专利名称：基于声光效应的mems微型加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS微型加速度传感器，属于微机电系统(MEMS)中的微惯性器件领域。
背景技术：
微机械加速度传感器发展很快，有电容式、压阻式、压电式、谐振式、热对流式、隧道和场致发射式等多种形式。目前应用最多的是电容式和压阻式MEMS微型加速度传感器。 电容式微型加速度传感器由于其受温度、电磁辐射等影响较大，所以其分辨力一般限制在 mg量级。压阻式微型加速度传感器受温度影响严重，其分辨力比电容式微型加速度传感器更低。谐振式微型加速度传感器是利用振梁的力频特性，通过检测谐振频率来检测外界加速度，这种加速度检测精度较高。热对流式微型加速度传感器灵敏度较低，响应速度很慢。 隧道式和场致发射式微型加速度传感器理论具有高灵敏度，但实际存在线性度不高、反馈控制复杂等问题。与诸多形式相比，基于声光效应的MEMS微型加速度传感器具有灵敏度高、准数字输出等特点。实用新型专利03200395. 1描述了一种基于声光调制原理的混合型集成光学加速度地震检波器。其主要原理是利用集成光学技术在基片上制作一个谐振腔；谐振腔信号臂上有光纤谐振子，谐振子在加速度作用下使信号臂与参考臂中的光产生相位差，这个相位差由参考臂上的声光相位调制器来平衡，以声光相位调制器上施加的信号大小来评价加速度的大小。
发明内容
本发明的目的在于基于声光效应和光频外差检测，提出一种新工作机理的加速度传感器，以提高加速度传感器的灵敏度。本发明的技术方案如下
本发明所述的传感器包括激光器、光波导系统、基于板波的声光移频器和光电探测器。 所述光波导系统、基于板波的声光移频器通过MEMS微加工技术集成在硅基底上，构成加速度敏感结构。加速度敏感结构的输入端与激光器相连，输出端与光电探测器相连。所述光波导系统引导激光穿过板波声光移频器激发的声�。⑸蜕庋苌洌⒃谏庋苌浜筇崛〕鍪喀羌堆苌涔饨械硬馀男藕挪⑹涑龅焦獾缣讲馄鳎ü觳馐喀羌堆苌涔馄挡畹谋浠醇觳饧铀俣鹊谋浠�。所述光波导系统包括单模矩形光波导、锥形光波导、波导偏振器和波导反射镜；其主要作用是引导单一线偏振的入射光穿过移频器声场发生声光衍射，并提取出高级次衍射光进行叠加混频后输出到光电探测器。一段单模矩形光波导连接到锥形光波导的小口径端，引导激光束进入锥形光波导，并在矩形光波导段发生声光衍射；锥形光波导大口径端两侧边缘处连接两段单模矩形光波导，两段单模矩形光波导最终合成一段单模矩形光波导段；连接到锥形光波导前后的三段单模矩形光波导上分别连接有一个波导偏振器；波导反射镜位于锥形光波导上的大口径端、且在两段单模矩形光波导之间。所述基于板波的拉曼型声光移频器为压电薄板结构，它由利用MEMS技术制作的压电薄板、叉指电极、吸声层、锥形光波导和质量块构成，通过叉指电极能在压电薄板上激发出弯曲板波；所述压电薄板是通过在光波导包层之上覆盖压电层而形成，为一个底面除两端外中间去掉了硅基底的长条形薄板结构；两个吸声层位于压电薄板长度方向的两端， 叉指电极位于压电层表面两个吸声层之间，其汇流条平行压电长条长度方向；锥形光波导为光波导系统的锥形光波导，位于压电薄板一端的压电层之下，锥形光波导的中轴线与压电薄板的长度方向垂直，引导激光束沿垂直压电薄板长度的方向穿过声光移频器；质量块位于压电薄板底面中间位置。光束在光波导引导下沿垂直薄板长度的方向穿过弯曲板波声�。⒎⑸庋苌洌苌涔獾钠德仕嫔ㄆ德实谋浠浠�。在外界加速度作用下，该移频器的工作频率发生变化，则输出衍射光的频率也发生变化。本发明所述的传感器由光波导系统引导激光穿过板波声光移频器激发的声场，发生拉曼型声光衍射，并在声光衍射后提取出士η级衍射光进行叠加产生光拍信号并输出到光电探测器，通过检测士η级衍射光频差的变化来检测加速度的变化。根据声光效应原理，当移频器移频量变化Δ f时第η级衍射光的频率变化η* Δ f, 因此将士η级衍射光叠加后将产生的光拍信号频率变化2η* Δ f，通过检测此光拍的频率的变化来检测加速度的变化，η越大传感器灵敏度越高。可见，本发明是基于拉曼型声光衍射原理提出的一种新工作机理的加速度传感器，加速度引起板波移频器移频量的变化，通过声光效应，板波移频器移频量的变化转化为衍射光频率的变化，同时衍射光频率变化量得到放大，通过检测士η级衍射光叠加产生的光拍频率来实现对加速度的测量。本发明由于采用了光波导差频检测系统与光集成技术， 提高了加速度计的灵敏度。
图1是本发明结构原理示意2是加速度敏感结构的俯视3是图2中截面1处的剖视4是图2中截面2处的剖视5是图4中截面3处的剖视图
图中1.硅基底，2.硅质量块，3.光波导包层，4.锥形光波导，5氧化锌或氮化铝压电层，6.叉指电极，7.波导偏振器，8.波导反射镜，9.空隙，10.单模矩形光波导，11.单模矩形光波导，12.吸声层。
具体实施例方式参见图1，本发明的加速度传感器包括激光器、光波导系统、基于板波的声光移频器和光电探测器。结合图2-图5可见，光波导系统和基于板波的声光移频器是通过MEMS 微加工技术集成在硅基底上，构成加速度敏感结构，加速度敏感结构输入端为图5左端光波导，与激光器相连，输出端为图5右端光波导，与光电探测器相连。光波导系统引导激光穿过板波声光移频器激发的声�。⑸蜕庋苌洌⒃谏庋苌浜筇崛〕鍪喀羌堆苌涔饨械硬馀男藕挪⑹涑龅焦獾缣讲馄鳎ü觳馐喀羌堆苌涔馄挡畹谋浠醇觳饧铀俣鹊谋浠�。加速度敏感结构的具体结构参见图1-图5，其中光波导系统参见图5，包括单模矩形光波导10、锥形光波导4、波导偏振器7和波导反射镜8，它们被制作在硅片上。单模矩形光波导10连接到锥形光波导4的小口径端，引导激光束进入锥形光波导，并在矩形光波导段发生声光衍射。锥形光波导4的大口径端两侧边缘处连接两段单模矩形光波导11，两段单模矩形光波导最终合成一段单模矩形光波导段。连接到锥形光波导4前后的三段单模矩形光波导10和11上分别连接有一个波导偏振器7。波导反射镜8位于锥形光波导上的大口径端、且在两段单模矩形光波导之间。参见图2、图3和图4，在硅基底1上，叉指电极6、氧化锌或者氮化铝压电层5、吸声层12、锥形光波导4以及质量块2构成了一个能够敏感加速度的板波声光移频器，光波导包层3与压电层5组成了一个长条形压电薄板，两个吸声层12位于压电薄板长度方向的两端，叉指电极位于压电层表面两个吸声层12之间，锥形光波导4位于压电层5之下，质量块 2位于压电薄板底面下方中间处。其具体结构与制作过程为首先在硅基底1上制作出锥形光波导以及光波导包层 3 ；然后在光波导包层的上面沉积压电薄膜，并将压电薄膜刻蚀为长条形状，形成压电层5， 其长度方向与锥形波导4中轴线垂直，长条的一端覆盖锥形波导4 ；再在刻蚀出的长条状压电薄膜上面制作叉指电极6与吸声层12，两个吸声层12位于压电层长条两端，叉指电极位于压电层长条上，两个吸声层之间，其汇流条平行压电长条长度方向；最后从硅基底1背面刻蚀减薄压电长条覆盖区域的硅片，剩下波导包层与压电层组成长条形的压电薄板，在压电薄板底面下方中间处留出一块作为质量块2，在压电薄板沿长度方向两侧刻蚀出空隙9， 加强薄板结构对加速度的敏感性，最终完成基于板波的拉曼型声光移频器的制作。该板波声光移频器通过叉指电极6能在压电层5与波导包层3所组成的薄板结构中激发出弯曲板波。在加速度作用下，质量块2引起薄板结构受力应变，板波移频器的工作频率即发生变化。参见图5，激光源发出的激光耦合进单模矩形光波导10，经过波导偏振器7后进入锥形光波导4，光束穿过板波移频器产生的声�。⒎⑸蜕庋苌洌ツ＞匦喂獠ǖ� 11将士η级衍射光提取出来进行叠加混频(η可取广5，具体视情况而定)，产生一个光拍信号。波导反射镜8用于消除0—士(η-1)各级衍射光对士η级衍射光叠加的干扰。根据声光效应的特点，士η级衍射光叠加产生的光拍信号的频率为2n*fa，其中4为声板波频率，当加速度引起弯曲板波传播频率变化△ f时，则该光拍信号频率变化2η* Δ f，因此本加速度传感器具有很高的灵敏度。单模矩形光波导11将士η级衍射光提取出来进行叠加混频，产生一个光拍信号， 该光拍信号输出到光电探测器，检测光电探测器输出电信号的频率变化即可测量加速度的变化。
权利要求
1.基于声光效应的MEMS微型加速度传感器，包括激光器、光波导系统、基于板波的声光移频器和光电探测器；其特征在于所述光波导系统、基于板波的声光移频器是通过 MEMS微加工技术集成在硅基底上，构成加速度敏感结构；所述加速度敏感结构输入端与激光器相连，输出端与光电探测器相连；所述光波导系统引导激光穿过板波声光移频器激发的声�。⑸蜕庋苌洌⒃谏庋苌浜筇崛〕鍪喀羌堆苌涔饨械硬馀男藕挪⑹涑龅焦獾缣讲馄鳎ü觳馐喀羌堆苌涔馄挡畹谋浠醇觳饧铀俣鹊谋浠�。
2.根据权利要求1所述的基于声光效应的MEMS微型加速度传感器，其特征在于所述光波导系统包括单模矩形光波导、锥形光波导、波导偏振器和波导反射镜；一段单模矩形光波导连接到锥形光波导的小口径端，引导激光束进入锥形光波导，并在矩形光波导段发生声光衍射；锥形光波导大口径端两侧边缘处连接两段单模矩形光波导，两段单模矩形光波导最终合成一段单模矩形光波导段；连接到锥形光波导前后的三段单模矩形光波导上分别连接有一个波导偏振器；波导反射镜位于锥形光波导上的大口径端、且在两段单模矩形光波导之间。
3.根据权利要求2所述的基于声光效应的MEMS微型加速度传感器，其特征在于所述基于板波的拉曼型声光移频器为压电薄板结构，它由利用MEMS技术制作的压电薄板、叉指电极、吸声层、锥形光波导和质量块构成，通过叉指电极能在压电薄板上激发出弯曲板波； 所述压电薄板是通过在光波导包层之上覆盖压电层而形成，为一个底面除两端外中间去掉了硅基底的长条形薄板结构；两个吸声层位于压电薄板长度方向的两端，叉指电极位于压电层表面两个吸声层之间，其汇流条平行压电长条长度方向；锥形光波导为光波导系统的锥形光波导，位于压电薄板一端的压电层之下，锥形光波导的中轴线与压电薄板的长度方向垂直，引导激光束沿垂直压电薄板长度的方向穿过声光移频器；质量块位于压电薄板底面中间位置。
全文摘要
基于声光效应的MEMS微型加速度传感器包括激光器、光波导系统、基于板波的声光移频器、光电探测器，其中光波导系统包括单模矩形光波导、锥形光波导、波导偏振器和波导反射镜。将光波导系统、基于板波的声光移频器通过MEMS微加工技术集成在硅片上，构成加速度敏感结构。加速度敏感结构输入端与激光器相连，输出端与光电探测器相连。在加速度敏感结构中，导光波穿过声光移频器激发的声场发生拉曼型声光衍射，提取出±n级衍射光进行叠加混频，产生一定频率的光拍信号，最后输出到光电探测器，通过检测光拍信号的频率变化来检测加速度的变化。本发明基于一种新的加速度检测原理，具有灵敏度高、准数字输出的特点。
文档编号G01P15/093GK102426268SQ20111035081
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者张祖伟, 温志渝, 辛毅 申请人:重庆大学
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