CN113311188A - 一种双轴衍射型硅光加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

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刘晓海
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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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Abstract

本申请涉及衍射型硅光加速度传感器，在一个基底硅基材料上成型出两组相互垂直的布拉格反射镜阵列和布拉格反射镜，能够通过MEMS制造工艺一次加工成型，便于批量制造。通过两个相互垂直的光纤发出的光纤能够同时2个方向的加速度测量，结构紧凑，同时也避免了将两个单轴加速度通过封装集成会遇到的难以对准问题。

Description

一种双轴衍射型硅光加速度传感器及其制备方法
技术领域
本申请属于光子传感器技术领域，尤其是涉及一种双轴衍射型硅光加速度传感器及其制备方法。
背景技术
目前，微机电(MEMS)加速度计通常是电容式，但电容式加速度计具有低灵敏度、高功耗、温度依赖性高和高交叉敏感性的缺点，并且无法对电磁干扰免疫，因此不适合作为卫星等航空航天应用。
而光学MEMS传感器经常用于工业过程，航空航天和军事应用，光学MEMS传感器对电磁干扰免疫性强，能够适应高温等危险环境应用场景。
KazemZandi等在论文《Design and Demonstration of an In-Plane Silicon-on-Insulator Optical MEMS Fabry–Pérot-Based Accelerometer Integrated WithChannel Waveguides》公开了一种传感器，如图1所示，其需要使用左右两个质量块，导致结构复杂，且在加工过程中两个质量块容易因为加工误差产生质心偏移。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中上的不足，从而提供一种双轴衍射型硅光加速度传感器及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双轴衍射型硅光加速度传感器，包括：
基底硅基材料，中间具有空腔；
固定锚，位于基底硅基材料顶部；
两组波导块，分别与两根光纤连接，作为光纤发出或者接收光线的通路；
两个质量块，位于空腔内，四角通过弹性连接结构与固定锚连接，且两块所述质量块的的振动敏感方向相互垂直并分别与两组所述波导块引入和引出的光线方向平行；
两组布拉格反射镜阵列，设置于基底硅基材料上，为间隙设置的一排具有空腔的凸起；
两组布拉格反射镜，分别成型于两个所述质量块顶部，为中间具有空腔的凸起；
每组所述光纤的入射光纤能够发出光线经过对应的波导块后一部分被对应的布拉格反射镜阵列反射，另一部分光线从对应的布拉格反射镜阵列的间隙穿过被布拉格反射镜反射，两部分被反射的光线叠加。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，所述固定锚包括成型在基底硅基材料顶部四角的凸块，以及连接在一侧固定锚的与 L形固定锚。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，所述弹性连接结构为弹簧形，且分布在质量块的四角，每个质量块四角的4个所述弹性连接结构呈中心对称设置，中心对称点与质量块的质心共点。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，每个质量块四角的4个所述弹性连接结构与所述固定锚的连接点组成第一矩形四个顶点，4个所述弹性连接结构与所述质量块的连接点组成第二矩形四个顶点，所述第一矩形大于第二矩形。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，其中一个所述质量块四角的所述弹性连接结构与基底硅基材料顶部四角的凸块连接，另一个所述质量块四角的所述弹性连接结构与L形固定锚以及位于同一边的两块凸块连接。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，所述第一矩形的第二矩形的对角线共线，且相交于质量块的质心。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，其中一个所述波导块4位于两个固定锚2之间的开口处。
优选地，本发明的双轴衍射型硅光加速度传感器，另一个所述波导块4位于两个L形固定锚之间的开口处。设置在开口处能够进一步降低所需的设置空间。
本发明还提供一种双轴衍射型硅光加速度传感器制备方法，用于制备得到上述的双轴衍射型硅光加速度传感器，包括以下步骤：
S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层、顶层和位于基层与顶层之间的氧化层；
S2：在顶层表面涂覆光刻胶，刻蚀形成两个质量块、所有的弹性连接结构和相应结构的固定锚，同时在质量块上刻蚀形成布拉格反射镜，在顶层上刻蚀形成波导块和布拉格反射镜阵列；
S4：在基层底面涂覆光刻胶进行刻蚀，去除与质量块、弹性连接结构对应部分的基层，保留与固定锚相连接的部分；
S5：释放氧化层使上腔体和下腔体联通形成腔体；
S6：安装光纤并封装形成衍射型硅光加速度传感器。
本发明的有益效果是：
本申请实施例涉及衍射型硅光加速度传感器，在一个基底硅基材料上成型出两组相互垂直的布拉格反射镜阵列和布拉格反射镜，能够通过MEMS制造工艺一次加工成型，便于批量制造。通过两个相互垂直的光纤发出的光纤能够同时2个方向的加速度测量，结构紧凑，同时也避免了将两个单轴加速度通过封装集成会遇到的难以对准问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是现有技术中的传感器的结构示意图；
图2是本申请实施例1中的双轴衍射型硅光加速度传感器的俯视图；
图3是图1中左半部分的侧剖视图；
图4是本申请实施例的双轴衍射型硅光加速度传感器制备工艺的流程图。
图中的附图标记为：
1 基底硅基材料
2 固定锚
3 质量块
4 波导块
5 布拉格反射镜阵列
6 布拉格反射镜
7 弹性连接结构
9 光纤
11 顶层
12 基层
13 氧化层
14 光刻胶。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种双轴衍射型硅光加速度传感器，如图2所示，包括：
基底硅基材料1，中间具有空腔；
固定锚2，位于基底硅基材料1顶部；
两组波导块4，分别与两根光纤9连接，作为光纤9发出或者接收光线的通路；
两个质量块3，位于空腔内，四角通过弹性连接结构7与固定锚 2连接，且两块所述质量块3的的振动敏感方向相互垂直并分别与两组所述波导块4引入和引出的光线方向平行；
两组布拉格反射镜阵列5，设置于基底硅基材料1上，为间隙设置的一排具有空腔的凸起；
两组布拉格反射镜6，分别成型于两个所述质量块3顶部，为中间具有空腔的凸起；
每组所述光纤9的入射光纤能够发出光线经过对应的波导块4后一部分被对应的布拉格反射镜阵列5反射，另一部分光线从对应的布拉格反射镜阵列5的间隙穿过被布拉格反射镜6反射，两部分被反射的光线叠加后经对应的波导块4以及光纤9的出射光纤所收集。
每个光纤9在功能上分为了入射光纤和出射光纤，通过读取出射光纤的光强变化，既可以得到加速度信息。当布拉格反射镜阵列5和布拉格反射镜6的间距是一个光纤发出光线波长时，两个表面反射的光是同相，可视为全反射；当振动发生时，布拉格反射镜阵列5和布拉格反射镜6距离发生变化，变化1/4个波长时，两个表面的反射为异相，出现相消干涉，从而振动的产生会导致出射光纤的光强度发生变化。
本实施例的衍射型硅光加速度传感器，在一个基底硅基材料1上成型出两组布拉格反射镜阵列5和布拉格反射镜6，能够通过MEMS 制造工艺一次加工成型，便于批量制造。通过两个相互垂直的光纤9 发出的光纤能够同时2个方向的加速度测量，结构紧凑，同时也避免了将两个单轴加速度通过封装集成会遇到的难以对准问题。
优选地，所述固定锚2包括成型在基底硅基材料1顶部四角的凸块，以及连接在一侧固定锚的与L形固定锚。
优选的，所述弹性连接结构7为弹簧形，且分布在质量块3的四角，每个质量块3四角的4个所述弹性连接结构7呈中心对称设置，中心对称点与质量块3的质心共点。
优选的，每个质量块3四角的4个所述弹性连接结构7与所述固定锚2的连接点组成第一矩形四个顶点，4个所述弹性连接结构7与所述质量块3的连接点组成第二矩形四个顶点，第一矩形大于第二矩形，以形成如图4所示的箭头的拉伸结构，其中向外的力相互抵消，提高质量块在非敏感方向的刚度。进一步优选的，所述第一矩形的第二矩形的对角线共线，且相交于质量块3的质心。
优选的，其中一个所述波导块4位于两个固定锚2之间的开口处。另一个所述波导块4位于两个L形固定锚之间的开口处。设置在开口处能够进一步降低所需的设置空间。
实施例2
本实施例的衍射型硅光加速度传感器制备工艺，如图4所示，包括以下步骤：
S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层12、顶层11和位于基层12与顶层11之间的氧化层13；
S2：在顶层11表面涂覆光刻胶14，刻蚀形成两个质量块3、所有的弹性连接结构7和相应结构的固定锚2，同时在质量块3上刻蚀形成布拉格反射镜6，在顶层11上刻蚀形成波导块4和布拉格反射镜阵列5；
S4：在基层12底面涂覆光刻胶进行刻蚀，去除与质量块3、弹性连接结构7对应部分的基层12，保留与固定锚2相连接的部分；
S5：释放氧化层13使上腔体和下腔体联通形成腔体(腔体可以是两个，也可以是连通的)；
S6：安装光纤9并封装形成衍射型硅光加速度传感器。
基层12作为基底硅基材料1用于连接固定锚2，顶层11形成固定锚2和质量块3。
本申请中的芯片加工工艺包括：光刻，刻蚀，离子注入或掺杂，溅射或淀积工艺。除了特别说明外，均可使用现有的工艺。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，包括：
基底硅基材料(1)，中间具有空腔；
固定锚(2)，位于基底硅基材料(1)顶部；
两组波导块(4)，分别与两根光纤(9)连接，作为光纤(9)发出或者接收光线的通路；
两个质量块(3)，位于空腔内，四角通过弹性连接结构(7)与固定锚(2)连接，且两块所述质量块(3)的的振动敏感方向相互垂直并分别与两组所述波导块(4)引入和引出的光线方向平行；
两组布拉格反射镜阵列(5)，设置于基底硅基材料(1)上，为间隙设置的一排具有空腔的凸起；
两组布拉格反射镜(6)，分别成型于两个所述质量块(3)顶部，为中间具有空腔的凸起；
每组所述光纤(9)的入射光纤能够发出光线经过对应的波导块(4)后一部分被对应的布拉格反射镜阵列(5)反射，另一部分光线从对应的布拉格反射镜阵列(5)的间隙穿过被布拉格反射镜(6)反射，两部分被反射的光线叠加。
2.根据权利要求1所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，所述固定锚(2)包括成型在基底硅基材料(1)顶部四角的凸块，以及连接在一侧固定锚的与L形固定锚。
3.根据权利要求2所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，所述弹性连接结构(7)为弹簧形，且分布在质量块(3)的四角，每个质量块(3)四角的4个所述弹性连接结构(7)呈中心对称设置，中心对称点与质量块(3)的质心共点。
4.根据权利要求3所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，每个质量块(3)四角的4个所述弹性连接结构(7)与所述固定锚(2)的连接点组成第一矩形四个顶点，4个所述弹性连接结构(7)与所述质量块(3)的连接点组成第二矩形四个顶点，所述第一矩形大于第二矩形。
5.根据权利要求4所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，其中一个所述质量块(3)四角的所述弹性连接结构(7)与基底硅基材料(1)顶部四角的凸块连接，另一个所述质量块(3)四角的所述弹性连接结构(7)与L形固定锚以及位于同一边的两块凸块连接。
6.根据权利要求4所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，所述第一矩形的第二矩形的对角线共线，且相交于质量块(3)的质心。
7.根据权利要求1所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，其中一个所述波导块4位于两个固定锚2之间的开口处。
8.根据权利要求7所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，其特征在于，另一个所述波导块4位于两个L形固定锚之间的开口处。设置在开口处能够进一步降低所需的设置空间。
9.一种双轴衍射型硅光加速度传感器制备方法，其特征在于，用于制备得到权利要求1-8任一项所述的双轴衍射型硅光加速度传感器，包括以下步骤：
S1：取一SOI晶片，所述SOI晶片包括基层(12)、顶层(11)和位于基层(12)与顶层(11)之间的氧化层(13)；
S2：在顶层(11)表面涂覆光刻胶(14)，刻蚀形成两个质量块(3)、所有的弹性连接结构(7)和相应结构的固定锚(2)，同时在质量块(3)上刻蚀形成布拉格反射镜(6)，在顶层(11)上刻蚀形成波导块(4)和布拉格反射镜阵列(5)；
S4：在基层(12)底面涂覆光刻胶进行刻蚀，去除与质量块(3)、弹性连接结构(7)对应部分的基层(12)，保留与固定锚(2)相连接的部分；
S5：释放氧化层(13)使上腔体和下腔体联通形成腔体；
S6：安装光纤(9)并封装形成衍射型硅光加速度传感器。
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