[发明专利]基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，主要涉及一种微加速度计，特别是涉及一种基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计。

背景技术

近年来，随着MEMS工艺的发展和成熟，小型化，灵敏度高，抗过载能力强的微加速度计，如压阻式微加速度计，压敏式微加速度计等在航天，电子和机械制造领域的振动和冲击测量中得到了很好的发展。但是，这类微加速度计是利用传统的电学原理，不适用于电磁场复杂和超真空系统中。同时，该类微加速度计在制造过程中通过离子注入的工艺形成敏感单元，工艺要求高，对此类微加速度计的推广和批量生产形成障碍。另外，新型的利用光电转换探测微加速度计成为一个新的可以发展和研究的方向。例如：中国专利申请号为200810079681.X的“基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计”，公开了一种采用集成平面环形微腔与悬臂梁结构的加速度计，“包括硅基框架，悬臂梁以及通过悬臂梁支悬于硅基框架中央的质量块，悬臂梁上设有平面环形微腔，硅基框架上沿与对应悬臂梁垂直的方向设置有对应悬臂梁上平面环形微腔构成平面环形微腔耦合系统的光波导”，利用光在光波导传输过程中发生全反射时所产生的倏逝波，耦合进入平面环形微腔，产生共振，通过探测悬臂梁发生形变时光的共振峰不同来反馈加载在质量块上的加速度。该专利结构简单，紧凑，改变了以往利用电容电阻测量加速度的方法，制备方法相对于离子注入工艺，较为简单。

但是，该专利结构所利用的倏逝波的耦合方式，强烈依赖于加工工艺和所设计的平面环形微腔耦合系统的合理性，加工成品表面微小的粗糙就会造成光的大量损失，不利于倏逝波的耦合和光的继续传输；平面环形微腔与光波导结构的耦合距离需要进行二次加工精确控制，增加了加工难度。另外，平面环形微腔特有的平面环形结构与光波导耦合长度较短，不利于高效耦合；平面环形微腔特有的环形结构集成在悬臂梁上，环形直径与悬臂梁长度相比较短，不利于平面环形微腔发生形变时的相位积累；光波导输入输出端采用直接与光源对接的方式，耦合效率也较低。

发明内容

本发明的目的是在克服上述现有微加速度计技术存在的缺点和不足的基础上，而设计和提供一种结构简单，加工难度较低，测量灵敏度高，精度高，适用范围更广的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计。

为实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：

基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计，包括带光学输入口与输出口的光学谐振腔1、悬臂梁2、基底3、质量块4、输入光栅5、输出光栅6、输入光波导7、输出光波导8；所述光学谐振腔为平面跑道形的形状，所述悬臂梁的一端与基底相连，另一端与质量块连接，悬臂梁用刻蚀形成；所述光学谐振腔被刻蚀在悬臂梁的上表面；其特点是所述输入光波导和输出光波导分别与光学谐振腔相连，在输入光波导的光学输入口设置输入光栅，在输入光波导的光学输入口设置输出光栅；所述光学谐振腔、输入光栅与输入光波导、输出光栅与输出光波导为一体。该微加速度计纵向由上而下有三层结构构成，三层结构依次由光刻技术刻蚀形成。其中：

第一层结构是所述光学谐振腔，所述光学谐振腔为平面跑道形形状，采用对光有良好折射率的材料，光学输入端与输出端，即输入光波导和输出光波导均利用光刻法刻蚀在光学谐振腔两侧，并且利用电子束刻蚀方式以光栅作为传输光的结构；

第二层结构是所述悬臂梁，所述悬臂梁几何形状为长而薄的长方体，采用半导体材料，，悬臂梁是由正面刻蚀和反面深刻蚀技术形成的；

第三层结构为基底，所述基底几何形状为长方体，采用半导体材料。

本发明的基于集成输入输出端的光学谐振腔微加速度计是利用现代MEMS加工技术制成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下实质性特点和显著地有益效果：

1、采用光学谐振腔、光学输入端与输出端集成在一起结构，彻底改变了以往光学谐振腔需要通过外部光波导，利用非倏逝波的耦合方式，不再依赖倏逝波的产生和传输，降低了制造工艺的要求，提高了耦合效率，进而增加了测量精度。

2、采用光学谐振腔为平面跑道形形状，输入光波导、输出光波导与谐振腔成为一体，使得平面跑道形平行两侧均为耦合区域，增加了耦合长度。

3、采用的光学谐振腔为平面跑道形形状，此光学谐振腔的长度可与悬臂梁长度基本相同，增加了光学谐振腔发生形变后的相位积累，提高测量灵敏度。

4、光学谐振腔的光学输入与输出端采用了光栅结构，利用垂直耦合方式，改变了以往光源与光波导直接对接的耦合方式，克服了耦合效率低，模式匹配难的缺点。