频率发生改变，从而会对输入输出此传感结构的激光光强产生剧烈调制作用。另一方面，光收发模块1中的激光器芯片11垂直发射激光，通过异构集成腔光力加速度敏感芯片2中谐振光栅耦合器7耦合进入异构集成腔光力加速度敏感芯片2中的光子晶体波导8中，激光通过光子晶体波导8输入进入拉链腔式腔光力传感对称结构中，并受到调制后通过光子晶体波导8和谐振光栅耦合器7输出到光收发模块1中的垂直封装的探测器芯片12中去。通过探测器芯片12检测输出激光光强的变化从而实现对外界加速度的测量。光收发模块1中的金属焊盘6与陶瓷基底4上的金属焊盘6通过金线引线键合实现电气互联，进一步陶瓷基底4上的金属焊盘6与外界实现电气连接。

本发明具有如下优点：

第一，谐振光栅耦合器可同时实现分束器功能，一束激光入射到谐振光栅耦合器后会平均耦合进入到左右对称的两个光子晶体波导中，这两路光通过差分探测可以抑制激光器的共模噪声，如相对强度噪声（RIN）。

第二，采用了不同的激光器，探测器和MEMS敏感结构对，形成了另一级的差分探测结构，这样可以进一步抑制MEMS机械振子结构，拉链腔式腔光力传感的共模噪声。提升加速度测量灵敏度。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种微光学加速度计，其特征在于：由上层的光收发模块（1），中间层的异构集成腔光力加速度敏感芯片（2）以及下层的保护封盖（3）封装在陶瓷基底（4）上得到，所述的光收发模块（1）和异构集成腔光力加速度敏感芯片（2）之间以及异构集成腔光力加速度敏感芯片（2）和保护封盖（3）之间均设置有间隔键合层（5）；

所述的光收发模块（1）由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板以及位于氮化铝陶瓷基板上的多个激光器芯片（11）和探测器芯片（12）组成，所述的激光器芯片（11）及探测器芯片（12）构成激光探测芯片组，多个激光探测芯片组对称分布在氮化铝陶瓷基板上，每个激光探测芯片组包含一个激光器芯片（11）及对称分布在氮化铝陶瓷基板上的两个探测器芯片（12），所有的激光器芯片（11）共同由一个电极驱动，对称分布的两个探测器芯片（12）形成一级差分探测结构，对称分布的多个激光探测芯片组形成二级差分探测结构；所述的激光器芯片（11）和探测器芯片（12）均垂直向下布置，与谐振光栅耦合器（7）位置一一对应，每一个谐振光栅耦合器（7）将上层的激光耦合进入光子晶体波导（8）中，以及将激光从光子晶体波导（8）中耦合到探测器芯片（12）中；

所述的异构集成腔光力加速度敏感芯片（2）由多个光子晶体波导（8）、位于光子晶体波导（8）中心用于敏感面内加速度的MEMS敏感结构、位于MEMS敏感结构两侧用于敏感微小位移变化的光力传感结构（9）以及位于MEMS敏感结构两侧的谐振光栅耦合器（7）组成；所述的光力传感结构（9）由附着在单晶硅基底上表面的一层氮化硅膜组成，氮化硅膜中有两条纳米线，纳米线上有均匀分布的微孔；

所述的保护封盖（3）为二氧化硅盖板；

所述的陶瓷基底（4）带有金属焊盘（6）。

2.根据权利要求1所述的一种微光学加速度计，其特征在于，所述的光子晶体波导（8）将从谐振光栅耦合器（7）耦合进入的激光传输到光力传感结构（9）入口处；或者将光力传感结构（9）出口处的激光传输到与探测器芯片（12）对应的谐振光栅耦合器（7）中。

3.根据权利要求1所述的一种微光学加速度计，其特征在于，所述的MEMS敏感结构由单晶硅基底通过深硅刻蚀刻穿工艺形成，所述的光力传感结构（9）、谐振光栅耦合器（7）和光子晶体波导（8）通过氮化硅生长工艺、电子束曝光工艺以及刻蚀工艺形成。

4.根据权利要求1所述的一种微光学加速度计，其特征在于，所述的间隔键合层（5）采用硅、二氧化硅或者金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种微光学加速度计，其特征在于，所述的探测器芯片（12）采用低噪声硅光电二极管。

6.根据权利要求1所述的一种微光学加速度计，其特征在于，所述的保护封盖（3）尺寸与异构集成腔光力加速度敏感芯片（2）外框一致，保护封盖（3）非键合区域与MEMS敏感结构区域一致。