CN1441253A - 全光型硅微谐振式二维加速度传感器 - Google Patents

全光型硅微谐振式二维加速度传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN1441253A
CN1441253A CN 03117656 CN03117656A CN1441253A CN 1441253 A CN1441253 A CN 1441253A CN 03117656 CN03117656 CN 03117656 CN 03117656 A CN03117656 A CN 03117656A CN 1441253 A CN1441253 A CN 1441253A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resonance
full
acceleration sensor
junction
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN 03117656
Other languages
English (en)
Other versions
CN1227534C (zh
Inventor
温志渝
温中泉
陈刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing University filed Critical Chongqing University
Priority to CN 03117656 priority Critical patent/CN1227534C/zh
Publication of CN1441253A publication Critical patent/CN1441253A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1227534C publication Critical patent/CN1227534C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

全光型硅微谐振式二维加速度传感器，采用光拾振与光激励结合，包括敏感结构、质量块和信号获取与处理电路，以单晶硅片为基板一体化三维集成。敏感结构为支撑梁和谐振梁构成的法－珀腔，对称分布在质量块四周，支撑梁由四根悬臂梁、悬臂梁上的PN结和金属反射膜构成，谐振梁由单晶硅梁及其上的金属反射膜构成，信号线由单晶硅梁上的PN结引出。本传感器兼具光纤传感器的诸多优点，其输出信号的是谐振频率，可与数字电路及计算机直接接口，处理电路简化，降低了检测难度，具有很高的抗干扰能力和稳定性，在传输过程中不易产生失真误差，功耗低，还具有灵敏度高，精度高等优点。

Description

全光型硅微谐振式二维加速度传感器
技术领域
本发明属于加速度传感器技术领域，特别涉及一种全光型硅微谐振式二维加速度传感器。
背景技术
现有传统的二维加速度计是将两个一维加速度计混合组合而成，这种二维加速度计存在两个加速度计的性能一致性差、交叉耦合干扰、信号获取处理电路复杂、漂移大、体积大、成本高等问题，为此，世界各发达国家将集成的二维加速度计作为加速度计研究的热点。如美国Analog Devices公司，在1993年已生产出多晶硅表面微加工梳状电容式加速度计ADXL50系列产品(包括一维和二维)，然而由于采用表面微加工技术，器件厚度受到限制，静态电容仅为0.1pF，限制了灵敏度的提高。同时器件与单晶硅衬底之间也存在一定的寄生电容，给加速度计信号检测带来难度，而且器件所采用的多晶硅材料在淀积过程中引入的应力也在一定程度上影响到器件性能。日本丰桥大学设计的压阻式二维(三维)加速度传感器，然而压阻式加速度传感器也具有温度效应严重、工作状态不稳定、灵敏度较低等不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度稳定性好、高灵敏、高分辨率、信号处理简单的全光型硅微谐振式二维加速度传感器。
本发明目的通过以下技术方案加以实现：
全光型硅微谐振式二维加速度传感器，包括敏感结构、质量块和信号获取与处理电路，上述各部分都是以单晶硅片为基板一体化三维集成；所述的敏感结构为支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔，对称分布在质量块四周；支撑梁由四根悬臂梁、悬臂梁上的PN结和金属反射膜构成，谐振梁由单晶硅梁及其上的金属反射膜构成，信号线由单晶硅梁上的PN结引出。
由支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔长度与入射波长相匹配。
信号获取与处理电路由差分频率检测电路、放大电路组成。
全光型硅微谐振式二维加速度传感器的工作原理是，在ax作用下，质量块在x方向产生位移，带动X方向对称的谐振梁拉伸或收缩，谐振梁内应力分别为拉应力和压应力，从而引起X方向对称的谐振梁固有频率变化；在ay作用下，质量块在x方向产生位移，带动Y方向对称的谐振梁拉伸或收缩，谐振梁内应力分别为拉应力和压应力，从而引起Y方向对称的谐振梁固有频率变化。通过检测对应两个膜片的固有频率差来实现加速度的测量。
硅谐振梁的激励方式选择的是光激励：通过光生载流子产生的静电引力将光能转换为谐振梁振动的机械能。
当半导体激光器发出的激光经准直后，照射在谐振梁区，透过谐振梁照射到支撑梁上的PN结，产生光生载流子，在谐振梁与支撑梁上P区之间产生电荷堆积，在静电吸引力的作用下，谐振梁向PN结方向弯曲，谐振梁弯曲同时改变了法-珀腔中入射光束的干涉条件，减少PN结接收到的入射光强，使得静电吸引力减少，谐振梁在自身弹性力的作用下恢复到初始位置。接下来在静电力及自身弹性恢复力的作用下开始第二次振动，形成谐振。振动过程的能量损耗由入射光能补充。
谐振子信号的检测方式采用的是光拾振：通过检测PN结上的电荷充、放电就可以作为谐振子信号输出。本发明采用二极管连续工作方式或电荷存贮方式来实现对信号的检测。
本发明所具有的优点是：采用光拾振与光激励结合构成全光型硅微谐振式传感器，兼具光纤传感器的诸多优点，如：抗电磁干扰、防爆、便于遥测遥控，已成为硅微谐振式传感器的重要发展方向。其输出信号的是谐振频率，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路简化，降低了检测难度；具有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不易产生失真误差，功耗低；还具有灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好等优点。
附图说明
图1为全光型硅微谐振式二维加速度传感器示意图；
图2是图1的I部放大图。
具体实施方式
以下结合附图通过全光型硅微谐振式二维加速度传感器的制作过程来对全光型硅微自谐振式二维加速度传感器的结构做进一步说明：
其制作主要工艺包括两部分：核心是全光型硅微谐振式二维加速度传感器微结构的制造，然后是信号检测电路。具体描述如下：
A、全光型硅微自谐振式二维加速度传感器芯片的制作
(1)预处理0.5～5Ω·cm的n型(100)双面抛光单晶硅片，以此作为基板4；
(2)在PN结对应区域，利用常规集成电路制造技术，制作PN结利用离子注入，形成PN结7；
(3)溅射Au，返刻，形成PN结上的金属反射膜6、P区与谐振梁的连线、PN结引出线；
(4)PECVD淀积Si3N4：
(5)返刻Si3N4形成谐振梁的支撑柱孔；
(6)PECVD淀积单晶硅，形成谐振梁1；
(7)在谐振梁上溅射Au，形成金属反射膜5，完成谐振梁的制作；
(8)背面深槽刻蚀，将硅刻蚀穿，形成支撑梁2和质量块3；
(9)漂去Si3N4，释放谐振梁1，从而完成全光型硅微谐振式二维加速度传感器微结构的制作。
B、用成熟的集成电路工艺完成信号获取与处理电路。

Claims (2)

1、全光型硅微谐振式二维加速度传感器，包括敏感结构、质量块和信号获取与处理电路，其特征在于上述各部分都是以单晶硅片为基板，经微加工成型的整体；所述的敏感结构为支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔，对称分布在质量块四周；支撑梁由四根悬臂梁、悬臂梁上的PN结和金属反射膜构成，谐振梁由单晶硅梁及其上的金属反射膜构成，信号线由单晶硅梁上的PN结引出。
2、根据权利要求1所述的全光型硅微谐振式二维加速度传感器，其特征在于由支撑梁和谐振梁构成的法-珀腔长度与入射波长相匹配。
CN 03117656 2003-04-09 2003-04-09 全光型硅微谐振式二维加速度传感器 Expired - Fee Related CN1227534C (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 03117656 CN1227534C (zh) 2003-04-09 2003-04-09 全光型硅微谐振式二维加速度传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 03117656 CN1227534C (zh) 2003-04-09 2003-04-09 全光型硅微谐振式二维加速度传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1441253A true CN1441253A (zh) 2003-09-10
CN1227534C CN1227534C (zh) 2005-11-16

Family

ID=27770441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 03117656 Expired - Fee Related CN1227534C (zh) 2003-04-09 2003-04-09 全光型硅微谐振式二维加速度传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN1227534C (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100399032C (zh) * 2006-05-29 2008-07-02 东南大学 基于微机械系统的非热式流速流向传感器
CN100458448C (zh) * 2007-05-15 2009-02-04 浙江大学 基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法
CN101776696A (zh) * 2010-02-10 2010-07-14 合肥工业大学 一种三维流速传感器
CN102109534A (zh) * 2010-11-30 2011-06-29 南京理工大学 双轴谐振式硅微加速度计
CN101609101B (zh) * 2009-07-21 2012-07-18 浙江大学 基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计
CN101419243B (zh) * 2008-11-28 2012-11-28 中国地震局工程力学研究所 一种无方向性力平衡加速度传感器
CN104748748A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 财团法人工业技术研究院 具pn界面的微机电装置
CN108663110A (zh) * 2018-04-28 2018-10-16 武汉理工大学 基于双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器及测量方法
CN113109592A (zh) * 2021-04-25 2021-07-13 武汉理工大学 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100399032C (zh) * 2006-05-29 2008-07-02 东南大学 基于微机械系统的非热式流速流向传感器
CN100458448C (zh) * 2007-05-15 2009-02-04 浙江大学 基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法
CN101419243B (zh) * 2008-11-28 2012-11-28 中国地震局工程力学研究所 一种无方向性力平衡加速度传感器
CN101609101B (zh) * 2009-07-21 2012-07-18 浙江大学 基于硅基高速电光调制的波导环形谐振腔的微加速度计
CN101776696A (zh) * 2010-02-10 2010-07-14 合肥工业大学 一种三维流速传感器
CN102109534A (zh) * 2010-11-30 2011-06-29 南京理工大学 双轴谐振式硅微加速度计
CN102109534B (zh) * 2010-11-30 2012-09-05 南京理工大学 双轴谐振式硅微加速度计
CN104748748A (zh) * 2013-12-31 2015-07-01 财团法人工业技术研究院 具pn界面的微机电装置
CN104748748B (zh) * 2013-12-31 2018-03-06 财团法人工业技术研究院 具pn界面的微机电装置
CN108663110A (zh) * 2018-04-28 2018-10-16 武汉理工大学 基于双轴柔性铰链的光纤光栅加速度传感器及测量方法
CN113109592A (zh) * 2021-04-25 2021-07-13 武汉理工大学 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器
CN113109592B (zh) * 2021-04-25 2023-08-22 武汉理工大学 一种悬臂梁式三维fbg加速度传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN1227534C (zh) 2005-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101788569B (zh) 一种光纤加速度传感器探头及加速度传感器系统
CN1227534C (zh) 全光型硅微谐振式二维加速度传感器
CN102608356A (zh) 一种双轴体微机械谐振式加速度计结构及制作方法
CN110531513B (zh) 一种mems换能结构及其应用
CN110133322A (zh) 基于电光效应的单片集成光学加速度计
CN110133321A (zh) 基于相位检测的单片集成光学加速度计
CN114414845B (zh) 一种芯片级集成式法布里珀罗光学mems加速度传感器
Shi et al. High sensitivity MEMS accelerometer using PZT-based four L-shaped beam structure
CN113686326B (zh) 一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法
CN102692705B (zh) 基于moems工艺集成角度传感器的微扫描光栅
CN110531113A (zh) 基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置及其加工方法
CN110160567A (zh) 一种面内集成mems光纤珐珀敏感芯片及其制作方法
CN104406525B (zh) 光栅组微位移传感器及其测量位移的方法
CN107101629B (zh) 一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪
CN104406526B (zh) 脉冲微位移传感器及其测量位移的方法
CN109541259A (zh) 一种高灵敏度的光学式加速度传感器及其制备方法
CN104406524B (zh) 组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法
CN108195366B (zh) 一种基于双层纳米光栅的微纳陀螺仪的加工方法
CN114001814B (zh) 基于f-p干涉的复合式mems矢量水听器
CN104569489B (zh) 光栅组微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
CN104655874A (zh) 一种全光型硅微谐振式二维加速度传感器
CN104614550B (zh) 脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
CN107271326B (zh) 一种基于面内谐振的mems流体密度传感器芯片及其制备方法
CN104614551B (zh) 组合光栅微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
CN102507980A (zh) 一种基于自谐振技术的硅微二维加速度传感器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20051116

Termination date: 20100409