RU2739829C1 - Optomechanical vibration micro-sensor - Google Patents

Optomechanical vibration micro-sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2739829C1
RU2739829C1 RU2020132713A RU2020132713A RU2739829C1 RU 2739829 C1 RU2739829 C1 RU 2739829C1 RU 2020132713 A RU2020132713 A RU 2020132713A RU 2020132713 A RU2020132713 A RU 2020132713A RU 2739829 C1 RU2739829 C1 RU 2739829C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
interferometer
optical
waveguide
waveguides
sensor
Prior art date
Application number
RU2020132713A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Беспалов
Сергей Владимирович Кузьмин
Константин Эдуардович Певчих
Владимир Васильевич Светиков
Сергей Петрович Тимошенков
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2020132713A priority Critical patent/RU2739829C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739829C1 publication Critical patent/RU2739829C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to micro-optoelectromechanical systems or optical MOEMS systems, more specifically to miniature inertial (vibration) optical sensors using MOEMS systems. Disclosed is an optomechanical vibration micro-sensor which is fully integrated into a silicon substrate with an optical circuit for reading interference type, with a planar structure based on silicon oxynitride waveguides, wherein micro sensor design consists of waveguide Mach-Zehnder interferometer, one of arms of which is located along cantilever perimeter, the other shoulder on substrate. Oscillations of the cantilever cause change in the length of the optical waveguide due to deformation of the layer in which the waveguide is located. Changing the length of one arm of the interferometer results in a change in the phase ratio of waves summed at the output communication element. Communication element in the interferometer at the input and output can be directional couplers (connected waveguides) or multimode communication devices. Difference in intensity of light flux between two waveguides in arms of interferometer is proportional to acceleration in wide range of amplitudes and allows interferometer to detect mechanical displacement.
EFFECT: simplified design, increased reliability, sensitivity and possibility of operation under severe environmental conditions (strong electromagnetic fields and high temperature).
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к микрооптоэлектромеханическим системам или оптическим МЭМС системам, точнее к области миниатюрных инерционных (вибрационных) оптических датчиков с использованием МОЭМС систем.The invention relates to micro-optoelectromechanical systems or optical MEMS systems, more precisely to the field of miniature inertial (vibration) optical sensors using MOEMS systems.

Из предыдущего уровня техники известны инерционные датчики, работа которых основана на использовании изменения емкости параллельно-пластинчатых электродов или пьезорезисторов в кристалле кремния. Однако чувствительность подобных датчиков имеет тенденцию уменьшаться с уменьшением размера датчика. Следовательно, для дальнейшей миниатюризации необходимы иные методы решения для инерционных датчиков.From the prior art, inertial sensors are known, the operation of which is based on the use of a change in capacitance of parallel plate electrodes or piezoresistors in a silicon crystal. However, the sensitivity of such sensors tends to decrease with decreasing sensor size. Therefore, for further miniaturization, other solution methods are needed for inertial sensors.

В качестве решения вышеуказанной проблемы оптические способы очень перспективны. Как правило, оптический сигнал не подвержен влиянию электромагнитных помех и паразитной емкости. Кроме того, интенсивность сигнала оптического устройства не обязательно зависит от размера устройства. Следовательно, возможно изготовление инерционного датчика с использованием оптических сигналов, с размерами, меньшими, чем обычные инерционные датчики. По ряду показателей (чувствительность, помехоустойчивость) наиболее перспективен вариант с инерционным волноводным датчиком, использующим интерференцию света.As a solution to the above problem, optical methods are very promising. Generally, the optical signal is immune to electromagnetic interference and parasitic capacitance. In addition, the signal strength of the optical device does not necessarily depend on the size of the device. Therefore, it is possible to manufacture an inertial sensor using optical signals with dimensions smaller than conventional inertial sensors. In terms of a number of indicators (sensitivity, noise immunity), the most promising option is with an inertial waveguide sensor using light interference.

Известен оптический датчик для измерения параметров наземных колебаний на базе планарной оптической волноводной структуры /1/. Датчик использует оптический интерферометр для фиксации фазового сдвига в оптических сигналах, в ответ на внешние колебания. Данный датчик выдает величину и частоту возмущения вибрации и его направление. Интерферометр включает в себя первую ветвь, имеющую первую длину оптического пути и вторую ветвь, имеющие вторую длину оптического пути. Генератор оптического сигнала подключен к интерферометру, чтобы подать на него оптический сигнал с частотной модуляцией. Пара электродов расположена вдоль одной из ветвей интерферометра. Проводная катушка (катушка индуктивности), намотанная на неподвижный магнитный сердечник, подключена между парой электродов. Катушка индуктивности имеет свободу движения в продольном направлении вдоль стержня и может колебаться в ответ на движение земли, тем самым индуцируя напряжение. Это напряжение подается на пару электродов, что вызывает фазовую модуляцию оптического сигнала, направляемого плечом интерферометра на выходной элемент связи интерферометра. Далее оптические сигналы, выводимые из интерферометра, обрабатываются фотодетектором для определения скорости и ускорения, связанных с движением земли.Known optical sensor for measuring the parameters of ground vibrations based on a planar optical waveguide structure / 1 /. The sensor uses an optical interferometer to capture the phase shift in optical signals in response to external vibrations. This sensor provides the magnitude and frequency of vibration disturbance and its direction. The interferometer includes a first leg having a first optical path length and a second leg having a second optical path length. An optical signal generator is connected to the interferometer to supply it with a frequency modulated optical signal. A pair of electrodes is located along one of the branches of the interferometer. A wire coil (inductor) wound around a stationary magnetic core is connected between a pair of electrodes. The inductor has freedom of movement in the longitudinal direction along the rod and can oscillate in response to the movement of the ground, thereby inducing voltage. This voltage is applied to a pair of electrodes, which causes phase modulation of the optical signal directed by the interferometer arm to the output coupler of the interferometer. Next, the optical signals output from the interferometer are processed by a photodetector to determine the speed and acceleration associated with the movement of the earth.

Данный прибор не является полностью интегральной оптико-механической микроструктурой. В нем сам чувствительный элемент является внешним, что существенно увеличивает габариты устройства. Одной из проблем оптических датчиков подобного типа является сложность получения высокой чувствительности, сложность стыковки с оптическими волокнами.This device is not a fully integrated optical-mechanical microstructure. In it, the sensitive element itself is external, which significantly increases the dimensions of the device. One of the problems of optical sensors of this type is the difficulty of obtaining high sensitivity, the complexity of coupling with optical fibers.

Известен акселерометр на основе МОЭМС, который использует интерферометр Маха - Цендера (ИМЦ) - типа оптический модулятор /2/.Known accelerometer based on MOEMS, which uses a Mach-Zehnder interferometer (IMC) - the type of optical modulator / 2 /.

Этот акселерометр подходит для использования в системе, в которой оптические волокна используются в качестве сигнальных линий, так как не требуется оптоэлектрического преобразования для подключения датчика к оптическим волокнам. Кроме того, комбинация предлагаемого акселерометра и оптической проводки может использоваться в среде, с большим электромагнитным шумом.This accelerometer is suitable for use in a system that uses optical fibers as signal lines, since no optoelectric conversion is required to connect the sensor to the optical fibers. In addition, the combination of the proposed accelerometer and optical wiring can be used in an environment with high electromagnetic noise.

В этом датчике, центральная составная часть одного из плеч в ИМЦ имеет плавающую структуру (кантилевер). Когда сила инерции прикладывается перпендикулярно к датчику, плавающий волноводе ИМЦ отклоняется и расширяется. В результате, выходная интенсивность ИМЦ модулируется. Модуляция интенсивности ИМЦ есть:In this sensor, the central part of one of the arms in the MZI has a floating structure (cantilever). When inertia is applied perpendicularly to the transducer, the floating MZI waveguide deflects and expands. As a result, the output intensity of the MZI is modulated. The MZI intensity modulation is:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I - интенсивность световой волны на выходе, I0 - интенсивность изначальной световой волны, n - показатель преломления волновода, а ΔL представляет собой механически увеличенную длину плавающего волновода под действием силы инерции.where I is the intensity of the light wave at the output, I 0 is the intensity of the initial light wave, n is the refractive index of the waveguide, and ΔL is the mechanically increased length of the floating waveguide under the action of the inertial force.

Однако, поскольку масса плавающего волновода мала, приложенная сила инерции из-за ускорения также мала, так как инерционная сила за счет ускорения пропорциональна массе объекта. Таким образом, необходима дополнительная корректирующая масса, которая ставится на плавающий волновод для усиления его отклонения. Однако плавающий волновод слишком узок, чтобы наложить на него корректирующую массу. Поэтому добавляется консоль для поддержки этой массы. Эта консоль пересекает плавающий волновод в той же плоскости. Когда корректирующая масса перемещается под прикладываемым усилием, плавающий волновод и кантилевер отклоняются одновременно.However, since the mass of the floating waveguide is small, the applied inertial force due to acceleration is also small, since the inertial force due to acceleration is proportional to the mass of the object. Thus, an additional corrective mass is needed, which is placed on the floating waveguide to enhance its deflection. However, the floating waveguide is too narrow to impose a corrective mass on it. Therefore, a console is added to support this mass. This cantilever crosses the floating waveguide in the same plane. When the correction mass moves under the applied force, the floating waveguide and the cantilever deflect simultaneously.

Однако этот акселерометр имеет ряд проблем. Одной из проблем является световые потери на пересечение кантилевера и плавающего волновода. Волноводная потеря при пересечении имеет тенденцию увеличиваться с увеличением ширины кантилевера.However, this accelerometer has a number of problems. One of the problems is the light loss at the intersection of the cantilever and the floating waveguide. The waveguide crossing loss tends to increase as the width of the cantilever increases.

Кроме того, в этом устройстве используются волноводы на структуре кремний на изоляторе (КНИ), поглощение материала в кремнии приводит к саморазогреву и изгибу волновода, что приводит к ошибкам измерения смещения. Кремний обладает большим термооптическим эффектом (dn/dT ~ 2×10-4°С), поэтому волноводы КНИ структуры не являются оптимальными для измерения смещения с высоким разрешением. Как правило, кремниевые волноводы демонстрируют относительно большие световые потери (~5-10 дБ /см). Кремниевые волноводы, изготовленные из материала КНИ дороже по сравнению со стандартным кремнием. Наконец, относительно большой коэффициент преломления кремния (nкремний=3.5 при λ=1550 нм) требует относительно небольших размеров волноводов (ширина w<500 нм) для поддержания одномодового условия (условие корректной работы интерферометра) /3/. Это увеличивает потребность в высокой точности изготовления, что дополнительно увеличивает стоимость.In addition, this device uses waveguides based on a silicon-on-insulator (SOI) structure, absorption of the material in silicon leads to self-heating and bending of the waveguide, which leads to errors in displacement measurements. Silicon has a large thermo-optical effect (dn / dT ~ 2 × 10-4 ° C), therefore SOI waveguides are not optimal for high-resolution displacement measurements. Typically, silicon waveguides exhibit relatively high light losses (~ 5-10 dB / cm). Silicon waveguides made from SOI material are more expensive than standard silicon. Finally, the relatively high refractive index of silicon (n silicon = 3.5 at λ = 1550 nm) requires relatively small sizes of waveguides (width w <500 nm) to maintain a single-mode condition (the condition for the correct operation of the interferometer) / 3 /. This increases the need for high precision manufacturing, which further increases cost.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключаются в реализации вибрационного датчика, отвечающего требованиям по критериям компактности, надежности и низкой стоимости, для удовлетворения требований высокой чувствительности и возможности работы в суровых условиях окружающей среды (сильные электромагнитные поля и высокая температура).The problem to be solved by the claimed invention is to implement a vibration sensor that meets the requirements for compactness, reliability and low cost, to meet the requirements of high sensitivity and the ability to operate in harsh environmental conditions (strong electromagnetic fields and high temperatures).

Поставленная задача решается в первую очередь за счет использования конструкции оптомеханического вибрационного микродатчика, полностью интегрированного в кремниевую подложку с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, отличающейся тем, что конструкция микродатчика состоит из волноводного интерферометра Маха-Цендера, одно из плеч которого расположено по периметру кантилевера (плавающий волновод), другое плечо на подложке.The problem is solved primarily by using the design of an optomechanical vibration microsensor, fully integrated into a silicon substrate with an optical readout circuit of the interference type, with a planar structure based on silicon oxynitride waveguides, characterized in that the microsensor design consists of a Mach-Zehnder waveguide interferometer, one of the arms of which is located along the perimeter of the cantilever (floating waveguide), the other arm is on the substrate.

Колебания кантилевера приводят к изменению длины оптического волновода за счет деформации слоя, в котором расположен волновод. Изменение длины одного из плеч интерферометра приводит к изменению фазового соотношения волн, суммируемых на выходном элементе связи. Разница в интенсивности светового потока между двумя волноводами в плечах интерферометра пропорционально ускорению в широком диапазоне амплитуд, что позволяет микродатчику обнаруживать механическое смещение.Oscillations of the cantilever lead to a change in the length of the optical waveguide due to deformation of the layer in which the waveguide is located. A change in the length of one of the interferometer arms leads to a change in the phase relationship of the waves summed at the output coupling element. The difference in the intensity of the light flux between the two waveguides in the arms of the interferometer is proportional to the acceleration over a wide range of amplitudes, which allows the microsensor to detect mechanical displacement.

Расположение и геометрия «плавающего» волновода в одном из плеч интерферометра Маха-Цендера по периметру кантилевера выбраны из требований к повышению чувствительности, которая может варьироваться в зависимости от длины плеча кантилевера (и соответственно длины волновода), минимизации потерь на изгиб в криволинейных участках волноводов и компактности устройства.The location and geometry of the "floating" waveguide in one of the arms of the Mach-Zehnder interferometer along the perimeter of the cantilever are selected from the requirements for increasing the sensitivity, which can vary depending on the length of the arm of the cantilever (and, accordingly, the length of the waveguide), minimizing bending losses in the curved sections of the waveguides and compactness of the device.

Из литературных источников /4/ известно, что потери при распространении (включая потери на изгиб) около 0,1 дБ/см были получены для контрастности волноводной структуры Δn=1,5-2% (размер кора из оксинитрида 2,5×2,0 мкм2, R=2 мм), что существенно меньше, чем в случае КНИ датчика. Данная геометрия и структура волноводов является базовым ориентиром для проектирования данного микродатчика.From the literature / 4 / it is known that propagation losses (including bending losses) of about 0.1 dB / cm were obtained for the contrast of the waveguide structure Δn = 1.5-2% (the size of the oxynitride core is 2.5 × 2, 0 μm 2 , R = 2 mm), which is significantly less than in the case of a SOI sensor. This geometry and structure of waveguides is the basic reference for the design of this microsensor.

Во-вторых, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, решается за счет выбора материала для изготовления оптической волноводной структуры и инерционной массы. Известно, что чувствительность датчика напрямую связана с уровнем общих потерь оптического сигнала. Потери, такие, как утечка на подложку и потери на поглощение примесями водорода можно сократить с помощью использования термически выращенного оксида кремния толщиной 7-15 мкм в верхнем и нижнем буферных слоях волноводов. В этом случае центральный слоя кора (оксинитрид) наносится непосредственно на нижний буферный слой (термический оксид кремния). Верхний буферный слой (термический оксид кремния) переносится посредством склейки-бондинга с предварительно окисленной кремниевой пластиной. Лишние верхние слои могут быть удалены химически или химико-механической полировкой. Тем самым решаются две задачи - уменьшаются вносимые потери, структура имеет более низкое механическое напряжение, чем в варианте с традиционным использованием толстого плазменного оксида кремния в качестве верхнего буферного слоя волноводной структуры. Применение данного способа изготовления волноводной структуры известно /5/, но является новаторским в контексте применения для «плавающего» волновода.Secondly, the problem to be solved by the claimed invention is solved by choosing a material for manufacturing an optical waveguide structure and an inertial mass. It is known that the sensitivity of the sensor is directly related to the level of total optical signal loss. Losses such as leakage to the substrate and absorption losses by hydrogen impurities can be reduced by using thermally grown silicon oxide with a thickness of 7-15 μm in the upper and lower buffer layers of waveguides. In this case, the central core layer (oxynitride) is applied directly to the lower buffer layer (thermal silicon oxide). The upper buffer layer (thermal silicon oxide) is transferred by bonding to a pre-oxidized silicon wafer. Excess topcoats can be removed by chemical or chemical-mechanical polishing. Thus, two problems are solved - the insertion loss is reduced, the structure has a lower mechanical stress than in the version with the traditional use of thick plasma silicon oxide as the upper buffer layer of the waveguide structure. The use of this method of manufacturing a waveguide structure is known / 5 /, but is innovative in the context of application for a "floating" waveguide.

Более высокая чувствительность датчика может быть достигнута с использованием многомодовых элементов связи на входе и выходе интерферометра Маха-Цендера. Данные элементы связи являются более простыми в изготовлении с технологической точки зрения с менее жесткими требованиями по аспектному соотношению для фотолитографий и травления и обеспечивают лучшую воспроизводимость процессов. По расчетам, многомодовые элементы связи могут иметынирину15 мкм и длину 300 мкм.Higher sensor sensitivity can be achieved by using multimode coupling elements at the input and output of the Mach-Zehnder interferometer. These coupling elements are easier to manufacture from a technological point of view, with less stringent aspect ratio requirements for photolithography and etching, and provide better process reproducibility. According to calculations, multimode coupling elements can be 15 microns long and 300 microns long.

Изобретение поясняется чертежами и рисунками:The invention is illustrated by drawings and drawings:

На Фиг. 1 оптомеханический вибрационный микродатчик с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе SiON волноводов, с элементами связи в виде направленных ответвителей,гдеFIG. 1 optomechanical vibration microsensor with an optical readout circuit of the interference type, with a planar structure based on SiON waveguides, with coupling elements in the form of directional couplers, where

1 - интерферометр Маха - Цендера1 - Mach-Zehnder interferometer

2,3 - элементы связи интерферометра Маха - Цендера2,3 - coupling elements of the Mach-Zehnder interferometer

4 - кантилевер4 - cantilever

5,6 - вход-выходы интерферометра Маха - Цендера5,6 - input-outputs of the Mach-Zehnder interferometer

7 - высвобождаемая область кремниевой подложки7 - the released area of the silicon substrate

8 - канавки травления SiON, SiO2 8 - etching grooves SiON, SiO 2

9 - плечи интерферометра Маха - Цендера9 - arms of the Mach-Zehnder interferometer

На Фиг. 2 оптомеханический вибрационный микродатчик с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, с элементами связи в виде многомодовых модулей, гдеFIG. 2 an optomechanical vibration microsensor with an interference-type optical readout circuit, with a planar structure based on silicon oxynitride waveguides, with coupling elements in the form of multimode modules, where

10,11 - элементы связи интерферометра Маха - Цендера в виде многомодовых модулей.10.11 - communication elements of the Mach-Zehnder interferometer in the form of multimode modules.

Параметры механической конструкции могут быть выбраны исходя из требований по частотной характеристике. Толщина волноводной структуры (15 мкм), выбирается для контроля продольной чувствительности (вдоль оси, параллельной подложке). По расчетам длина плеча кантилевера и масса кантилеверной части волновода (инерционная масса) могут составить соответственно 600 мкм и 2,5 мг, чтобы обеспечить высокочастотную линейность. Известно, чтобы использовать линейную часть реакция смещения, где ускорение и смещение пропорциональны, резонансная частота должна быть выше, чем верхний предел рабочего диапазона. Для достижения линейности 5% в диапазоне 30-450 Гц, она должно быть выше 1,5КГц.Mechanical design parameters can be selected based on frequency response requirements. The thickness of the waveguide structure (15 µm) is selected to control the longitudinal sensitivity (along an axis parallel to the substrate). According to calculations, the length of the cantilever arm and the mass of the cantilever part of the waveguide (inertial mass) can be 600 μm and 2.5 mg, respectively, in order to ensure high-frequency linearity. It is known to use the linear portion of the displacement response, where acceleration and displacement are proportional, the resonant frequency must be higher than the upper limit of the operating range. To achieve 5% linearity in the 30-450 Hz range, it must be higher than 1.5KHz.

Механическая чувствительность датчика определяется требованиями к частотной характеристике: оптическая схема должна быть способна обнаруживать смещения до 10 нм (ожидаемое разрешение: 0,5 м/с). Оптическая конструкция оптимизирована с использованием ВРМ метода, чтобы улучшить чувствительность, а также обеспечить линейность выходного сигнала для диапазона смещение между -0,5 мкм и 0,5 мкм.The mechanical sensitivity of the sensor is determined by the frequency response requirements: the optical circuit must be able to detect displacements up to 10 nm (expected resolution: 0.5 m / s). The optical design is optimized using the BPM method to improve sensitivity as well as provide linearity of the output signal for an offset range between -0.5 μm and 0.5 μm.

Как пример, структура микродатчика была рассчитана и оптимизирована для обеспечения работы в соответствии со следующими требованиями:As an example, the microsensor structure has been designed and optimized to operate in accordance with the following requirements:

линейность по амплитуде 5% (диапазон: 0,5 м/с2 - 400 м/с2),linearity in amplitude 5% (range: 0.5 m / s 2 - 400 m / s 2 ),

диапазон частот - от 30 до 2000 Гц,frequency range - from 30 to 2000 Hz,

диапазон рабочих температур - до 100°С.operating temperature range - up to 100 ° С.

Данная конструкция датчика предусматривает размещение на единой подложке помимо сенсорного элемента модулей передатчика (лазера) и фотоприемника для повышения чувствительности и устранения нежелательных дополнительных помех связи, а также для дальнейшей миниатюризации устройства. Все компоненты могут быть размещены на единой подложке путем гибридной сборки.This design of the sensor provides for placement on a single substrate in addition to the sensor element of the transmitter (laser) and photodetector modules to increase the sensitivity and eliminate unwanted additional communication interference, as well as to further miniaturize the device. All components can be placed on a single substrate by hybrid assembly.

Таким образом, ожидаемый технический результат, а именно, по критериям компактности, надежности, низкой стоимости, высокой чувствительности и способности работы в суровых полевых условиях может быть достигнут при использовании оригинальной конструкции микродатчика, оптимальных материалов и способов для его реализации и возможности интегрального исполнения для создания функционально законченного устройства.Thus, the expected technical result, namely, in terms of compactness, reliability, low cost, high sensitivity and ability to work in harsh field conditions, can be achieved using the original microsensor design, optimal materials and methods for its implementation and the possibility of integral performance for creating functionally complete device.

Полностью интегрированный оптический датчик данной конструкции может применяться для измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации, контроля вращающихся механизмов в жестких электромагнитных условиях.The fully integrated optical sensor of this design can be used to measure small displacements and low frequency vibrations, and control rotating machinery in harsh electromagnetic conditions.

Источники информации.Information sources.

1. Патент США №5497233,1. US patent No. 5497233,

2. "A Study of Mach-Zehnder Interferometer Type Optical Modulator Applicable to an Accelerometer" Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) - прототип,2. "A Study of Mach-Zehnder Interferometer Type Optical Modulator Applicable to an Accelerometer" Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) - prototype,

3. Патент США №9395177,3. US patent No. 9395177,

4. "Low-Loss Fiber-Matched Low-Temperature PECVD Waveguides with Small-Core Dimensions for Optical Communication Systems" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 9, SEPTEMBER 1997,4. "Low-Loss Fiber-Matched Low-Temperature PECVD Waveguides with Small-Core Dimensions for Optical Communication Systems" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 9, SEPTEMBER 1997,

5. "Planar waveguides with less than 0.1 dB/m propagation loss fabricated with wafer bonding" Optics Express, November 2011.5. "Planar waveguides with less than 0.1 dB / m propagation loss fabricated with wafer bonding" Optics Express, November 2011.

Claims (1)

Оптомеханический вибрационный микродатчик, полностью интегрированный в кремниевую подложку с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, отличающийся тем, что содержит волноводный интерферометр Маха-Цендера, одно из плеч которого расположено по периметру кантилевера, другое плечо на подложке, элементами связи в интерферометре Маха-Цендера на входе и выходе являются направленные ответвители или многомодовые устройства связи, а оптическая часть микродатчика представляет собой бондинг-склейку, где в качестве нижнего и верхнего буферного слоя волноводной структуры выступает термический оксид кремния.An optomechanical vibration microsensor, fully integrated into a silicon substrate with an interference-type optical readout circuit, with a planar structure based on silicon oxynitride waveguides, characterized in that it contains a Mach-Zehnder waveguide interferometer, one of the arms of which is located along the perimeter of the cantilever, the other arm on the substrate , the coupling elements in a Mach-Zehnder interferometer at the input and output are directional couplers or multimode coupling devices, and the optical part of the microsensor is bonding bonding, where thermal silicon oxide acts as the lower and upper buffer layers of the waveguide structure.
RU2020132713A 2020-10-05 2020-10-05 Optomechanical vibration micro-sensor RU2739829C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132713A RU2739829C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 Optomechanical vibration micro-sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132713A RU2739829C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 Optomechanical vibration micro-sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739829C1 true RU2739829C1 (en) 2020-12-28

Family

ID=74106477

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132713A RU2739829C1 (en) 2020-10-05 2020-10-05 Optomechanical vibration micro-sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739829C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899042A (en) * 1987-11-17 1990-02-06 The Boeing Company Integrated optic field sensor consisting of an interferometer formed in substrate
JPH04299229A (en) * 1991-03-28 1992-10-22 Yokogawa Electric Corp Silicon vibration type sensor
US5497233A (en) * 1994-07-27 1996-03-05 Litton Systems, Inc. Optical waveguide vibration sensor and method
JP4299229B2 (en) * 2004-12-20 2009-07-22 住友重機械テクノフォート株式会社 Ultra high pressure generator
US20170363412A1 (en) * 2014-12-17 2017-12-21 Pgs Geophysical As Pressure insensitive interferometer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899042A (en) * 1987-11-17 1990-02-06 The Boeing Company Integrated optic field sensor consisting of an interferometer formed in substrate
JPH04299229A (en) * 1991-03-28 1992-10-22 Yokogawa Electric Corp Silicon vibration type sensor
US5497233A (en) * 1994-07-27 1996-03-05 Litton Systems, Inc. Optical waveguide vibration sensor and method
JP4299229B2 (en) * 2004-12-20 2009-07-22 住友重機械テクノフォート株式会社 Ultra high pressure generator
US20170363412A1 (en) * 2014-12-17 2017-12-21 Pgs Geophysical As Pressure insensitive interferometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0098875B1 (en) Quadrature fiber-optic interferometer matrix
US8640542B2 (en) Cantilever beam structural resonant-type integrated optical waveguide accelerometer
US6925213B2 (en) Micromachined fiber optic sensors
US5091983A (en) Optical modulation apparatus and measurement method
US5926591A (en) Optomechanical acceleration sensor
US6539136B1 (en) Fiber-optic pressure sensor, variants and method for producing a resilient membrane
US9759552B2 (en) Evanescent field opto-mechanical displacement sensor
US20170089944A1 (en) Opto-mechanical physical sensor with an improved sensitivity
EP0148853B1 (en) Quadature fiber-optic interferometer matrix
CN113865578B (en) SiN-based integrated optical chip for optical fiber gyroscope based on SiON polarizer
CN114636413A (en) Optical gyroscope integrated chip based on silicon carbide photonic integrated platform on insulating substrate
Benaissa et al. Silicon anti-resonant reflecting optical waveguides for sensor applications
RU2739829C1 (en) Optomechanical vibration micro-sensor
CN114690453A (en) Piezoelectric-elastic optical phase shifter and optical gyroscope SiN integrated chip
EP0216812B1 (en) A measuring device
Jaksic et al. MEMS accelerometer with all-optical readout based on twin-defect photonic crystal waveguide
CN109633204B (en) Low-temperature-drift mixed surface plasmon accelerometer
Gorecki Integrated optics and MEMS in microsensing
US20240192446A1 (en) Photonic device mechanically isolated from a substrate
Jozwik et al. Development and investigation of high resolution resonant pressure sensor with optical interrogation
Gorecki et al. The role of fiber sensing technologies in MEMS/MOEMS
RU2095763C1 (en) Sensitive element for fibre-optical instrument converters of physical quantities
Gorecki Micromachining technology in optoelectronic sensing technologies
Pavlath et al. Applications of all-fiber technology to sensors
Józwik et al. Microsystem based optical measurement systems: case of opto-mechanical sensors