CN103998895A - 集成硅光学机械陀螺仪（omgs） - Google Patents

集成硅光学机械陀螺仪（omgs） Download PDF

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Abstract

一种***具有光学机械陀螺仪装置。光学机械圆盘充当光学环形谐振器和机械圆盘谐振器。驱动激光器生成光学驱动信号。驱动通道充当对于光学驱动信号的波导并且包括关于光学机械圆盘位于第一邻近处的驱动电极。该驱动电极通过渐逝耦合来激发环。驱动光电检测器配置成从驱动通道接收输出光学信号。感测激光器生成光学感测信号。感测通道充当对于光学感测信号的波导并且包括关于光学机械圆盘位于第二邻近处的感测电极。感测光电检测器配置成从所述感测通道接收输出光学信号。

Description

集成硅光学机械陀螺仪(OMGS)
技术领域
本发明的实施例涉及光学机械装置。更特定地，本发明的实施例涉及光学机械陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是测量运动角速率的装置，其对于许多应用是有用的，包括动态车辆控制、手势识别和导航等。基于陀螺仪的***当前在许多领域中使用，包括航空导航、工业机器监视、汽车电子稳定性控制、手持装置，等。
陀螺仪性能的关键度量是灵敏度、带宽和稳定性（或偏差漂移）。最高性能目前可花费多达$1,000,000、频繁地基于光学器件并且展现低至几度/h或更好的漂移。在领域的另一端，消费级陀螺仪目前大约每轴花费$1、基于微机电***（MEMS）技术并且经受大得多的漂移，例如在50-100度/h的范围内。
对于个人导航，具有单一度/h范围内的漂移同时维持灵敏度和带宽来涵盖既慢又快的角旋转的三轴陀螺仪是可取的。这在使用已知的静电MEMS陀螺仪时基本上是不能获得的。 
附图说明
本发明的实施例通过示例而非限制的方式在附图的图中图示，在图中类似的标号指示相似的元件。
图1a是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的顶视图。
图1b是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的侧视图。
图2a是MEMS释放之前硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。
图2b是MEMS释放之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。
图2c是晶圆级封装之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。
图3是用于利用光学机械陀螺仪的技术的一个实施例的流程图。
图4是电子***的一个实施例的框图。
具体实施方式
在下列描述中，阐述许多具体细节。然而，本发明的实施例可在没有这些具体细节的情况下实践。在其他实例中，未详细示出众所周知的电路、结构和技术以便不混淆该描述的理解。
本文描述利用硅光子来实现具有高（例如，导航级）性能和相对低成本的光学机械陀螺仪（OMG）的陀螺仪的实施例。该OMG利用光学机械在相对低成本的硅光子平台中提供光学机械换能惯性传感器（其包括陀螺仪和加速计）。
在各种实施例中，硅光子OMG包括悬在中心点的环形谐振器（ring resonator）。在环中通过来自相邻波导（驱动通道）的渐逝耦合来激发光学谐振。通过以圆盘的机械谐振频率对光调幅，由于光学机械力（辐射压力或光学梯度力）而驱使圆盘振动。典型的机械谐振频率可在100kHz至10MHz的范围内。
一旦圆盘机械地振动，它的作用很像谐振MEMS传感器。振动模式与外部加速（在加速计的情况下）或旋转（或科式加速度，在陀螺仪的情况下）成比例地受到扰动。
图1a是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的顶视图。图1b是集成硅光学机械陀螺仪的一个实施例的侧视图。图1a和1b的部件可在衬底100上制造。在一个实施例中，电阻加热器（未在图中图示）可添加到晶片（die）来维持装置的恒定温度以便有助于使机械和光学性质保持稳定。
驱动激光器115和感测激光器150可以是混合激光器或分立（外部）激光器。这些激光器可以是本领域内已知的任何类型的激光器。在一个实施例中，驱动激光器115和感测激光器150两者都可以光学机械圆盘140的机械谐振频率来调制发出的光。在另一个实施例中，可选的调制器120可用于将来自驱动激光器115的光调制到光学机械圆盘140的机械谐振频率。
驱动激光器115与驱动通道110光学耦合，该驱动通道110可包括波导。光电检测器130也与驱动通道110光学耦合来检测来自驱动激光器115的光。光电检测器130可以是例如集成混合光电二极管，或分立（外部）检测器。
感测激光器150与感测通道155光学耦合，该感测通道155可包括波导。光电检测器175也与感测通道155光学耦合来检测来自感测激光器150的光。光电检测器175可以是例如集成混合光电二极管，或分立（外部）检测器。
在图1a和1b的示例中，使用单独激光器和光电检测器。在备选实施例中，单个激光器和/或光电检测器可结合波导分离器使用来使光学信号分离和组合。在一个实施例中，激光器可使用驱动光电检测器而被反馈环锁定来维持一致的激光发射波长。
在一个实施例中，驱动电极125定位成通过渐逝耦合而在光学机械圆盘140中诱发光学谐振。当来自驱动激光器115的光以光学机械圆盘140的机械谐振频率被调制时，驱动电极125处驱动通道110与光学机械圆盘140之间的换能（transduction）促使光学机械圆盘140谐振。
一旦光学机械圆盘140谐振，它对它安装在上面的衬底的物理运动作出反应。振动模式与外部加速（在加速计的情况下）或旋转（或在陀螺仪的情况下，科式加速度）成比例地受到扰动。振动模式的该改变通过驱动模式节点处光学机械圆盘140与感测电极160之间的渐逝耦合来检测。感测光电检测器175处信号的检测指示外部运动的存在。该外部运动与信号的幅度成比例。在一个实施例中，感测通道155与一个或多个节点（例如，45°、135°、225°、315°）对齐并且驱动通道110与一个或多个腹点（antinode）（例如，0°、90°、180°、270°）对齐。
图2a是MEMS释放之前硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。图2a的示例图示图1a和1b的光学机械陀螺仪架构的横截面视图。驱动激光器215配置成通过调制器220和SiN耦合器225向尚未被释放的光学机械圆盘240提供光学信号。光电检测器230定位成接收光学信号。
图2b是MEMS释放之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。在MEMS释放步骤之后，在光学机械圆盘240下面存在腔260。图2c是晶圆级封装之后硅光子光学机械陀螺仪的一个实施例的横截面。在图2c中图示的晶圆级封装275可使用晶圆接合而贴合来包封并且调整振动圆盘的周围环境以确保高机械品质因数。
图3是用于利用光学机械陀螺仪的技术的一个实施例的流程图。光学信号由激光器生成并且以光学机械圆盘的机械谐振频率来调制，310。如上文描述的，这可通过用调制器调制光来实现或可调谐激光器来以正确的频率生成光。
调制的光通过渐逝耦合而在光学机械圆盘中诱发振动，320。光学机械圆盘然后作为光学环形谐振器和机械圆盘谐振器而操作。例如由包含光学机械圆盘的装置的运动所引起的光学机械圆盘的物理运动导致感测通道光电检测器所接收的光学信号的改变。
感测通道光电检测器感测在感测通道上的光学信号的改变，330。装置的运动从感测的信号改变而确定，340。运动与光电检测器所感测的信号成比例。生成信号或其他指标来指示运动，350。信号可以传送，或指示可以存储，或接口可以修改，或可响应于运动而采取许多其他动作。
图4是电子***的一个实施例的框图。在图4中图示的电子***意在代表一系列电子***（有线或无线），包括例如平板装置、智能电话、台式计算机***、膝上型计算机***、服务器、游戏控制台、游戏控制器等。备选电子***可包括更多、更少和/或不同的部件。
电子***400包括用于传送信息的总线405或其他通信装置和耦合于总线405的处理器410（其可处理信息）。电子***400可包括多个处理器和/或协同处理器。电子***400可进一步包括耦合于总线405的随机存取存储器（RAM）或其他动态存储装置420（称为存储器），并且可存储可由处理器410执行的信息和指令。存储器420还可用于在指令由处理器410执行期间存储暂时变量或其他中间信息。
电子***400还可包括耦合于总线405的只读存储器（ROM）和/或其他静态存储装置430，其可存储对于处理器410的静态信息和指令。数据存储***440可耦合于总线405来存储信息和指令。数据存储***440（例如磁盘或光盘和对应的驱动器）可耦合于电子***400。
电子***400还可经由总线405而耦合于显示装置450，其可以是用于向用户显示信息的任何类型的显示装置，例如触摸屏。输入装置460可以是允许用户向电子***400提供输入的任何类型的接口和/或装置。输入装置可包括硬按钮和/或软按钮、语音或扬声器输入，用于向处理器410传送信息和命令选择。
电子***400可进一步包括传感器470，其可用于支持由电子***400提供的功能性。传感器470可包括例如陀螺仪、接近传感器、光传感器等。可支持许多传感器和传感器类型。在一个实施例中，陀螺仪可以是本文描述的光学机械陀螺仪。
电子***400可进一步包括网络接口480，用于提供对网络（例如局域网）的访问。网络接口480可包括例如具有天线485的无线网络接口，该天线485可代表一个或多个天线。网络接口480还可包括例如有线网络接口，用于经由网络缆线487而与远程装置通信，该网络缆线487可以是例如以太网电缆、同轴电缆、光纤缆、串行缆或并行缆。网络访问也可根据4G/LTE标准来提供。
在一个实施例中，网络接口480可例如通过遵循IEEE 802.11b和/或IEEE 802.11g和/或IEEE 802.11n标准而提供对局域网的访问，并且/或无线网络接口可例如通过遵循蓝牙标准而提供对个人区域网络的访问。还可以支持其他无线网络接口和/或协议，例如4G/LTE。
IEEE 802.11b对应于1999年9月16日批准的题为“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band”的IEEE标准802.11b-1999以及相关文献。IEEE 802.11g对应于2003年6月27日批准的题为“Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 4: Further Higher Rate Extension in the 2.4 GHz Band”的IEEE标准802.11g-2003以及相关文献。蓝牙协议在2001年2月22日由Bluetooth Special Interest Group, Inc.发布的“Specification of the Bluetooth System: Core, Version 1.1”中描述。还可支持关联的以及之前或随后的蓝牙标准的版本。
除经由无线LAN标准的通信外或代替经由无线LAN标准的通信，网络接口480可使用例如时分多址（TDMA）协议、全球移动通信***（GSM）协议、码分多址（CDMA）协议和/或任何其他类型的无线通信协议而提供无线通信。
在说明书中对 “一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中各种地方的出现可并不一定全指相同的实施例。振动模式的改变可使用对感测波导（感测通道）的渐逝耦合来检测，该感测波导设计成处于驱动模式节点处。在感测通道中的光电检测器处的信号检测指示外部运动的存在。
尽管本发明的实施例已经从若干实施例方面描述，本领域内技术人员将认识到本发明不限于描述的实施例，而可以在附上的权利要求的精神和范围内在修改和更改的情况下实践。描述从而要视为说明性而非限制性的。

Claims (22)

1. 一种设备，其包括：
光学机械圆盘，其充当光学环形谐振器和机械圆盘谐振器；
驱动激光器，用于生成光学驱动信号；
驱动通道，用于充当对于所述光学驱动信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第一邻近处的驱动电极，所述驱动电极通过渐逝耦合来激发所述环；
驱动光电检测器，其配置成从所述驱动通道接收输出光学信号；
感测激光器，用于生成光学感测信号；
感测通道，用于充当对于所述光学感测信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第二邻近处的感测电极；
感测光电检测器，其配置成从所述感测通道接收输出光学信号。
2. 如权利要求1所述的设备，其中所述驱动激光器以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述光学机械力包括辐射压力。
4. 如权利要求2所述的设备，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
5. 如权利要求1所述的设备，其进一步包括调制器，用于以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光学驱动信号以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
6. 如权利要求5所述的设备，其中所述光学机械力包括辐射压力。
7. 如权利要求5所述的设备，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
8. 一种平板计算装置，其包括：
触摸屏界面；
光学机械圆盘，其充当光学环形谐振器和机械圆盘谐振器；
驱动激光器，用于生成光学驱动信号；
驱动通道，用于充当对于所述光学驱动信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第一邻近处的驱动电极，所述驱动电极通过渐逝耦合来激发所述环；
驱动光电检测器，其配置成从所述驱动通道接收输出光学信号；
感测激光器，用于生成光学感测信号；
感测通道，用于充当对于所述光学感测信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第二邻近处的感测电极；
感测光电检测器，其配置成从所述感测通道接收输出光学信号；
处理器，其耦合成用于监视所述感测光电检测器和所述驱动光电检测器，并且与所述触摸屏界面耦合。
9. 如权利要求8所述的平板，其中所述驱动激光器以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
10. 如权利要求9所述的平板，其中所述光学机械力包括辐射压力。
11. 如权利要求9所述的平板，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
12. 如权利要求8所述的平板，其进一步包括调制器，用于以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光学驱动信号以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
13. 如权利要求12所述的平板，其中所述光学机械力包括辐射压力。
14. 如权利要求12所述的平板，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
15. 一种***，其包括：
全向天线；
光学机械圆盘，其充当光学环形谐振器和机械圆盘谐振器；
驱动激光器，用于生成光学驱动信号；
驱动通道，用于充当对于所述光学驱动信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第一邻近处的驱动电极，所述驱动电极通过渐逝耦合来激发所述环；
驱动光电检测器，其配置成从所述驱动通道接收输出光学信号；
感测激光器，用于生成光学感测信号；
感测通道，用于充当对于所述光学感测信号的波导并且包括关于所述光学机械圆盘位于第二邻近处的感测电极；
感测光电检测器，其配置成从所述感测通道接收输出光学信号；
处理器，其耦合成用于监视所述感测光电检测器和所述驱动光电检测器，并且与所述触摸屏界面耦合。
16. 如权利要求15所述的***，其进一步包括触摸屏界面。
17. 如权利要求15所述的***，其中所述驱动激光器以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
18. 如权利要求17所述的***，其中所述光学机械力包括辐射压力。
19. 如权利要求17所述的***，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
20. 如权利要求15所述的***，其进一步包括调制器，用于以所述光学机械圆盘的机械谐振频率来调制光学驱动信号以通过光学机械力来驱使所述圆盘振动。
21. 如权利要求20所述的***，其中所述光学机械力包括辐射压力。
22. 如权利要求20所述的***，其中所述光学机械力包括光学梯度力。
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