DE102022207770A1 - Micromechanical-optical acceleration sensor - Google Patents

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Robert Weiss
Tamás Dögei
Karoly Varga-Umbrich
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem festen Teil (10) und einem Biegebalken (20), welcher an einem Ende mit dem festen Teil verbunden ist, wobei der Biegebalken an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass wenigstens der Biegebalken einen planaren optischen Wellenleiter (110) zum Nachweis einer Auslenkung (X) aufweist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a fixed part (10) and a bending beam (20), which is connected to the fixed part at one end, the bending beam being deflectable at another end relative to the fixed part when an acceleration occurs . The core of the invention is that at least the bending beam has a planar optical waveguide (110) for detecting a deflection (X).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem festen Teil und einem Biegebalken, welcher an einem Ende mit dem festen Teil verbunden ist, wobei der Biegebalken an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar ist.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a fixed part and a bending beam, which is connected to the fixed part at one end, the bending beam being deflectable at another end relative to the fixed part when an acceleration occurs.

Im Stand der Technik sind Interferometer, wie beispielsweise Michelson-Interferometer zur Messung einer optischen Weglängendifferenz bekannt.Interferometers, such as Michelson interferometers for measuring an optical path length difference, are known in the prior art.

Weiterhin sind in der integrierten Optik Diodenlaser, Spiegel, Photodioden, planare optische Wellenleiter bekannt und Strahlteiler bekannt.Furthermore, diode lasers, mirrors, photodiodes, planar optical waveguides and beam splitters are known in integrated optics.

Aus der Veröffentlichung Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement - Parham P. Khial *, Alexander D. White and Ali Hajimiri - Nature Photonics - 8 October 2018 ist ein optisches Gyroskop basierend auf planaren optischen Wellenleitern bekannt.An optical gyroscope based on planar optical waveguides is known from the publication Nanophotonic optical gyroscope with reciprocal sensitivity enhancement - Parham P. Khial *, Alexander D. White and Ali Hajimiri - Nature Photonics - 8 October 2018.

Aufgabe der ErfindungTask of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten, robusten und messempfindlichen Beschleunigungssensor zu schaffen.The object of the invention is to create a compact, robust and measurement-sensitive acceleration sensor.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einem festen Teil und einem Biegebalken, welcher an einem Ende mit dem festen Teil verbunden ist, wobei der Biegebalken an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass wenigstens der Biegebalken einen planaren optischen Wellenleiter zum Nachweis einer Auslenkung aufweist. Infolge der Auslenkung des Biegebalkens kommt es zu einer optischen Weglängenänderung im Wellenleiter. Vorteilhaft ist hierdurch ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit optischen Messmitteln geschaffen. Ein derartiger Beschleunigungssensor kann sehr genau und frei von elektrischen Störungen arbeiten. Die Integration von Lichtleitern als planare optische Wellenleiter mit der beweglichen MEMS Komponente ermöglicht einen kompakten Aufbau.The invention is based on a micromechanical acceleration sensor with a fixed part and a bending beam, which is connected to the fixed part at one end, the bending beam being deflectable at another end relative to the fixed part when an acceleration occurs. The core of the invention is that at least the bending beam has a planar optical waveguide for detecting a deflection. As a result of the deflection of the bending beam, there is a change in the optical path length in the waveguide. This advantageously creates a micromechanical acceleration sensor with optical measuring means. Such an acceleration sensor can work very precisely and free of electrical interference. The integration of light guides as planar optical waveguides with the movable MEMS component enables a compact structure.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der planare optische Wellenleiter Teil eines Interferometers ist, welches eine Lichtquelle, einen Photodetektor, einen Strahlteiler, einen ersten optischen Pfad und einen zweiten optischen Pfad aufweist, wobei der erste optische Pfad mit dem festen Teil integriert ist und der zweite optische Pfad mit dem Biegebalken integriert ist. Vorteilhaft kann durch den Aufbau als Interferometer eine optische Weglängenänderung im zweiten Pfad im Vergleich zum ersten Pfad gemessen werden.An advantageous embodiment of the invention provides that the planar optical waveguide is part of an interferometer which has a light source, a photodetector, a beam splitter, a first optical path and a second optical path, the first optical path being integrated with the fixed part and the second optical path is integrated with the bending beam. An optical path length change in the second path compared to the first path can advantageously be measured by the structure as an interferometer.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Photodetektor eine Photodiode ist, welche insbesondere mit dem festen Teil integriert ist. Besonders vorteilhaft lässt sich die Photodiode auf einem MEMS Halbleiter integrieren.An advantageous embodiment of the invention provides that the photodetector is a photodiode, which is integrated in particular with the fixed part. The photodiode can be particularly advantageously integrated on a MEMS semiconductor.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Lichtquelle ein Laser ist, welcher insbesondere mit dem festen Teil integriert ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the light source is a laser, which is integrated in particular with the fixed part.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Strahlteiler ein Wellenleiterkoppler oder ein Multimode-Interferenz-Koppler ist, welcher mit dem festen Teil integriert ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the beam splitter is a waveguide coupler or a multimode interference coupler, which is integrated with the fixed part.

Zeichnungdrawing

  • 1 zeigt schematisch in Seitenansicht einen mikromechanischen Beschleunigungssensor im Stand der Technik. 1 shows a schematic side view of a micromechanical acceleration sensor in the prior art.
  • 2 zeigt schematisch in Draufsicht einen Biegebalken mit einem Piezowiderstand zum Nachweis einer Auslenkung im Stand der Technik. 2 shows a schematic top view of a bending beam with a piezoresistor to detect a deflection in the prior art.
  • 3 a zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in Draufsicht. 3 a shows a micromechanical acceleration sensor according to the invention in plan view.
  • 3 b zeigt den erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in Kavalierperspektive. 3 b shows the micromechanical acceleration sensor according to the invention in a cavalier perspective.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt schematisch in Seitenansicht einen mikromechanischen Beschleunigungssensor im Stand der Technik. Der mikromechanische Beschleunigungssensor weist einen festen Teil 10 und einem Biegebalken 20 auf. Der Biegebalken ist an einem Ende mit dem festen Teil verbunden und an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar. Auf einer Oberfläche des Biegebalkens ist ein Piezowiderstand 40 angeordnet, um eine Biegung des Balkens zu messen. Zur Verstärkung der Biegung und damit des Messsignals ist der Biegebalken mit einer zusätzlichen seismischen Masse 30 ausgestattet. Der feste Teil 10 umfasst weiter ein Substrat 1 und eine Basis 2. 1 shows a schematic side view of a micromechanical acceleration sensor in the prior art. The micromechanical acceleration sensor has a fixed part 10 and a bending beam 20. The bending beam is connected to the fixed part at one end and can be deflected at the other end when an acceleration occurs relative to the fixed part. A piezoresistor 40 is arranged on a surface of the bending beam to measure a bending of the beam. To increase the bending and thus the measurement signal, the bending beam is equipped with an additional seismic mass 30. The fixed part 10 further comprises a substrate 1 and a base 2.

2 zeigt schematisch in Draufsicht einen Biegebalken mit einem Piezowiderstand zum Nachweis einer Auslenkung im Stand der Technik. Dargestellt ist der feste Teil 10, der Biegebalken 20 und der Piezowiderstand 40. 2 shows a schematic top view of a bending beam with a piezoresistor to detect a deflection in the prior art. Darge is the fixed part 10, the bending beam 20 and the piezoresistor 40.

3 a zeigt einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in Draufsicht. Dargestellt ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem festen Teil 10 und einem Biegebalken 20, welcher an einem Ende mit dem festen Teil verbunden ist, wobei der Biegebalken an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar ist. Der Biegebalken weist einen planaren optischen Wellenleiter 110 zum Nachweis einer Auslenkung X auf. 3 a shows a micromechanical acceleration sensor according to the invention in plan view. Shown is a micromechanical acceleration sensor with a fixed part 10 and a bending beam 20, which is connected to the fixed part at one end, the bending beam being deflectable at another end relative to the fixed part when an acceleration occurs. The bending beam has a planar optical waveguide 110 for detecting a deflection X.

Der Wellenleiter ist in integrierter Optik ausgeführt. Es handelt sich um einen planaren optischen Wellenleiter in Form einer dielektrischen Schicht, welche zwischen zwei Dielektrika mit geringerem Brechungsindex eingebettet ist. Eine solche Schicht kann in Quarzglas, Lithiumniobat, Halbleitern oder anderen Substraten durch Eindiffusion mit verschiedenen Dotierungsstoffen, durch die der Brechungsindex lokal erhöht wird, geschaffen werden. Die dielektrische Schicht kann auch eine Siliziumschicht, eingebettet zwischen zwei Oxidschichten sein. Auch Polymerfilme auf einem Substrat können als Wellenleiter verwendet werden. Um das Licht zweidimensional zu führen, ist der planare Wellenleiter kanalartig ausgestaltet. Solche Wellenleiter können beispielsweise mit lithographischen Methoden hergestellt werden.The waveguide is designed with integrated optics. It is a planar optical waveguide in the form of a dielectric layer, which is embedded between two dielectrics with a lower refractive index. Such a layer can be created in quartz glass, lithium niobate, semiconductors or other substrates by diffusion with various dopants that locally increase the refractive index. The dielectric layer can also be a silicon layer embedded between two oxide layers. Polymer films on a substrate can also be used as waveguides. In order to guide the light two-dimensionally, the planar waveguide is designed like a channel. Such waveguides can be produced, for example, using lithographic methods.

Der planare optische Wellenleiter 110 ist Teil eines Interferometers, welches eine Lichtquelle 120, einen Photodetektor 130, einen Strahlteiler 140 und zwei Spiegel 150 aufweist. Der Strahlteiler ist beispielsweise als Wellenleiterkoppler oder als Multimode-Interferenz-Koppler (MMI Koppler) ausgeführt. Der Strahlteiler 140 und je einer der Spiegel 150 definieren einen ersten optischen Pfad L1 und einen zweiten optischen Pfad L2. Der erste optische Pfad L1 ist mit dem festen Teil 10 integriert, und der zweite optische Pfad L2 ist mit dem Biegebalken 20 integriert. Die Auslenkung X bewirkt eine optische Weglängenänderung im zweiten optischen Pfad L2.The planar optical waveguide 110 is part of an interferometer which has a light source 120, a photodetector 130, a beam splitter 140 and two mirrors 150. The beam splitter is designed, for example, as a waveguide coupler or as a multimode interference coupler (MMI coupler). The beam splitter 140 and one of the mirrors 150 each define a first optical path L1 and a second optical path L2. The first optical path L1 is integrated with the fixed part 10, and the second optical path L2 is integrated with the bending beam 20. The deflection X causes an optical path length change in the second optical path L2.

3 b zeigt den erfindungsgemäßen mikromechanischen Beschleunigungssensor in Kavalierperspektive. Die Darstellung zeigt, dass der erste optische Pfad L1 ausschließlich mit dem festen Teil 10 integriert angeordnet ist, während der zweite optische Pfad L2 hauptsächlich mit dem Biegebalken 10 integriert angeordnet ist. Hierdurch wird der optische Weglängenunterschied zwischen den Pfaden L1 und L1 infolge einer Auslenkung X des Biegebalkens 10 maximiert. 3 b shows the micromechanical acceleration sensor according to the invention in a cavalier perspective. The illustration shows that the first optical path L1 is arranged integrated exclusively with the fixed part 10, while the second optical path L2 is arranged mainly integrated with the bending beam 10. This maximizes the optical path length difference between the paths L1 and L1 as a result of a deflection X of the bending beam 10.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
SubstratSubstrate
22
BasisBase
1010
fester Teilfixed part
2020
Biegebalkenbending beam
3030
seismische Masseseismic mass
4040
Piezowiderstand Piezoresistor
110110
planarer Wellenleiterplanar waveguide
120120
Lichtquellelight source
130130
PhotodetektorPhotodetector
140140
StrahlteilerBeam splitter
150150
SpiegelMirror
L1L1
erster optischer Pfadfirst optical path
L2L2
zweiter optischer Pfadsecond optical path
XX
Auslenkungdeflection

Claims (5)

Mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einem festen Teil (10) und einem Biegebalken (20), welcher an einem Ende mit dem festen Teil verbunden ist, wobei der Biegebalken an einem anderen Ende bei einer einwirkenden Beschleunigung gegenüber dem festen Teil auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Biegebalken einen planaren optischen Wellenleiter (110) zum Nachweis einer Auslenkung (X) aufweist.Micromechanical acceleration sensor with a fixed part (10) and a bending beam (20), which is connected to the fixed part at one end, the bending beam being deflectable at another end relative to the fixed part when an acceleration occurs, characterized in that at least the bending beam has a planar optical waveguide (110) for detecting a deflection (X). Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der planare optische Wellenleiter (110) Teil eines Interferometers ist, welches eine Lichtquelle (120), einen Photodetektor (130), einen Strahlteiler (140), einen ersten optischen Pfad (L1) und einen zweiten optischen Pfad (L2) aufweist, wobei der erste optische Pfad mit dem festen Teil (10) integriert ist und der zweite optische Pfad mit dem Biegebalken (20) integriert ist.Micromechanical acceleration sensor Claim 1 , characterized in that the planar optical waveguide (110) is part of an interferometer which has a light source (120), a photodetector (130), a beam splitter (140), a first optical path (L1) and a second optical path (L2 ), wherein the first optical path is integrated with the fixed part (10) and the second optical path is integrated with the bending beam (20). Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (130) eine Photodiode ist, welche insbesondere mit dem festen Teil (10) integriert ist.Micromechanical acceleration sensor Claim 2 , characterized in that the photodetector (130) is a photodiode, which is integrated in particular with the fixed part (10). Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (120) ein Laser ist, welcher insbesondere mit dem festen Teil integriert ist.Micromechanical acceleration sensor Claim 2 or 3 , characterized in that the light source (120) is a laser, which is integrated in particular with the fixed part. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüch2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (140) ein Wellenleiterkoppler oder ein Multimode-Interferenz-Koppler ist, welcher mit dem festen Teil (10) integriert ist.Micromechanical acceleration sensor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the beam splitter (140) is a shaft tercoupler or a multimode interference coupler, which is integrated with the fixed part (10).
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