[发明专利]一种微光学加速度计

说明书

本发明公开了一种微光学加速度计，由上层的光收发模块，中间层的异构集成腔光力加速度敏感芯片以及下层的保护封盖封装在陶瓷基底上得到，还有间隔键合层，光收发模块由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板以及激光器芯片和探测器芯片组成，异构集成腔光力加速度敏感芯片由多个光子晶体波导、MEMS敏感结构、光力传感结构以及谐振光栅耦合器组成，保护封盖为二氧化硅盖板，陶瓷基底带有金属焊盘；本发明集成了多级差分探测结构，抑制了激光器，探测器，MEMS机械振子敏感结构，拉链腔式腔光力传感等多种共模噪声，比现有的光学式加速度计具备更低的本底噪声，从而能够实现更高精度的加速度测量。

技术领域

本发明属于微光机电系统及加速度传感器（微惯性测量）技术领域，特别是涉及一种可敏感平面内加速度的腔光力微光学加速度计。

背景技术

由于受限于传统的电学测量方式限制，常规的如压阻、电容式MEMS在测量灵敏度和噪声等指标上已遇到瓶颈，无法满足高精度惯性导航等应用领域的需求。近年来，基于光学检测和MEMS工艺的光学MEMS（微光学）加速度计正逐渐走向人们的视野。MEMS工艺技术为微光学加速度计的实现提供了良好的工艺基础，另一方面光学检测方案采用了诸如光强、频率、相位以及近场效应等光学检测手段实现敏感单元的位移检测，能够提供比传统电学检测方案更为优异的位移检测分辨率。微光学加速度计具有小型化、高精度、抗电磁干扰等一系列优点，随着光子集成设计及工艺的进一步发展，微光学加速度计将会成为新一代高精度加速度计的代表。

近年来，国内外的研究机构开始对微光学加速度计进行了一定的研究。2009年，加州理工学院的Eichenfield等人实现了pg量级质量和nm级尺度的光子晶体光机械腔体，报道称其能够实现高精度的力及位移探测。2012年，同为加州理工学院的 Krause等人改进了此方案，提出了拉链式光子晶体光机械腔体式加速度计，这种微光学加速度计拥有很高的Q（～4106）值和带宽（～20 kHz），其位移测量精度也可以突破标准量子极限达到4 ，不过由于质量块的尺寸较小，该加速度计的噪声等效加速度仅达到10 ，且由于工艺受限，该方案最终并未实现实际的加速度计集成。随着对微机械加速度计性能的要求不断提高，对于惯导级高精度(优于1ug)的微加速度计的需求愈加迫切，而现有技术中的微光学加速度计探测灵敏度较低，工艺集成度较差，尚无法满足需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直集成光电封装的微光学加速度计，解决现有技术中存在的探测灵敏度较低，工艺集成度较差等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微光学加速度计，由上层的光收发模块，中间层的异构集成腔光力加速度敏感芯片以及下层的保护封盖封装在陶瓷基底上得到，上中下三层结构通过键合工艺垂直封装成“三明治”式封装结构，所述的光收发模块和异构集成腔光力加速度敏感芯片之间以及异构集成腔光力加速度敏感芯片和保护封盖之间均设置有相应的间隔键合层以实现所需的高度间隙；所述的光收发模块由带有金属引线的氮化铝陶瓷基板以及位于氮化铝陶瓷基板指定位置的多个激光器芯片和探测器芯片组成；所述的异构集成腔光力加速度敏感芯片由多个光子晶体波导、位于光子晶体波导中心区域用于敏感面内加速度的MEMS敏感结构、位于MEMS敏感结构两侧用于敏感微小位移变化的光力传感结构以及位于MEMS敏感结构两侧的谐振光栅耦合器等结构组成，光力传感结构9能够对输入/输出光力传感结构9的激光光强形成调制；所述的保护封盖为二氧化硅盖板；所述的陶瓷基底带有金属焊盘。

所述的一种微光学加速度计，其激光器芯片及探测器芯片构成激光探测芯片组，多个激光探测芯片组对称分布在氮化铝陶瓷基板上，每个激光探测芯片组包含一个激光器芯片及对称分布在氮化铝陶瓷基板上的两个探测器芯片，所有的激光器芯片共同由一个电极驱动，对称分布的两个探测器芯片形成一级差分探测结构，用以减小激光器相对强度噪声，对称分布的多个不同激光探测芯片组形成二级差分探测结构，进一步减少系统噪声。