CN114414844B - 法珀光学mems加速度敏感芯片、增敏方法及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供法珀光学MEMS加速度敏感芯片、增敏方法及传感器，所述法珀MEMS加速度敏感芯片由可动镜面、腔体、固定镜面组成；所述可动镜面包含固定框架、光子晶体平板质量块、支撑弹簧，其中，可动镜面的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔形成第一二维光子晶体结构，固定镜面的表面刻蚀有与所述可动镜面相同周期性排列的第二通孔形成第二二维光子晶体结构，所述第一二维光子晶体结构、腔体和第二二维光子晶体结构共同构成法布里珀罗腔。本发明提供的增敏方法可以通过对二维光子晶体通孔的占空比的设计来调节法布里珀罗腔的反射率，进而达到增加加速度传感器灵敏度的作用，此外，该方法具有增敏适用波长范围宽、实现方法简单的优势。

Description

法珀光学MEMS加速度敏感芯片、增敏方法及传感器
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)传感器技术领域，具体为法珀光学MEMS加速度敏感芯片、增敏方法及传感器。
背景技术
法布里珀罗干涉型MEMS加速度传感器是一种常见光学MEMS加速度传感器，其光学MEMS加速度敏感芯片通常包含由两面具有特定反射率的平面镜组成的法布里珀罗干涉腔，其中，一面镜子通常和惯性质量块组合形成可动镜面，而另一面和基体组合形成固定镜面。当激光耦合进入法布里珀罗腔体后，由于腔体具有一定的反射率，激光会在法布里珀罗腔体内发生多次反射和透射，腔体的反射率越高，激光单次在腔体内参与反射的能量越多，而透射出腔体的能量越少，进而激光在腔体内发生反射的次数也越多，导致最终发生法布里珀罗干涉的光强越大。而基于法布里珀罗干涉原理的加速度传感器正是通过检测因外界加速度作用导致的干涉光强变化来实现加速度测量。因此，法布里珀罗腔的反射率直接决定了加速度传感器灵敏度的高低，法布里珀罗腔的反射率越高，对应的加速度传感器的灵敏度越高。
现有提高法布里珀罗腔的反射率的技术通常为在腔体内表面制作光学增反膜，具体做法为利用化学气相沉积法制作由多晶硅、二氧化硅、氮化硅、砷化镓、硫化锌、氧化钽等电介质薄膜中的两种或多种交替重复形成的增反膜，并且通过λ/4膜系设计法针对目标激光波长计算对应单层薄膜的厚度，可以实现对波长λ及附近波长激光反射率的增大。例如，中国专利CN201080023427.3公开的交替制作硅和富硅氮化硅增反膜及中国专利CN202011125893.4公开的交替布设六层SiO2和TiO2增反膜来增加法布里珀罗腔的反射率。虽然上述技术方案可以增大法布里珀罗腔的反射率，但其需要交替进行多次不同镀膜工艺，薄膜层数越多薄膜厚度误差越大，导致最终制作的增反膜的单层及总厚度与设计值误差较大，增反效果大打折扣，而且整个工艺过程较复杂且成本高。同时由于该技术方案薄膜厚度的设计采用λ/4膜系设计法，导致增反膜只对波长λ及附近波长的激光具有增反作用，即该技术方案波长适用范围较窄。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供法珀光学MEMS加速度敏感芯片、增敏方法及传感器，能够提高法布里珀罗腔的反射率，提高MEMS加速度传感器的灵敏度。此外，本发明提供的增敏方法具有增敏适用波长范围宽、实现方法简单的优势。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，包括可动镜面、腔体和固定镜面；
其中，所述可动镜面的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔形成第一二维光子晶体结构，所述固定镜面的表面刻蚀有与所述可动镜面相同周期性排列的第二通孔形成第二二维光子晶体结构，所述第一二维光子晶体结构、腔体和第二二维光子晶体结构共同构成法布里珀罗腔。
优选地，所述可动镜面采用弹簧质量结构，可动镜面包括固定框架、支撑弹簧和光子晶体平板质量块，所述光子晶体平板质量块通过支撑弹簧与固定框架连接，所述光子晶体平板质量块的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔。
优选地，所述支撑弹簧采用悬臂梁结构、双端固支梁结构、蟹脚梁结构或者蛇形梁结构。
优选地，所述第一通孔和第二通孔的形状均采用圆形、三角形、正方形或其它多边形。
优选地，所述第一通孔和第二通孔呈周期性排列包括：呈固定周期排列、或呈渐变周期排列、或一部分呈固定周期，另一部分呈渐变周期排列。
优选地，所述固定镜面采用光子晶体平板。
优选地，所述可动镜面和固定镜面通过硅硅键合固定连接。
优选地，所述可动镜面的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第一通孔，所述固定镜面的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第二通孔。
一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片的增敏方法，包括：
将激光光束垂直入射至法布里珀罗腔内部，在法布里珀罗腔内部以传导共振的方式传播，通过调节第一二维光子晶体结构和第二二维光子晶体结构上通孔的排列和规格来控制法布里珀罗腔的反射率，实现敏感芯片的增敏。
一种法珀光学MEMS加速度传感器，包括壳体以及依次连接的激光芯片、本发明所述的敏感芯片、光电探测芯片；
其中，所述敏感芯片、激光芯片和光电探测芯片集成在壳体内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，由可动镜面和固定镜面组合通过键合工艺固定连接形成法布里珀罗腔，区别于常规的法布里珀罗腔通过化学气相沉积技术沉积多层电介质薄膜调节腔体的反射率，本发明通过在可动镜面和固定镜面的表面通过刻蚀技术刻蚀有呈周期性排列的通孔形成一种二维光子晶体平板结构，加速度传感器的加速度测量是通过检测因外界加速度作用导致的干涉光强变化来实现，本发明能够通过对通孔的占空比的设置，包括通孔的周期性和规格、尺寸、形状等设定，提高法布里珀罗腔的反射率，腔体的反射率越高，激光单次在腔体内参与反射的能量越多，透射出腔体的能量越少，进而激光在腔体内发生反射的次数也越多，最终输出法布里珀罗的干涉光强越大，进而增加加速度传感器的灵敏度，并且本发明所述的敏感芯片可适用于更广范围的激光波长，同时代替多次镀膜，简化了法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片的微纳加工流程，能够减小设计误差，从而提升增反效果。
附图说明
图1为本发明法珀光学MEMS加速度敏感芯片的主视剖面结构示意图；
图2是本发明某一实施例的可动镜面俯视图；
图3是本发明某一实施例的固定镜面俯视图。
图中，1、可动镜面；1-1、固定框架；1-2、光子晶体平板质量块；1-3、支撑弹簧；2、固定镜面；2-1、基体；2-2、固定光子晶体平板；3、腔体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片，包括可动镜面1、腔体3和固定镜面2；
其中，所述可动镜面1的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔形成第一二维光子晶体结构，所述固定镜面2的表面刻蚀有与所述可动镜面1相同周期性排列的通孔形成第二二维光子晶体结构，所述第一二维光子晶体结构、腔体3和第二二维光子晶体结构共同构成法布里珀罗腔。
本发明提供一种法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片，由可动镜面1和固定镜面2组合通过键合工艺固定连接形成法布里珀罗腔，区别于常规的法布里珀罗腔通过化学气相沉积技术沉积多层电介质薄膜调节腔体的反射率，本发明通过在可动镜面1和固定镜面2的表面通过刻蚀技术刻蚀有呈周期性排列的通孔形成一种二维光子晶体平板结构，加速度传感器的加速度测量是通过检测因外界加速度作用导致的干涉光强变化来实现，本发明能够通过对通孔的占空比的设置，包括通孔的周期性和规格、尺寸、形状等设定，提高法布里珀罗腔的反射率，腔体的反射率越高，激光单次在腔体内参与反射的能量越多，透射出腔体的能量越少，进而激光在腔体内发生反射的次数也越多，最终输出法布里珀罗的干涉光强越大，进而增加加速度传感器的灵敏度，并且本发明所述的敏感芯片可适用于更广范围的激光波长，同时代替多次镀膜，简化了法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片的微纳加工流程，能够减小设计误差，从而提升增反效果。
进一步地，如图2所示，所述可动镜面1采用弹簧质量结构，可动镜面1包括固定框架1-1、支撑弹簧1-3和光子晶体平板质量块1-2，所述光子晶体平板质量块1-2通过支撑弹簧1-3与固定框架1-1连接，所述光子晶体平板质量块1-2的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔，以形成第一二维光子晶体结构。
优选地，所述支撑弹簧1-3可以根据实施方式采用悬臂梁结构、双端固支梁结构、蟹脚梁结构、蛇形梁结构或者其他形式，不限于此。
进一步地，本发明中，为了满足法布里珀罗腔高反射率和宽波长适用性的要求，可以对第一通孔和第二通孔的形状或者排列周期进行特殊设计，通孔形状可以设计为圆形、三角形、正方形或其它任意多边形，而第一通孔和第二通孔的排列周期可以设定为固定周期，也可以是渐变周期，也可以是一部分为固定周期，另一部分为渐变周期，通过对通孔形状和周期的合理设计，可以使得法布里珀罗腔对一定波长范围的激光保持较高的反射率，进而实现增敏。
其中，如图3所示，所述固定镜面2采用光子晶体平板，其表面按照与所述可动镜面1的光子晶体平板质量块1-2同样的周期刻蚀有第二通孔，以形成第二二维光子晶体结构。
优选地，所述可动镜面1和固定镜面2通过硅硅键合固定连接。
优选地，所述可动镜面1的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第一通孔，所述固定镜面2的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第二通孔。
本发明所述一种法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片，实现增敏的工作原理包括：
将激光光束垂直入射至法布里珀罗腔内部，在法布里珀罗腔内部以传导共振的方式传播，通过调节第一二维光子晶体结构和第二二维光子晶体结构上通孔的排列和规格来控制法布里珀罗腔的反射率，实现敏感芯片的增敏。
具体地，本发明的可动镜面1和固定镜面2组合形成的光子晶体平板法布里珀罗腔与激光的耦合方式区别于常规通过锥光纤或者波导将激光以倏逝波的形式耦合进入光子晶体结构，而是将经过准直的激光光束垂直入射至光子晶体平板法布里珀罗腔，由于光子晶体特殊的周期性结构，激光入射至光子晶体平板后会在其结构内部以传导共振的方式进行传播，进而实现激光与光子晶体法布里珀罗腔的直接耦合，激光在腔体内发生多次反射透射，激光单次在腔体内参与反射的能量多，透射出腔体的能量少，最终输出较大光强的干涉光，进行后续的加速度检测。
本发明中，光子晶体平板质量块1-2和固定光子晶体平板2-2表面的通孔的尺寸一般处于百纳米级别，通常需要利用电子束刻蚀工艺制作其刻蚀掩蔽，然后再通过深反应离子刻蚀技术刻蚀形成通孔。
其中，所述可动镜面1由固定框架1-1、支撑弹簧1-3和光子晶体平板质量块1-2组成的弹簧质量结构尺寸为微米或者毫米级别，而光子晶体平板质量块1-2表面的通孔为百纳米级别，因此在敏感芯片加工时通常需要先将光子晶体平板的掩蔽制作好之后再进行固定框架1-1、支撑弹簧1-3和光子晶体平板质量块1-2刻蚀掩蔽的制作。
其中，固定镜面2的加工过程只涉及到百纳米级别通孔的刻蚀，因此只需进行电子束光刻制作掩蔽，然后再利用反应离子刻蚀工艺刻蚀形成通孔；待可动镜面1和固定镜面2分别加工完成后，将两者通过硅硅直接键合工艺键合于一体，形成本发明所述的基于光子晶体平板的法布里珀罗光学MEMS加速度敏感芯片。
本发明还提供一种法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括壳体以及依次连接的激光芯片、本发明所述的敏感芯片、和光电探测芯片；
其中，所述敏感芯片、激光芯片和光电探测芯片集成在壳体内，所述激光芯片和光电探测芯片按照一定的距离水平布置于所述敏感芯片的固定镜面的空腔下方，激光芯片用于发射激光光束至所述敏感芯片，通过法布里珀罗腔内光的反射与透射后，输出干涉光束至光电探测芯片，光电探测芯片用于根据检测干涉光的光强变化获取光束携带的加速度信息，完成加速度检测。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，其特征在于，包括可动镜面(1)、腔体(3)和固定镜面(2)；
其中，所述可动镜面(1)的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔形成第一二维光子晶体结构，所述固定镜面(2)的表面刻蚀有与所述可动镜面(1)相同周期性排列的第二通孔形成第二二维光子晶体结构，所述第一二维光子晶体结构、腔体(3)和第二二维光子晶体结构共同构成法布里珀罗腔；
所述可动镜面(1)采用弹簧质量结构，可动镜面(1)包括固定框架(1-1)、支撑弹簧(1-3)和光子晶体平板质量块(1-2)，所述光子晶体平板质量块(1-2)通过支撑弹簧(1-3)与固定框架(1-1)连接，所述光子晶体平板质量块(1-2)的表面刻蚀有呈周期性排列的第一通孔；
所述第一通孔和第二通孔呈周期性排列包括：呈固定周期排列、或呈渐变周期排列、或一部分呈固定周期，另一部分呈渐变周期排列；
所述固定镜面(2)采用光子晶体平板；
所述可动镜面(1)的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第一通孔，所述固定镜面(2)的表面采用深反应离子刻蚀工艺刻蚀有第二通孔。
2.根据权利要求1所述的一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，其特征在于，所述支撑弹簧(1-3)采用悬臂梁结构、双端固支梁结构、蟹脚梁结构或者蛇形梁结构。
3.根据权利要求1所述的一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔的形状均采用圆形、三角形、正方形或其它多边形。
4.根据权利要求1所述的一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片，其特征在于，所述可动镜面(1)和固定镜面(2)通过硅硅键合固定连接。
5.一种法珀光学MEMS加速度敏感芯片的增敏方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项的敏感芯片，包括：
将激光光束垂直入射至法布里珀罗腔内部，在法布里珀罗腔内部以传导共振的方式传播，通过调节第一二维光子晶体结构和第二二维光子晶体结构上通孔的排列和规格来控制法布里珀罗腔的反射率，实现敏感芯片的增敏。
6.一种法珀光学MEMS加速度传感器，基于权利要求1-4任一项所述的敏感芯片，其特征在于，包括壳体以及依次连接的激光芯片、敏感芯片、光电探测芯片；
其中，所述敏感芯片、激光芯片和光电探测芯片集成在壳体内。
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