CN114414845A - 一种芯片级集成式法布里珀罗光学mems加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括由下到上依次设置的激光器驱动芯片、Vcsel激光芯片、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片、敏感光电检测芯片和前置放大芯片，所述Vcsel激光芯片的两侧水平对称设置有第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片，所述Vcsel激光芯片、第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片均设置于激光器驱动芯片上。本发明实现了芯片级集成，具有体积小、功耗低、稳定性高、易于三轴集成的优势；此外，该方案同时具备参考和敏感光电检测芯片，使得加速度传感器具有高的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，具体为一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器。
背景技术
微机电系统(MEMS)是借助半导体工艺制造出来的尺寸范围从纳米到毫米级别的微型机械或机电元件，其典型特征为小体积、低功耗、可批量生产。加速度传感器是一种典型MEMS器件，它可以实现对加速度、速度、位置的测量，在机器人、无人机、智能汽车、电子消费品等市场需求的牵引下MEMS加速度传感器已经形成了电容、谐振、压阻、光学等不同类型，高精度、低功耗、大量程等不同特点，军工、工业、消费品等不同用途的完整产品系列。其中，基于光学干涉原理的MEMS加速度传感器结合了光学检测的超高位移分辨率及MEMS技术小体积、低功耗的特点，在即将到来的万物互联时代展现出了巨大的应用前景。
光学MEMS加速度传感器的工作原理大多基于光学干涉，例如迈克尔逊干涉、光栅干涉、法布里珀罗干涉等，相对于压阻式、电容式、谐振式等其他类型的检测方式，光学MEMS加速度传感器具有更高的位移检测分辨率(fm/√Hz级别)，更低的热噪声(得益于光学检测与机械结构设计分离)，更强的抗电磁干扰能力。目前，常见的光学MEMS加速度传感器为光纤干涉型，其具体结构形式为全光纤(在纤芯直接加工可动结构)或光纤加MEMS可动结构。前者由于直接在光纤纤芯加工可动结构，结构设计受限，并且工艺难度大，导致加速度传感器性能较差；后者虽然通过引入MEMS可动结构，极大地提高了传感器性能，但其在实际应用时需要搭建由台式激光器、光纤耦合器、光电检测器等组成的检测系统，整个系统体积庞大、成本高、实用性差，不符合传感器微型化、集成化的发展方向。
中国专利CN202110734577.5公开的光纤法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，该传感器采用波长解调方式，其分辨率受制于检测所用的光谱仪的性能，导致传感器性能较差；而CN200910189829.X公开的技术方案虽然采用强度解调方式，传感器的分辨率不再受制于光谱仪的性能，但其工作时通常需搭建由台式激光器、光纤耦合器、光电检测器等组成的检测系统，导致整个加速度检测系统体积庞大、实用性差。对于集成式法布里珀罗MEMS加速度传感器，中国专利CN202011125893.4公开了一种技术方案，虽然该方案实现了传感器的小体积集成，但其采用波长解调方式，其分辨率较低，同时该方案使用时仍然需要搭建响应激光驱动电路、光电检测电路才能正常工作，导致整体体积较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括由下到上依次设置的激光器驱动芯片、Vcsel激光芯片、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片、敏感光电检测芯片和前置放大芯片，所述Vcsel激光芯片的两侧水平对称设置有第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片，所述Vcsel激光芯片、第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片均设置于激光器驱动芯片上；所述第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片用于检测由法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片反射的激光光束，用作稳定光源和温度控制的参考信号；；所述Vcsel激光芯片用于提供发生法布里珀罗干涉的光源，所述法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片用于感知加速度；所述敏感光电检测芯片用于检测带有加速度调制信息的干涉光强；所述前置放大芯片用于放大敏感光电检测芯片接收的干涉光强。
优选的，所述Vcsel激光芯片为垂直腔面发射激光芯片。
优选的，所述法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片包括弹簧质量结构、支撑腔体和固定结构，所述支撑腔体设置于固定结构和弹簧质量结构之间，所述固定结构和弹簧质量结构之间形成法布里珀罗腔体。
优选的，所述弹簧质量结构的上表面和固定结构的下表面均设有光学增反膜。
优选的，所述光学增反膜为金属单层膜、电介质多层膜或者由二维光子晶体制成的反射膜。
优选的，当光学增反膜为金属单层膜时，采用磁控溅射法和电子束蒸发法制作；当光学增反膜为电介质多层膜时，采用化学气相沉积法制作；当光学增反膜为光子晶体制成的反射膜时，采用干法蚀刻工艺制作。
优选的，所述弹簧质量结构包括固定框架、质量块和弹簧，所述质量块通过弹簧与固定框架连接，所述质量块在Z方向受到外力或加速度作用时会在Z方向发生位移。
优选的，所述Vcsel激光芯片发射的光束分为两部分，一部分经弹簧质量结构反射后由第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片进行检测；另一部分进入法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片发生反射、透射，并输出干涉光束。
优选的，所述激光器驱动芯片和前置放大芯片均采用CMOS工艺加工而成。
优选的，所述激光器驱动芯片和前置放大芯片的表面预留有多个金属电极板，所述激光器驱动芯片上的金属电极板与第一参考光电检测芯片、敏感光电检测芯片或者第二参考光电检测芯片连接；所述前置放大芯片上的金属电极板与敏感光电检测芯片连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器实现了Vcsel激光芯片、光电检测芯片、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片及激光驱动和前置放大芯片的芯片级集成，具有体积小、功耗低、稳定性高、易于三轴集成的优势；同时该方案同时具备参考和敏感光电检测芯片，使得加速度传感器具有高的分辨率。
Vcsel激光芯片发出的光束传至法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片，一部分在弹簧质量结构的下表面发生反射并被第一参考光电检测芯片和第二参考光电检测芯片检测，作为光源稳定或者温度补偿的参考信号；另一部分进入所述法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片的腔体内发生多次反射、透射，并最终输出干涉光束。
进一步的，弹簧质量结构作为法布里珀罗干涉腔的可动镜面，固定结构作为法布里珀罗干涉腔的固定镜面，而弹簧质量结构与所述固定结构之间的距离即为法布里珀罗腔体的腔长。
当质量块受到Z方向加速度作用时，弹簧质量结构发生上下振动，导致法布里珀罗腔体的腔长发生变化，进而使得干涉相位发生变化，通过解调相位的变化量便得出所受加速度大小。
进一步的，光学增反膜可以增加法布里珀罗干涉腔的反射率。金属单层膜制作工艺简单；电介质薄膜反射率可根据需要进行设计；二维光子晶体薄膜反射率可根据要求进行设计，并且其波长适用范围广，工艺简单。
进一步的，化学气相沉积制作电介质多层膜、磁控溅射和电子束蒸发制作金属单层膜、干法刻蚀制作光子晶体反射膜。
附图说明
图1为本发明的一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器的结构示意图；
图2是本发明法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片的剖面图；
图3是本发明弹簧质量结构的示意图。
图中，1、Vcsel激光芯片；2、激光器驱动芯片；3、第一参考光电检测芯片；4、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片；5、前置放大芯片；6、敏感光电检测芯片；7、第二参考光电检测芯片；8、金属电极板；4-1、弹簧质量结构；4-2、支撑腔体；4-3、固定结构；4-1-1、固定框架；4-1-2、质量块；4-1-3、弹簧；101、Vcsel激光芯片发出的光束；301、第一反射光束；701、第二反射光束；601、干涉光束。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开了一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，参照图1，包括由下到上依次设置的激光器驱动芯片2、Vcsel激光芯片1、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4、敏感光电检测芯片6和前置放大芯片5。
Vcsel激光芯片1为垂直腔面发射激光芯片，其激光波长可在670nm、850nm、940nm等规格中任意选用。
Vcsel激光芯片1的两侧水平对称设置有第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7，本实施例中第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7分别通过导电银胶焊接于Vcsel激光芯片1的两侧，第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7分别用于接收Vcsel激光芯片发出的光束101经过法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4反射而产生的第一反射光束301和第二反射光束701。
激光器驱动芯片2用于承载Vcsel激光芯片1、第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7，并产生恒定电流驱动Vcsel激光芯片1发出激光。激光器驱动芯片2利用CMOS工艺加工而成，其上表面加工有金属电极板8，金属电极板8用于连接Vcsel激光芯片1、第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7。
Vcsel激光芯片1的负极位于其下表面，并通过导电银胶与激光器驱动芯片2上表面的金属电极板8粘接。Vcsel激光芯片11的正极位于其上表面，通过金丝球焊机打线与激光器驱动芯片2上表面的金属电极板8焊接。
参照图2，法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4基于法布里珀罗干涉敏感原理，其为三层结构，包括弹簧质量结构4-1、支撑腔体4-2和固定结构4-3，支撑腔体4-2设置于固定结构4-3和弹簧质量结构4-1之间，固定结构4-3和弹簧质量结构4-1之间形成法布里珀罗腔体，弹簧质量结构4-1、支撑腔体4-2和固定结构4-3各部分之间可以根据具体适用场合采用键合、粘接等方式集成。
弹簧质量结构4-1作为法布里珀罗干涉腔的可动镜面，固定结构4-3作为法布里珀罗干涉腔的固定镜面，支撑腔体4-2位于弹簧质量结构4-1与固定结构4-3之间，承上启下形成法布里珀罗腔的腔体。
法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4可根据具体适用场合采用硅、石英以及金属等材料制成。
支撑腔体4-2可根据具体适用场合采用硅、玻璃或者其他材料加工而成。支撑腔体4-2的厚度根据光源干涉长度、激光器线宽、加速度传感器目标灵敏度等指标综合确定。
参照图3，弹簧质量结构4-1包括固定框架4-1-1、质量块4-1-2和弹簧4-1-3，质量块4-1-2通过弹簧4-1-3与固定框架4-1-1连接，质量块4-1-2在Z方向受到外力或加速度作用时会在Z方向发生位移。质量块4-1-2的几何结构可根据具体适用场合在圆形、三角形、矩形、正方形、多边形等几何结构中任意选取，弹簧4-1-3的几何型式可根据具体适用场合在直梁、U型梁、蛇型梁、蟹脚梁以及其他特殊型式中任意选用。
弹簧质量结构4-1的上表面和固定结构4-3的下表面均设有光学增反膜，光学增反膜为金属单层膜、电介质多层膜或者由二维光子晶体制成的反射膜。
当光学增反膜为金属单层膜时，采用磁控溅射法和电子束蒸发法制作；当光学增反膜为电介质多层膜时，采用化学气相沉积法制作；当光学增反膜为光子晶体制成的反射膜时，采用干法蚀刻工艺制作。
前置放大芯片5用于对敏感光电检测芯片6接收的微瓦量级的干涉光强信号进行放大，前置放大芯片5均采用CMOS工艺加工而成，且表面预留有多个金属电极板8，前置放大芯片5上的金属电极板8与敏感光电检测芯片6连接。
本发明一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器的实施原理为：Vcsel激光芯片1为发生法布里珀罗干涉提供光源，法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4为加速度感知部件，敏感光电检测芯片6为检测带有加速度调制信息的干涉光强部件，第一参考光电检测芯片3和第二参考光电检测芯片7为稳定光源以及温度控制提供参考信号。
法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4基于法布里珀罗干涉敏感原理制成，当Vcsel激光芯片1发出的单频激光进入法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片4之后会在其腔体内发生多次反射、透射，最终输出干涉光束601，并进入敏感光电检测芯片6进行检测。
当受到Z向加速度作用时，其质量块4-1-2会发生上下振动，导致法布里珀罗腔体的腔长发生变化，进而使得干涉光束601的相位发生变化，通过解调干涉光束601的相位的变化量便可得出所受加速度大小。
Claims (10)
1.一种芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，包括由下到上设置的激光器驱动芯片(2)、Vcsel激光芯片(1)、法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片(4)、敏感光电检测芯片(6)和前置放大芯片(5)，所述Vcsel激光芯片(1)的两侧水平对称设置有第一参考光电检测芯片(3)和第二参考光电检测芯片(7)，所述Vcsel激光芯片(1)、第一参考光电检测芯片(3)和第二参考光电检测芯片(7)均设置于激光器驱动芯片(2)上，所述第一参考光电检测芯片(3)和第二参考光电检测芯片(7)用于检测由法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片(4)反射的激光光束，用作稳定光源和温度控制的参考信号；所述Vcsel激光芯片(1)用于提供发生法布里珀罗干涉的光源，所述法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片(4)用于感知加速度；所述敏感光电检测芯片(6)用于检测带有加速度调制信息的干涉光强；所述前置放大芯片(5)用于放大敏感光电检测芯片(6)接收的干涉光强。
2.根据权利要求1所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述Vcsel激光芯片(1)为垂直腔面发射激光芯片。
3.根据权利要求1所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片(4)包括弹簧质量结构(4-1)、支撑腔体(4-2)和固定结构(4-3)，所述支撑腔体(4-2)设置于固定结构(4-3)和弹簧质量结构(4-1)之间，所述固定结构(4-3)和弹簧质量结构(4-1)之间形成法布里珀罗腔体。
4.根据权利要求3所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述弹簧质量结构(4-1)的上表面和固定结构(4-3)的下表面均设有光学增反膜。
5.根据权利要求4所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述光学增反膜为金属单层膜、电介质多层膜或者由二维光子晶体制成的反射膜。
6.根据权利要求5所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，当光学增反膜为金属单层膜时，采用磁控溅射法和电子束蒸发法制作；当光学增反膜为电介质多层膜时，采用化学气相沉积法制作；当光学增反膜为光子晶体制成的反射膜时，采用干法蚀刻工艺制作。
7.根据权利要求3所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述弹簧质量结构(4-1)包括固定框架(4-1-1)、质量块(4-1-2)和弹簧(4-1-3)，所述质量块(4-1-2)通过弹簧(4-1-3)与固定框架(4-1-1)连接，所述质量块(4-1-2)在Z方向受到外力或加速度作用时会在Z方向发生位移。
8.根据权利要求3所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述Vcsel激光芯片(1)发射的光束分为两部分，一部分经弹簧质量结构(4-1)反射后由第一参考光电检测芯片(3)和第二参考光电检测芯片(7)进行检测；另一部分进入法布里珀罗MEMS加速度敏感芯片(4)发生反射、透射，并输出干涉光束(601)。
9.根据权利要求1所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述激光器驱动芯片(2)和前置放大芯片(5)均采用CMOS工艺加工而成。
10.根据权利要求1所述的芯片级集成式法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于，所述激光器驱动芯片(2)和前置放大芯片(5)的表面预留有多个金属电极板(8)，所述激光器驱动芯片(2)上的金属电极板(8)与第一参考光电检测芯片(3)、敏感光电检测芯片(6)或者第二参考光电检测芯片(7)连接；所述前置放大芯片(5)上的金属电极板(8)与敏感光电检测芯片(6)连接。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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