專利名稱：基于聲光效應(yīng)的mems微型加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS微型加速度傳感器，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)中的微慣性器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微機械加速度傳感器發(fā)展很快，有電容式、壓阻式、壓電式、諧振式、熱對流式、隧道和場致發(fā)射式等多種形式。目前應(yīng)用最多的是電容式和壓阻式MEMS微型加速度傳感器。 電容式微型加速度傳感器由于其受溫度、電磁輻射等影響較大，所以其分辨力一般限制在 mg量級。壓阻式微型加速度傳感器受溫度影響嚴(yán)重，其分辨力比電容式微型加速度傳感器更低。諧振式微型加速度傳感器是利用振梁的力頻特性，通過檢測諧振頻率來檢測外界加速度，這種加速度檢測精度較高。熱對流式微型加速度傳感器靈敏度較低，響應(yīng)速度很慢。 隧道式和場致發(fā)射式微型加速度傳感器理論具有高靈敏度，但實際存在線性度不高、反饋控制復(fù)雜等問題。與諸多形式相比，基于聲光效應(yīng)的MEMS微型加速度傳感器具有靈敏度高、準(zhǔn)數(shù)字輸出等特點。實用新型專利03200395. 1描述了一種基于聲光調(diào)制原理的混合型集成光學(xué)加速度地震檢波器。其主要原理是利用集成光學(xué)技術(shù)在基片上制作一個諧振腔；諧振腔信號臂上有光纖諧振子，諧振子在加速度作用下使信號臂與參考臂中的光產(chǎn)生相位差，這個相位差由參考臂上的聲光相位調(diào)制器來平衡，以聲光相位調(diào)制器上施加的信號大小來評價加速度的大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于基于聲光效應(yīng)和光頻外差檢測，提出一種新工作機理的加速度傳感器，以提高加速度傳感器的靈敏度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明所述的傳感器包括激光器、光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器和光電探測器。 所述光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器通過MEMS微加工技術(shù)集成在硅基底上，構(gòu)成加速度敏感結(jié)構(gòu)。加速度敏感結(jié)構(gòu)的輸入端與激光器相連，輸出端與光電探測器相連。所述光波導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)激光穿過板波聲光移頻器激發(fā)的聲場，發(fā)生拉曼型聲光衍射，并在聲光衍射后提取出士η級衍射光進行疊加產(chǎn)生光拍信號并輸出到光電探測器，通過檢測士η級衍射光頻差的變化來檢測加速度的變化。所述光波導(dǎo)系統(tǒng)包括單模矩形光波導(dǎo)、錐形光波導(dǎo)、波導(dǎo)偏振器和波導(dǎo)反射鏡；其主要作用是引導(dǎo)單一線偏振的入射光穿過移頻器聲場發(fā)生聲光衍射，并提取出高級次衍射光進行疊加混頻后輸出到光電探測器。一段單模矩形光波導(dǎo)連接到錐形光波導(dǎo)的小口徑端，引導(dǎo)激光束進入錐形光波導(dǎo)，并在矩形光波導(dǎo)段發(fā)生聲光衍射；錐形光波導(dǎo)大口徑端兩側(cè)邊緣處連接兩段單模矩形光波導(dǎo)，兩段單模矩形光波導(dǎo)最終合成一段單模矩形光波導(dǎo)段；連接到錐形光波導(dǎo)前后的三段單模矩形光波導(dǎo)上分別連接有一個波導(dǎo)偏振器；波導(dǎo)反射鏡位于錐形光波導(dǎo)上的大口徑端、且在兩段單模矩形光波導(dǎo)之間。所述基于板波的拉曼型聲光移頻器為壓電薄板結(jié)構(gòu)，它由利用MEMS技術(shù)制作的壓電薄板、叉指電極、吸聲層、錐形光波導(dǎo)和質(zhì)量塊構(gòu)成，通過叉指電極能在壓電薄板上激發(fā)出彎曲板波；所述壓電薄板是通過在光波導(dǎo)包層之上覆蓋壓電層而形成，為一個底面除兩端外中間去掉了硅基底的長條形薄板結(jié)構(gòu)；兩個吸聲層位于壓電薄板長度方向的兩端， 叉指電極位于壓電層表面兩個吸聲層之間，其匯流條平行壓電長條長度方向；錐形光波導(dǎo)為光波導(dǎo)系統(tǒng)的錐形光波導(dǎo)，位于壓電薄板一端的壓電層之下，錐形光波導(dǎo)的中軸線與壓電薄板的長度方向垂直，引導(dǎo)激光束沿垂直壓電薄板長度的方向穿過聲光移頻器；質(zhì)量塊位于壓電薄板底面中間位置。光束在光波導(dǎo)引導(dǎo)下沿垂直薄板長度的方向穿過彎曲板波聲場，并發(fā)生聲光衍射，衍射光的頻率隨聲波頻率的變化而變化。在外界加速度作用下，該移頻器的工作頻率發(fā)生變化，則輸出衍射光的頻率也發(fā)生變化。本發(fā)明所述的傳感器由光波導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)激光穿過板波聲光移頻器激發(fā)的聲場，發(fā)生拉曼型聲光衍射，并在聲光衍射后提取出士η級衍射光進行疊加產(chǎn)生光拍信號并輸出到光電探測器，通過檢測士η級衍射光頻差的變化來檢測加速度的變化。根據(jù)聲光效應(yīng)原理，當(dāng)移頻器移頻量變化Δ f時第η級衍射光的頻率變化η* Δ f, 因此將士η級衍射光疊加后將產(chǎn)生的光拍信號頻率變化2η* Δ f，通過檢測此光拍的頻率的變化來檢測加速度的變化，η越大傳感器靈敏度越高。可見，本發(fā)明是基于拉曼型聲光衍射原理提出的一種新工作機理的加速度傳感器，加速度引起板波移頻器移頻量的變化，通過聲光效應(yīng)，板波移頻器移頻量的變化轉(zhuǎn)化為衍射光頻率的變化，同時衍射光頻率變化量得到放大，通過檢測士η級衍射光疊加產(chǎn)生的光拍頻率來實現(xiàn)對加速度的測量。本發(fā)明由于采用了光波導(dǎo)差頻檢測系統(tǒng)與光集成技術(shù)， 提高了加速度計的靈敏度。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意2是加速度敏感結(jié)構(gòu)的俯視3是圖2中截面1處的剖視4是圖2中截面2處的剖視5是圖4中截面3處的剖視圖
圖中1.硅基底，2.硅質(zhì)量塊，3.光波導(dǎo)包層，4.錐形光波導(dǎo)，5氧化鋅或氮化鋁壓電層，6.叉指電極，7.波導(dǎo)偏振器，8.波導(dǎo)反射鏡，9.空隙，10.單模矩形光波導(dǎo)，11.單模矩形光波導(dǎo)，12.吸聲層。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明的加速度傳感器包括激光器、光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器和光電探測器。結(jié)合圖2-圖5可見，光波導(dǎo)系統(tǒng)和基于板波的聲光移頻器是通過MEMS 微加工技術(shù)集成在硅基底上，構(gòu)成加速度敏感結(jié)構(gòu)，加速度敏感結(jié)構(gòu)輸入端為圖5左端光波導(dǎo)，與激光器相連，輸出端為圖5右端光波導(dǎo)，與光電探測器相連。光波導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)激光穿過板波聲光移頻器激發(fā)的聲場，發(fā)生拉曼型聲光衍射，并在聲光衍射后提取出士η級衍射光進行疊加產(chǎn)生光拍信號并輸出到光電探測器，通過檢測士η級衍射光頻差的變化來檢測加速度的變化。加速度敏感結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)參見圖1-圖5，其中光波導(dǎo)系統(tǒng)參見圖5，包括單模矩形光波導(dǎo)10、錐形光波導(dǎo)4、波導(dǎo)偏振器7和波導(dǎo)反射鏡8，它們被制作在硅片上。單模矩形光波導(dǎo)10連接到錐形光波導(dǎo)4的小口徑端，引導(dǎo)激光束進入錐形光波導(dǎo)，并在矩形光波導(dǎo)段發(fā)生聲光衍射。錐形光波導(dǎo)4的大口徑端兩側(cè)邊緣處連接兩段單模矩形光波導(dǎo)11，兩段單模矩形光波導(dǎo)最終合成一段單模矩形光波導(dǎo)段。連接到錐形光波導(dǎo)4前后的三段單模矩形光波導(dǎo)10和11上分別連接有一個波導(dǎo)偏振器7。波導(dǎo)反射鏡8位于錐形光波導(dǎo)上的大口徑端、且在兩段單模矩形光波導(dǎo)之間。參見圖2、圖3和圖4，在硅基底1上，叉指電極6、氧化鋅或者氮化鋁壓電層5、吸聲層12、錐形光波導(dǎo)4以及質(zhì)量塊2構(gòu)成了一個能夠敏感加速度的板波聲光移頻器，光波導(dǎo)包層3與壓電層5組成了一個長條形壓電薄板，兩個吸聲層12位于壓電薄板長度方向的兩端，叉指電極位于壓電層表面兩個吸聲層12之間，錐形光波導(dǎo)4位于壓電層5之下，質(zhì)量塊 2位于壓電薄板底面下方中間處。其具體結(jié)構(gòu)與制作過程為首先在硅基底1上制作出錐形光波導(dǎo)以及光波導(dǎo)包層 3 ；然后在光波導(dǎo)包層的上面沉積壓電薄膜，并將壓電薄膜刻蝕為長條形狀，形成壓電層5， 其長度方向與錐形波導(dǎo)4中軸線垂直，長條的一端覆蓋錐形波導(dǎo)4 ；再在刻蝕出的長條狀壓電薄膜上面制作叉指電極6與吸聲層12，兩個吸聲層12位于壓電層長條兩端，叉指電極位于壓電層長條上，兩個吸聲層之間，其匯流條平行壓電長條長度方向；最后從硅基底1背面刻蝕減薄壓電長條覆蓋區(qū)域的硅片，剩下波導(dǎo)包層與壓電層組成長條形的壓電薄板，在壓電薄板底面下方中間處留出一塊作為質(zhì)量塊2，在壓電薄板沿長度方向兩側(cè)刻蝕出空隙9， 加強薄板結(jié)構(gòu)對加速度的敏感性，最終完成基于板波的拉曼型聲光移頻器的制作。該板波聲光移頻器通過叉指電極6能在壓電層5與波導(dǎo)包層3所組成的薄板結(jié)構(gòu)中激發(fā)出彎曲板波。在加速度作用下，質(zhì)量塊2引起薄板結(jié)構(gòu)受力應(yīng)變，板波移頻器的工作頻率即發(fā)生變化。參見圖5，激光源發(fā)出的激光耦合進單模矩形光波導(dǎo)10，經(jīng)過波導(dǎo)偏振器7后進入錐形光波導(dǎo)4，光束穿過板波移頻器產(chǎn)生的聲場，并發(fā)生拉曼型聲光衍射，單模矩形光波導(dǎo) 11將士η級衍射光提取出來進行疊加混頻(η可取廣5，具體視情況而定)，產(chǎn)生一個光拍信號。波導(dǎo)反射鏡8用于消除0—士(η-1)各級衍射光對士η級衍射光疊加的干擾。根據(jù)聲光效應(yīng)的特點，士η級衍射光疊加產(chǎn)生的光拍信號的頻率為2n*fa，其中4為聲板波頻率，當(dāng)加速度引起彎曲板波傳播頻率變化△ f時，則該光拍信號頻率變化2η* Δ f，因此本加速度傳感器具有很高的靈敏度。單模矩形光波導(dǎo)11將士η級衍射光提取出來進行疊加混頻，產(chǎn)生一個光拍信號， 該光拍信號輸出到光電探測器，檢測光電探測器輸出電信號的頻率變化即可測量加速度的變化。
權(quán)利要求
1.基于聲光效應(yīng)的MEMS微型加速度傳感器，包括激光器、光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器和光電探測器；其特征在于所述光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器是通過 MEMS微加工技術(shù)集成在硅基底上，構(gòu)成加速度敏感結(jié)構(gòu)；所述加速度敏感結(jié)構(gòu)輸入端與激光器相連，輸出端與光電探測器相連；所述光波導(dǎo)系統(tǒng)引導(dǎo)激光穿過板波聲光移頻器激發(fā)的聲場，發(fā)生拉曼型聲光衍射，并在聲光衍射后提取出士η級衍射光進行疊加產(chǎn)生光拍信號并輸出到光電探測器，通過檢測士η級衍射光頻差的變化來檢測加速度的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲光效應(yīng)的MEMS微型加速度傳感器，其特征在于所述光波導(dǎo)系統(tǒng)包括單模矩形光波導(dǎo)、錐形光波導(dǎo)、波導(dǎo)偏振器和波導(dǎo)反射鏡；一段單模矩形光波導(dǎo)連接到錐形光波導(dǎo)的小口徑端，引導(dǎo)激光束進入錐形光波導(dǎo)，并在矩形光波導(dǎo)段發(fā)生聲光衍射；錐形光波導(dǎo)大口徑端兩側(cè)邊緣處連接兩段單模矩形光波導(dǎo)，兩段單模矩形光波導(dǎo)最終合成一段單模矩形光波導(dǎo)段；連接到錐形光波導(dǎo)前后的三段單模矩形光波導(dǎo)上分別連接有一個波導(dǎo)偏振器；波導(dǎo)反射鏡位于錐形光波導(dǎo)上的大口徑端、且在兩段單模矩形光波導(dǎo)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲光效應(yīng)的MEMS微型加速度傳感器，其特征在于所述基于板波的拉曼型聲光移頻器為壓電薄板結(jié)構(gòu)，它由利用MEMS技術(shù)制作的壓電薄板、叉指電極、吸聲層、錐形光波導(dǎo)和質(zhì)量塊構(gòu)成，通過叉指電極能在壓電薄板上激發(fā)出彎曲板波； 所述壓電薄板是通過在光波導(dǎo)包層之上覆蓋壓電層而形成，為一個底面除兩端外中間去掉了硅基底的長條形薄板結(jié)構(gòu)；兩個吸聲層位于壓電薄板長度方向的兩端，叉指電極位于壓電層表面兩個吸聲層之間，其匯流條平行壓電長條長度方向；錐形光波導(dǎo)為光波導(dǎo)系統(tǒng)的錐形光波導(dǎo)，位于壓電薄板一端的壓電層之下，錐形光波導(dǎo)的中軸線與壓電薄板的長度方向垂直，引導(dǎo)激光束沿垂直壓電薄板長度的方向穿過聲光移頻器；質(zhì)量塊位于壓電薄板底面中間位置。
全文摘要
基于聲光效應(yīng)的MEMS微型加速度傳感器包括激光器、光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器、光電探測器，其中光波導(dǎo)系統(tǒng)包括單模矩形光波導(dǎo)、錐形光波導(dǎo)、波導(dǎo)偏振器和波導(dǎo)反射鏡。將光波導(dǎo)系統(tǒng)、基于板波的聲光移頻器通過MEMS微加工技術(shù)集成在硅片上，構(gòu)成加速度敏感結(jié)構(gòu)。加速度敏感結(jié)構(gòu)輸入端與激光器相連，輸出端與光電探測器相連。在加速度敏感結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)光波穿過聲光移頻器激發(fā)的聲場發(fā)生拉曼型聲光衍射，提取出±n級衍射光進行疊加混頻，產(chǎn)生一定頻率的光拍信號，最后輸出到光電探測器，通過檢測光拍信號的頻率變化來檢測加速度的變化。本發(fā)明基于一種新的加速度檢測原理，具有靈敏度高、準(zhǔn)數(shù)字輸出的特點。
文檔編號G01P15/093GK102426268SQ20111035081
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者張祖?zhèn)? 溫志渝, 辛毅 申請人:重慶大學(xué)