CN114839397A - 基于微环谐振腔的moems三轴加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，涉及微光机电系统(MOEMS)中的惯性器件领域。该传感器包括含有空腔(20)的基底(10)，空腔(20)上表面为一层薄膜(30)；薄膜(30)下方附着有一个质量块(40)；顶层刻蚀有相互耦合的两组直波导(60)和四个微环谐振腔(50)，其中四个微环谐振腔(50)均位于空腔(20)上方的薄膜(30)上；直波导(60)则位于基底(10)上，每个直波导(60)具有一个入射端和两个出射端，每一个微环谐振腔(50)分别与一个出射端相耦合。该加速度计通过检测各个微环谐振腔谐振峰的改变来测量三个不同方向的加速度分量。

Description

基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及了一种MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，属于微光机电系统(MOEMS)中的惯性器件领域。
背景技术
微机械加速度传感器的种类很多，发展也很快，在航天航空、振动传感、汽车工业等方面有着广泛应用。传统微机电加速度传感器的工作原理主要有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、微机械热对流式和微机械谐振式等，其中所设置的敏感单元大多使用集成电容或是压敏电阻等。加速度计的灵敏度和性能受到这些敏感元件的限制，不容易提高。
随着微光机电系统的发展，许多领域如航空航天器的自动驾驶系统对加速度计的精度提出了更高要求。微环谐振器是一种微腔结构，具有高品质因数、结构紧凑、抗干扰性强等优点。引入这种高精度、高敏感度的敏感单元，可以由此设计出高集成度、高性能且低功耗的加速度计。
现有基于微环谐振腔的加速度计多为悬臂梁结构，而这种结构的加速度计往往为单轴，只能测量Z轴的加速度。
发明内容
本公开提供一种基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，该三轴加速度传感器具有较高灵敏度和精度，解决集成电容和压敏电阻的低灵敏度和低分辨率问题以及悬臂梁加速度计测量轴数的限制。
本公开的至少一个实施例提供一种加速度传感器，包括含有空腔的基底以及相互耦合的两组直波导和四个微环谐振腔，空腔上方为一层薄膜，薄膜下方附着有质量块，四个微环谐振腔均位于空腔上方的薄膜上，且围绕薄膜的中心呈圆周阵列，相邻微环谐振腔间距为90°，直波导位于所述基底上，每个直波导具有一个入射端和两个出射端，每一个微环谐振腔分别与一个出射端相耦合。
在直波导中传输的光以倏逝场的形式耦合进微环谐振腔，若光满足微环谐振腔的谐振条件，则会发生谐振，此时出射端特定频率的光强度减弱。当系统受外力而存在加速度时，质量块受到惯性力作用而引起薄膜的应变，导致微环谐振腔产生形变，由此会改变微环谐振腔的折射率，进而使其谐振峰发生偏移。
本发明的特别之处在于它使用了四个微环谐振腔以及质量块的结构，通过质量块受到的惯性作用使薄膜产生应变，再测量X轴及Y轴正负方向上薄膜应变导致的谐振峰偏移；由此，获得四个三元方程，可以解出三轴方向上的加速度分量。由于微环谐振腔谐振峰偏移对于薄膜的应变十分敏感，因此可以制作成高灵敏度、高分辨率的加速度计。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本公开一实施例提供的基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器示意图。
图2为本公开一实施例提供的基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器顶部结构示意图。
图3为图2所示的速度传感器中截面1处的剖视图。
图4为本公开一实施例提供的基底及刻蚀的空腔示意图。
图5为本公开一实施例提供的基底的空腔沉积牺牲层后示意图。
图6为本公开一实施例提供的牺牲层中刻蚀凹槽后示意图。
图7为本公开一实施例提供的牺牲层凹槽中沉积材料形成质量块后示意图。
图8为本公开一实施例提供的基底上表面沉积一层薄膜后示意图。
图9为本公开一实施例提供的去除牺牲层后示意图。
图10为本公开一实施例提供的在薄膜上表面沉积光波导材料后示意图。
图11为本公开一实施例提供的将光波导材料刻蚀成相互耦合的两组直波导和四个微环谐振腔后的示意图。
附图标记说明：
10-基底，20-空腔，21-牺牲层，30-薄膜，31-释放孔，40-质量块，41-凹槽，50-微环谐振腔，51-波导系统材料，60-直波导，61-入射端，62-出射端。
具体实施方式
图1、图2、图3示出了一种基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器，其包括SOI基底10、在SOI顶层硅上刻蚀的空腔20、覆盖在空腔20上方的硅薄膜30、薄膜30下方附着的质量块40、顶层硅上刻蚀的相互耦合的直波导60和微环谐振腔50。
光波导系统结构参见图2，四个微环谐振腔50均位于空腔上方的硅薄膜30上，以薄膜30的圆心为中心呈圆周阵列，间距为90°。直波导60则位于基底10上，每个直波导10具有一个入射端61和两个出射端62，每一个微环谐振腔50分别与一个出射端62相耦合。
惯性单元结构参见图3，质量块40附着于薄膜30下方，薄膜与质量块的截面均为圆形。
传感器在检测加速度的过程中，激光器产生光束打在直波导的入射端上，在直波导和微环谐振腔的耦合区域以倏逝场的形式耦合进微环谐振腔。
其中，微环谐振腔的谐振条件为：2πRneff＝mλ；其中R为微环谐振腔50的半径；neff为微环谐振腔50材料的有效折射率；m为谐振级数，取正整数；λ为对应谐振级数下的波长。符合谐振条件的光在微环中发生谐振，使得直波导输出的光强减小，此时直波导出射端就会形成对应的谐振谱线。当系统存在加速度时，质量块受到惯性力作用使薄膜发生应变，进而使微环谐振腔产生形变，导致波导材料的有效折射率neff发生变化，使微环谐振腔的输出谱线发生漂移。
因此，当传感器受到水平方向的加速度时，受惯性力作用，薄膜靠近加速度方向的部分将会被拉伸，而背朝加速度方向的部分会被压缩，此时对于同一轴线方向的两个微环谐振腔，其谐振频率的偏移方向将会相反；当传感器受到垂直方向的加速度时，受惯性力作用，薄膜所有位置均会被拉伸或压缩，此时所有的微环谐振腔均具有相同的谐振峰偏移。通过测量四个谐振腔的谐振峰偏移情况，可获得四个三元方程，由此可解出三轴方向上的加速度分量。
衬底10为硅衬底或SOI衬底。
牺牲层21材料为SiO2、SiN、PSG、BPSG或多晶Si中任一种。
用于刻蚀牺牲层21材料的腐蚀性气体可以为VHF或XeF2。
释放孔31位于薄膜上且与光波导系统50、60和质量块40不相交。
质量块40材料为Cu、Fe，或其他高密度的金属材料。
薄膜30材料为Si或金属等具有一定刚度的材料。
光波导材料51为SiO2或SiN等波导材料。
上述加速度传感器制备方法如下：
如图4所示，在基底10上刻蚀一个空腔20；
如图5所示，在空腔20中沉积牺牲层21，使其与基底10上表面齐平；
如图6所示，在所述牺牲层21中刻蚀一个较小的凹槽41；
如图7所示，在凹槽41中沉积材料形成质量块40，使其与基底10上表面齐平；
如图8所示，在基底10上表面沉积一层薄膜30；
如图9所示，在薄膜30上刻蚀释放孔31，通入腐蚀性气体去除空腔20中的牺牲层21；
如图10、图11所示，在薄膜30上表面沉积光波导材料51并刻蚀光波导系统50、60。

Claims (4)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括含有空腔的基底以及相互耦合的直波导和微环谐振腔，所述空腔上方为一层薄膜，所述薄膜下方附着有质量块，四个所述微环谐振腔位于所述空腔上方的所述薄膜上，且围绕所述薄膜的中心呈圆周阵列，相邻所述微环谐振腔间距为90°，两组所述直波导位于所述基底上，每组所述直波导具有一个入射端和两个出射端，每一个所述微环谐振腔分别与一个所述出射端相耦合。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述薄膜和/或所述质量块的横截面为圆形。
3.一种加速度传感器制备方法，其特征在于，包括：
在基底上刻蚀一个空腔；
在所述空腔中沉积牺牲层，使其与所述基底上表面齐平；
在所述牺牲层中刻蚀凹槽；
在所述凹槽中沉积材料形成质量块，使其与所述基底上表面齐平；
在所述基底上表面沉积一层薄膜；
在所述薄膜上刻蚀一个释放孔，通入腐蚀性气体，去除所述空腔中的所述牺牲层；
在所述薄膜上表面沉积光波导材料，将光波导材料刻蚀成相互耦合的直波导和微环谐振腔，四个所述微环谐振腔位于所述空腔上方的所述薄膜上，且围绕所述薄膜的中心呈圆周阵列，相邻所述微环谐振腔间距为90°，两组所述直波导位于所述基底上，每组所述直波导具有一个入射端和两个出射端，每一个所述微环谐振腔分别与一个所述出射端相耦合。
4.根据权利要求3所述的加速度传感器制备方法，其特征在于，所述薄膜和/或所述质量块的横截面为圆形。
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