[发明专利]基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法

说明书

一种基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，涉及微光机电系统(MOEMS)中的惯性器件领域。该传感器包括含有空腔(20)的基底(10)，空腔(20)上表面为一层薄膜(30)；薄膜(30)下方附着有一个质量块(40)；顶层刻蚀有相互耦合的两组直波导(60)和四个微环谐振腔(50)，其中四个微环谐振腔(50)均位于空腔(20)上方的薄膜(30)上；直波导(60)则位于基底(10)上，每个直波导(60)具有一个入射端和两个出射端，每一个微环谐振腔(50)分别与一个出射端相耦合。该加速度计通过检测各个微环谐振腔谐振峰的改变来测量三个不同方向的加速度分量。

技术领域

本发明涉及了一种MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，属于微光机电系统(MOEMS)中的惯性器件领域。

背景技术

微机械加速度传感器的种类很多，发展也很快，在航天航空、振动传感、汽车工业等方面有着广泛应用。传统微机电加速度传感器的工作原理主要有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、微机械热对流式和微机械谐振式等，其中所设置的敏感单元大多使用集成电容或是压敏电阻等。加速度计的灵敏度和性能受到这些敏感元件的限制，不容易提高。

随着微光机电系统的发展，许多领域如航空航天器的自动驾驶系统对加速度计的精度提出了更高要求。微环谐振器是一种微腔结构，具有高品质因数、结构紧凑、抗干扰性强等优点。引入这种高精度、高敏感度的敏感单元，可以由此设计出高集成度、高性能且低功耗的加速度计。

现有基于微环谐振腔的加速度计多为悬臂梁结构，而这种结构的加速度计往往为单轴，只能测量Z轴的加速度。

发明内容

本公开提供一种基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器及其制备方法，该三轴加速度传感器具有较高灵敏度和精度，解决集成电容和压敏电阻的低灵敏度和低分辨率问题以及悬臂梁加速度计测量轴数的限制。

本公开的至少一个实施例提供一种加速度传感器，包括含有空腔的基底以及相互耦合的两组直波导和四个微环谐振腔，空腔上方为一层薄膜，薄膜下方附着有质量块，四个微环谐振腔均位于空腔上方的薄膜上，且围绕薄膜的中心呈圆周阵列，相邻微环谐振腔间距为90°，直波导位于所述基底上，每个直波导具有一个入射端和两个出射端，每一个微环谐振腔分别与一个出射端相耦合。

在直波导中传输的光以倏逝场的形式耦合进微环谐振腔，若光满足微环谐振腔的谐振条件，则会发生谐振，此时出射端特定频率的光强度减弱。当系统受外力而存在加速度时，质量块受到惯性力作用而引起薄膜的应变，导致微环谐振腔产生形变，由此会改变微环谐振腔的折射率，进而使其谐振峰发生偏移。

本发明的特别之处在于它使用了四个微环谐振腔以及质量块的结构，通过质量块受到的惯性作用使薄膜产生应变，再测量X轴及Y轴正负方向上薄膜应变导致的谐振峰偏移；由此，获得四个三元方程，可以解出三轴方向上的加速度分量。由于微环谐振腔谐振峰偏移对于薄膜的应变十分敏感，因此可以制作成高灵敏度、高分辨率的加速度计。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本公开一实施例提供的基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器示意图。

图2为本公开一实施例提供的基于微环谐振腔的MOEMS三轴加速度传感器顶部结构示意图。

图3为图2所示的速度传感器中截面1处的剖视图。

图4为本公开一实施例提供的基底及刻蚀的空腔示意图。

图5为本公开一实施例提供的基底的空腔沉积牺牲层后示意图。

图6为本公开一实施例提供的牺牲层中刻蚀凹槽后示意图。

图7为本公开一实施例提供的牺牲层凹槽中沉积材料形成质量块后示意图。