CN104502630A - 单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法，包括：在第一基底上形成两个敏感方向相互正交的、对水平加速度敏感的单轴加速度敏感单元，单轴加速度敏感单元包括微反光镜、弹性梁以及光高反射膜，在第二基底表面形成微反光镜扭转空间；将第一基底与第二基底键合；对双轴加速度敏感芯片和光纤准直器进行光学耦合封装。本发明将两个敏感方向正交的单轴加速度敏感芯片集成在同一衬底上，且光信号的传输在双轴加速度敏感芯片一侧，大大简化了基于MEMS技术的单芯片双轴加速度传感器的封装。

Description

单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法。

背景技术

加速度传感器可以测量运动物体加速度，在惯性测量、惯性导航、振动测量等应用中具有广泛的需求。相对于压阻、压电、电容原理的传统加速度传感器，光纤加速度传感器以其技术特点成为一类重要的加速度传感器，正在受到越来越多的重视，在国民经济、国防中获得了广泛应用。在一些重要、特殊应用领域，例如航空航天的制导***、石油勘探的地震检波***、舰船的振动监测、桥梁建筑结构检测***、交通情况监测***等，急需具有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用的高性能光纤加速度传感器。

光纤加速度传感器按光学敏感原理主要可以分为光强调制型、相位调制型和波长调制型，业已开展了广泛、深入的研究，其中MEMS光纤加速度传感器引起了人们广泛的关注。MEMS光纤加速度传感器采用MEMS敏感结构和光纤检测技术，融合了MEMS微制造技术和光纤传感技术的特点，具有体积小、灵敏度高、批量制造等技术优势。

加速度是一个矢量信号，加速度传感器通常具有方向性敏感响应，据此MEMS光纤加速度传感器可以划分为单轴、双轴和三轴MEMS光纤加速度传感器。在诸如矢量水听器，惯性导航和姿态控制等实际应用中，通常需要完整的加速度信息，研制基于MEMS技术的三轴光纤加速度传感器具有重要意义。

通过封装和集成技术，基于MEMS技术的三轴加速度传感器可通过三种方式实现:(1)三个单轴加速度敏感单元直接封装成三轴加速度传感器。这种实现方式增加了三轴加速度传感器的体积和封装成本，而且在封装过程中由于各单轴传感器的正交失配，三轴加速度传感器的交差灵敏度是不可避免的，从而导致传感器的性能退化。(2)由单一质量块和若干弹性梁构成多自由度的加速度传感器，加速度传感器前三个振动模分别传感加速度的三个分量。然而，设计和制造这种单芯片的三轴加速度传感器是复杂的，而且在不同敏感方向具有相同的性能是充满挑战的。(3)三个单轴加速度传感器单元通过MEMS技术制造在单一的衬底上形成单芯片的三轴加速度传感器。与上述的MEMS三轴加速度传感器相比，这类加速度传感器有很多优点：其中包括适中的体积，小的交叉灵敏度，而且易实现在不同敏感方向具有相同性能。但是，目前已实现的基于MEMS技术的单芯片三轴加速度传感器是直接将加速度信号转换成电信号，而不是利用光纤检测技术转换成光信号。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法，易于和我们已经实现的基于MEMS技术的垂直轴光纤加速度传感器集成，实现基于MEMS技术的单芯片三轴加速度传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器至少包括：

第一基底，用于形成具有两个单轴加速度敏感单元的双轴加速度敏感芯片；所述单轴加速度敏感单元包含微反光镜、弹性梁以及光高反射膜，所述微反光镜由所述弹性梁支撑，所述弹性梁的两端分别与所述微反光镜和支撑框连接，所述光高反射膜附着在所述微反光镜上；

第二基底，形成微反光镜扭转空间，作为晶圆级封装；

以及光纤准直器，与所述双轴加速度敏感芯片通过同一封装管壳封装。

优选地，所述双轴加速度敏感芯片的对加速度的敏感方向与所述的双轴加速度敏感芯片平面平行。

优选地，所述的双轴加速度敏感芯片将水平方向的加速度转化为所述微反光镜的扭转角。

优选地，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器包括两个光纤准直器，位于所述双轴加速度敏感芯片的同一侧。

优选地，所述两个单轴加速度敏感单元的敏感方向正交。

优选地，所述微反光镜的重心在所述弹性梁轴线正下方。

优选地，利用所述光纤准直器对入射光耦合特性和所述双轴加速度敏感芯片实现单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

优选地，利用所述光纤准直器对入射光耦合特性和所述的单轴加速度敏感单元实现单轴光纤加速度传感器。

优选地，所述的光纤准直器包括单光纤准直器或双光纤准直器。

优选地，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器还包括：形成在所述第一基底或所述第二基底的微机电器件。

更优选地，所述微机电器件包括加速度传感器、磁传感器、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、温度传感器、声传感器中的一种或多种。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法至少包括以下步骤：

提供第一基底，在所述第一基底表面深刻蚀，形成第一微反光镜扭转空间；

提供第二基底，在所述第二基底表面形成第二微反光镜扭转空间；

将所述第一基底与第二基底键合，形成键合片；

在所述第一基底表面形成光高反射膜；

在所述第一基底上形成两个加速度敏感方向相互正交的单轴加速度敏感单元；

对所述键合片划片，形成双轴加速度敏感芯片；通过封装管壳将所述双轴加速度敏感芯片和光纤准直器进行光学耦合封装，形成单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

优选地，所述光高反射附着在所述双轴加速度敏感单元上。

优选地，采用基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术来进行各步骤。

优选地，还包括步骤：在所述第一基底和所述第二基底上形成微机电器件。

如上所述，本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法将两个敏感方向正交的单轴加速度敏感芯片集成在同一衬底上，且光信号的传输在双轴加速度敏感芯片一侧，大大简化了基于MEMS技术的单芯片双轴加速度传感器的封装。

附图说明

图1a～图1f显示为本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法流程示意图。

图2显示为本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的俯视图。

图3显示为本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的工作原理示意图。

元件标号说明

11           光纤准直器

111          光纤

112          聚焦透镜

21           第一基底

211          器件层

212          埋氧层

213          衬底硅层

22           单轴加速度敏感单元

221          弹性梁

222          微反光镜

223          光高反射膜

224          支撑框

23           第一微反光镜扭转空间

31           第二基底

32           第二微反光镜扭转空间

41           BCB胶

51           双轴加速度敏感芯片

61           封装管壳

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1a～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1a～图1f所示，本发明提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法至少包括以下步骤：

步骤一：提供第一基底21，在所述第一基底21表面进行深刻蚀，形成第一微反光镜扭转空间23。

具体地，如图1a所示，在本实施例中，采用商用SOI硅片作为第一基底21，所述第一基底21包括器件层211，其厚度设定为30μm；埋氧层212，其厚度设定为2μm；衬底硅层213，其厚度设定为380μm；所述埋氧层212位于所述器件层211及所述衬底硅层213之间。在所述衬底硅层213上涂厚光刻胶，光刻显影之后刻蚀所述衬底硅层213直至露出所述埋氧层212，在本实施例中，采用深反应离子刻蚀(DRIE)对所述衬底硅层213进行刻蚀。利用浓硫酸去除光刻胶，再利用BOE溶液中去除外露的所述埋氧层212，形成第一微反光镜扭转空间23。

步骤二：提供第二基底31，在所述第二基底31表面形成第二微反光镜扭转空间32。

具体地，如图1b所示，在本实施例中，采用商用双抛硅片作为第二基底31，通过热氧化在所述第二基底31的表面生长厚度为的SiO₂，光刻并用BOE溶液图形化所述第二基底31上生长的SiO₂，采用浓硫酸去除光刻胶，放入40℃、浓度为40％的KOH溶液中腐蚀，形成所述第二微反光镜的扭转的空间32，其深度约为60μm。

步骤三：将所述第一基底21与第二基底31键合，形成键合片。

具体地，如图1c所示，在本实施例中，用旋转涂胶机在所述第二基底31形成所述第二微反光镜的扭转的空间32的表面涂BCB胶41，其厚度设定为9μm，将涂有BCB胶41的第二基底31与所述第一基底21形成所述第一微反光镜的扭转的空间31的表面预对准并键合。

步骤四：在所述第一基底21表面形成光高反射膜223。

具体地，如图1d所示，在本实施例中，在第一基底21的表面上通过磁控溅射沉积金属薄膜TiW/Au，其厚度设定为光刻显影，分别用Au腐蚀液和TiW腐蚀液图形化金属薄膜得到所述光高反射膜223。

步骤五：在所述第一基底21上形成两个加速度敏感方向相互正交的单轴加速度敏感单元22。

具体地，如图1e所示，在本实施例中，在所述第一基底21上涂光刻胶，相对于所述光高反射膜223的位置曝光显影，通过深反应离子刻蚀(DRIE)，形成两个敏感方向相互正交的单轴加速度敏感单元22。

步骤六：对所述键合片划片，形成双轴加速度敏感芯片；通过封装管壳将所述双轴加速度敏感芯片和光纤准直器进行光学耦合封装，形成单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

具体地，在本实施例中，用划片机将结构释放的键合片划片，形成如图1e所示的双轴加速度敏感芯片51。如图1f所示，用环氧树脂将所述双轴加速度敏感芯片51焊接在封装管壳61的基座上，用光学调节架依次将光纤准直器11和所述双轴角速度敏感芯片51封装在一起。

在步骤五之后，还可在所述第一基底21或第二基底31上形成微机电器件。所述微机电器件加速度计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、温度传感器、及声传感器等。

可采用基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术来制备本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，在此不再予以详述。

如图1a至1f所示，上述制备方法形成的基于MEMS的技术单芯片双轴水平光纤加速度传感器至少包括：

第一基底21，用于形成具有两个单轴加速度敏感单元22的双轴加速度敏感芯片51，如图2所示为本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的俯视图，两个单轴加速度敏感单元22的敏感方向正交；所述单轴加速度敏感单元22包括微反光镜222、弹性梁221以及光高反射膜223，所述微反光镜222由所述弹性梁221支撑，所述弹性梁221的两端分别与所述微反光镜222和支撑框224连接，所述光高反射膜223附着在所述微反光镜222上；

第二基底31，位于所述第一基底21的下方，作为晶圆级封装；

以及光纤准直器11，与所述第一基底21及所述第二基底31通过同一封装管壳61封装。

所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器由所述双轴加速度敏感芯片51，所述光纤准直器11和所述封装管壳61三部分组成。所述双轴加速度敏感芯片51包括两个单轴加速度敏感单元22。所述单轴加速度敏感单元22由所述微反光镜222、所述弹性梁221和所述光高反射膜223构成。所述微反光镜222的重心位于所述弹性梁221轴线的正下方、并在经过所述弹性梁221轴线且与所述微反光镜222的镜面垂直的平面内，保证了所述单轴加速度敏感单元22仅对平面内一方向的加速度信号敏感。

所述双轴加速度敏感芯片51的对加速度的敏感方向与所述的双轴加速度敏感芯片51平面平行。所述两个单轴加速度敏感单元22的敏感方向正交。所述的双轴加速度敏感芯片51将水平方向的加速度转化为所述微反光镜222的扭转角。

在本实施例中，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器包括两个光纤准直器11，位于所述双轴加速度敏感芯片51的同一侧。所述的光纤准直器包括单光纤准直器、双光纤准直器。在本实施例中，所述光纤准直器11包括光纤111以及聚焦透镜112。

利用所述光纤准直器11对入射光耦合特性和所述双轴加速度敏感芯片51实现单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

利用所述光纤准直器11对入射光耦合特性和所述的单轴加速度敏感单元22实现单轴光纤加速度传感器。

所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器还包括：形成在所述第一基底21或所述第二基底31的微机电器件。所述微机电器件包括加速度传感器、磁传感器、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、温度传感器、声传感器中的一种或多种。

上述基于MEMS的技术单芯片双轴水平光纤加速度传感器原理如图3所示：所述单轴加速度敏感芯片22在敏感方向加速度作用下，所述微反光镜222会受到惯性力矩的作用，该力矩驱动所述微反光镜222扭转，产生的扭转角度θ与加速度信号成正比。从而了实现平面内一方向的加速度信号与所述微反光镜222扭转角度θ的转换。所述微反光镜222的扭转角度的检测采用所述光纤准直器11进行，所述光纤准直器11将所述光纤111的出射光斑进行扩束，对入射光的入射角度具有很高的敏感性。所述光纤准直器11出射的光信号经所述微反光镜222反射偏转，光信号再次耦合到所述光纤准直器11。在敏感方向加速度作用下，所述微反光镜222产生角度扭转θ，引起反射光信号的反射角变化，导致耦合回所述光纤准直器11的光耦合效率的急剧改变，探测耦合光强变化就能检测到敏感方向的加速度信号。

本发明集成了MEMS微制造技术和光纤检测技术，因而其具有MEMS微制造技术的体积小、重量轻、批量化生产和光纤检测技术的高灵敏度，高频响应，无源，抗电磁干扰特性。由于光信号的输入和输出在双轴加速度敏感芯片的一测，且只需两支光纤准直器就可实现双轴加速度敏感芯片的光信号的传输，因而不仅简化了芯片的封装而且也减小了芯片封装成本和体积。本发明的单芯片双轴加速度敏感芯片可以和我们已经实现的垂直轴加速度传感器集成，实现单芯片三轴光纤加速度传感器。

综上所述，本发明提供一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器，至少包括：第一基底，用于形成具有两个单轴加速度敏感单元的双轴加速度敏感芯片；所述单轴加速度敏感单元包含微反光镜、弹性梁以及光高反射膜，所述微反光镜由所述弹性梁支撑，所述弹性梁的两端分别与所述微反光镜和支撑框连接，所述光高反射膜附着在所述微反光镜上；第二基底，位于所述第一基底的下方，作为晶圆级封装；以及光纤准直器，与所述第一基底及所述第二基底通过同一封装管壳封装。本发明提供其制备方法，包括：提供第一基底，在所述第一基底表面进行深刻蚀，形成第一微反光镜扭转空间；提供第二基底，在所述第二基底表面形成第二微反光镜扭转空间；将所述第一基底与第二基底键合，形成键合片；在所述第一基底表面形成光高反射膜；在所述第一基底上形成两个加速度敏感方向相互正交的单轴加速度敏感单元；对所述键合片划片，形成双轴加速度敏感芯片；通过封装管壳将所述双轴加速度敏感芯片和光纤准直器进行光学耦合封装，形成单芯片双轴水平光纤加速度传感器。本发明的单芯片双轴水平光纤加速度传感器及其制备方法将两个敏感方向正交的单轴加速度敏感芯片集成在同一衬底上，且光信号的传输在双轴加速度敏感芯片一侧，大大简化了基于MEMS技术的单芯片双轴加速度传感器的封装。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器至少包括：

第一基底，用于形成具有两个单轴加速度敏感单元的双轴加速度敏感芯片；所述单轴加速度敏感单元包含微反光镜、弹性梁以及光高反射膜，所述微反光镜由所述弹性梁支撑，所述弹性梁的两端分别与所述微反光镜和支撑框连接，所述光高反射膜附着在所述微反光镜上；

第二基底，形成微反光镜扭转空间，作为晶圆级封装；

以及光纤准直器，与所述双轴加速度敏感芯片通过同一封装管壳封装。

2.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述双轴加速度敏感芯片的对加速度的敏感方向与所述的双轴加速度敏感芯片平面平行。

3.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述的双轴加速度敏感芯片将水平方向的加速度转化为所述微反光镜的扭转角。

4.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器包括两个光纤准直器，位于所述双轴加速度敏感芯片的同一侧。

5.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述两个单轴加速度敏感单元的敏感方向正交。

6.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述微反光镜的重心在所述弹性梁轴线正下方。

7.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：利用所述光纤准直器对入射光耦合特性和所述双轴加速度敏感芯片实现单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

8.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：利用所述光纤准直器对入射光耦合特性和所述的单轴加速度敏感单元实现单轴光纤加速度传感器。

9.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述的光纤准直器包括单光纤准直器或双光纤准直器。

10.根据权利要求1所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器还包括：形成在所述第一基底或所述第二基底的微机电器件。

11.根据权利要求10所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器，其特征在于：所述微机电器件包括加速度传感器、磁传感器、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、温度传感器、声传感器中的一种或多种。

12.一种单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，其特征在于，所述单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法至少包括以下步骤：

提供第一基底，在所述第一基底表面深刻蚀，形成第一微反光镜扭转空间；

提供第二基底，在所述第二基底表面形成第二微反光镜扭转空间；

将所述第一基底与第二基底键合，形成键合片；

在所述第一基底表面形成光高反射膜；

在所述第一基底上形成两个加速度敏感方向相互正交的单轴加速度敏感单元；

对所述键合片划片，形成双轴加速度敏感芯片；通过封装管壳将所述双轴加速度敏感芯片和光纤准直器进行光学耦合封装，形成单芯片双轴水平光纤加速度传感器。

13.根据权利要求12所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，其特征在于：所述光高反射附着在所述双轴加速度敏感单元上。

14.根据权利要求12所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，其特征在于：采用基于微机电表面工艺技术或微机电体硅加工技术来进行各步骤。

15.根据权利要求12所述的单芯片双轴水平光纤加速度传感器的制备方法，其特征在于：还包括步骤：在所述第一基底和所述第二基底上形成微机电器件。