一种基于高Q值腔光力冷却系统的MEMS加速度传感器

一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器
技术领域
1.本发明属于微机械惯性仪表技术领域，更具体地，涉及一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器。


背景技术：

2.mems加速度传感器作为一种惯性测量元件，具有体积小、成本低、功耗小和高集成化的优点，目前已有较为深入的研究与广泛的应用，涉及诸多领域，例如消费电子、惯性导航、振动冲击和运动监测等。与目前主流的电容式加速度传感器相比，光学mems加速度传感器具有高位移检测灵敏度、高带宽、微型化和低功耗等优势，而且不受外界电磁环境干扰。然而，加速度传感器在较大的带宽下，难以同时拥有高分辨率，机械热噪声将成为主要噪声。
3.专利cn103175992a公开了一种微光学加速度传感器，包括光源、光栅、mems传感机构和光电探测器。mems传感机构包括质量块和悬臂梁，质量块朝向光栅的一面为光反射面，光栅反射的光束和质量块反射的光束形成干涉，并根据光电探测器的信号得到相应的加速度信号。该发明利用了光学干涉实现了高灵敏度的加速度传感，但该发明的加速度分辨率仍受机械热噪声限制。因此，为进一步提高光学加速度传感器的分辨率性能，需克服机械热噪声的限制。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，旨在解决传统光学加速度传感器测量分辨率受结构机械热噪声限制的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，包括光力学传感单元和光学检测单元，所述光力学传感单元包括平行间隔设置的弹簧振子结构和mems凹面镜，所述弹簧振子结构包括质量块、悬浮梁和外框架，所述质量块通过悬浮梁连接外框架，所述质量块和mems凹面镜之间构成传感作用的平凹型f-p腔；所述光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件；
6.其中，所述调制光路用于调制入射的1550nm激光波长，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点；所述传输光路用于将确定波长后的激光传输至光力学传感单元；所述光力学传感单元用于将外界加速度激励转换为质量块的位移，并通过平凹型f-p腔进行多光束干涉位移测量，然后将携带加速度信息的反射光通过传输光路发送至光电探测部件进行加速度测量；其中，所述激光频率ω
l
红失谐与平凹型f-p腔的腔共振频率ωc设置为：ω
l-ωc＜0，所述平凹型f-p腔的腔共振频率由平凹型f-p腔的腔长决定。
7.本发明提供的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，具有如下效果：(1)利用传感f-p腔的腔的多光束干涉进行加速度传感，激光波长失谐锁定谐振峰一侧，具有极高的加速度检测灵敏度；(2)利用腔光力学效应对机械振子进行光力冷却，能够降低机
械热噪声，有效提高加速度传感器分辨率。
8.在其中一个实施例中，所述mems凹面镜的凹面和弹簧振子结构朝向mems凹面镜的一面均设有二维光子晶体反射膜。
9.在其中一个实施例中，所述mems凹面镜背向质量块的一面镀有增透膜。
10.在其中一个实施例中，所述mems凹面镜采用mems各向同性湿法刻蚀工艺，在单晶硅片上刻蚀一定深宽比的半球形凹面腔体。
11.在其中一个实施例中，所述半球形凹面腔体的半球形深度与曲率半径比值为0.47～0.53，其中，深度为290～310μm，曲率半径为590～610μm。
12.在其中一个实施例中，所述弹簧振子结构采用二维声子晶体结构，所述质量块设置在二维声子晶体结构的缺陷中。
13.在其中一个实施例中，所述弹簧振子结构由soi硅片mems工艺制造而成，在soi结构中的器件层制作悬浮梁，用于维持质量块保持面外方向运动。
14.在其中一个实施例中，采用双片soi工艺键合的方式制备双面对称分布的悬浮梁结构。
15.在其中一个实施例中，所述调制光路采用1550nm单频激光器、电光调制器和光纤衰减器；所述传输光路采用光纤环形器和光纤准直器；所述光电探测部件采用光电探测器。
16.在其中一个实施例中，所述光学检测单元还包括光谱仪，所述光谱仪用于实时检测所述电光调制器调制后的激光波长。
附图说明
17.图1是本发明一实施例提供的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器中的平凹型f-p腔的结构示意图；
18.图2是本发明提供的加速度传感器多光束干涉传感曲线示意图；
19.图3是本发明提供的加速度传感器光学传感原理图；
20.图4是本发明提供的加速度传感器光力冷却原理图；
21.图5是本发明一实施例提供的加速度传感器光学检测框图。
22.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为入射光，2为干涉光的反射输出，3为mems凹面镜，4为mems弹簧振子结构，5为增透膜，6为二维光子晶体反射膜，7为多光束干涉曲线，8为谐振峰，9为激光波长，10为传感f-p腔谐振峰，11为加速度激励下的谐振峰频移，12为光学检测的工作点，13为传感f-p腔谐振频率，14为激光频率，15为斯托克斯散射频率，16反斯托克斯散射频率，17为1550nm单频激光器，18为电光调制器，19为光谱仪，20为光纤衰减器，21为光纤环形器，22为光纤准直器，23为f-p腔传感单元，24为光电探测器，25为信号采集端。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.为解决传统光学加速度传感器测量分辨率受结构机械热噪声限制的问题，本发明
提供了一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，该mems加速度传感器包括光力学传感单元和光学检测单元。
25.如图1所示，光力学传感单元包括平行间隔设置的弹簧振子结构4和mems凹面镜3，弹簧振子结构4包括质量块、悬浮梁和外框架，质量块通过悬浮梁连接外框架，质量块和mems凹面镜之间构成传感作用的平凹型f-p腔(也称传感f-p腔)。光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件。
26.在本实施例中，调制光路可采用1550nm单频激光器和电光调制器，用于产生1550nm波长的激光，并对该波长的激光进行调制，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点。传输光路可采用光纤环形器和光纤准直器，用于将确定波长后的激光传输至光力学传感单元。光力学传感单元用于将外界加速度激励转换为质量块的位移，并通过平凹型f-p腔进行多光束干涉位移测量，然后将携带加速度信息的反射光通过传输光路发送至光电探测部件(比如光电探测器)进行加速度测量。
27.可以理解的是，本实施例提到的携带加速度信息的反射光实际上指的是光力学传感单元输出光强度，在外界加速度激励下，谐振峰会产生频移，由于激光波长固定不变，输出光强度将发生改变，光电探测部件则根据该光强变化完成对外界加速度的测量。
28.相比于传统加速度传感器采用光栅和mems传感机构的结构，本实施例提供的光力学传感单元采用一个弹簧振子结构4耦合到一个传感f-p腔的结构，振子运动将影响腔内光场，而传感f-p腔能够共振增强腔内光场的力学效应，变化的光力将调控振子运动。在此基础上，本实施例利用光力冷却机械振子的布朗热运动，原理类似于离子的边带冷却，频率ω
l
的光子与频率ω0的振动声子散射为两个边带，分别为斯托克斯边带(ω
l-ω0)和反斯托克斯边带(ω
l
+ω0)，前者物理表征为光场将能量传给机械振子，机械振子被加热；后者表征为机械振子将能量传递给光场，机械振子被冷却。对此，本实施例通过设置激光频率ω
l
红失谐与腔共振频率ωc(即δ＝ω
l-ωc＜0)，反斯托克斯过程被腔共振加强，斯托克斯过程被腔共振减弱，因此，总的物理效果表现为机械振子被冷却。
29.其中，斯托克斯散射概率用a
+
表示，反斯托克斯散射概率用a-表示，表达式如下：
30.a
+
＝g2κ/(κ2/4+(δ-ω0)2)
31.a-＝g2κ/(κ2/4+(δ+ω0)2)
32.其中，g为光力耦合率，κ为光学腔的耗散率。在红失谐条件下，光力冷却在物理上表现为光场对机械振子施加了光学阻尼г
opt
，阻尼表达为：
33.г
opt
＝a-‑a+
34.光力冷却后，机械振子的有效温度t
eff
＝t
×
г0/(г0+г
opt
)，г0＝ω0/q0为机械振子的耗散率。由于大带宽的加速度传感器的分辨率主要受机械热噪声限制，而热噪声与其工作温度有关a
th
＝(4kbt
eff
×
г0/m)-1/2
，kb为玻尔兹曼常数，m为机械振子质量。因此，为降低机械热噪声，一方面应提高弹簧振子结构的品质因数q0值，降低г0，另一方面，设置合理的系统参数，使光学阻尼г
opt
最大，降低t
eff
。
35.传感中，加速度传感器在外界加速度作用下，弹簧振子机械结构产生面外运动位移，改变了f-p腔腔长，当激光频率失谐锁定在光学微腔共振频率，腔内干涉条件随之改变，导致反射或透射强度发生变化。通过此传感机理，将敏感轴方向加速度转换为力学振子的位移，再通过光学检测方式读出，实现对加速度信号的光学检测。
36.弹簧振子谐振器将加速度信号转换为位移信号，传递函数可以从力学响应得到，力学响应函数为：
[0037][0038]
加速度a和位移x的传递函数为：
[0039][0040]
位移信号通过f-p腔多光束干涉位移测量方案测量，利用干涉峰边带斜率高的特点，将激光频率锁定在干涉峰边带斜率处，如图3所示，可将位移信号转化为光信号。光信号最终通过光电探测器转化为可以直接读出的电压信号，v＝s
vpspx
ga，s
vp
为光电探测器转换增益，s
px
为干涉峰边带斜率，g为弹簧振子谐振器的力学传递函数，a为外界加速度信号。
[0041]
本实施例提供的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，具有如下效果：(1)利用传感f-p腔的腔的多光束干涉进行加速度传感，激光波长失谐锁定谐振峰一侧，具有极高的加速度检测灵敏度；(2)利用腔光力学效应对机械振子进行光力冷却，能够降低机械热噪声，有效提高加速度传感器分辨率。
[0042]
为了更进一步地说明本发明实施例提供的加速度传感器，现结合附图以及具体实例详述如下：
[0043]
本实施例提供了一种加速度传感器的腔光力耦合系统如图1所示，入射光1正入射到mems凹面镜3和mems弹簧振子结构4组成的平凹型f-p腔内发生多光束干涉，反射光谱2作为传感的光学输出。
[0044]
其中，mems凹面镜3背向mems弹簧振子结构4的一面镀有增透膜5，增透膜5有助于光进入f-p腔。mems凹面镜3的凹面和弹簧振子结构的内表面均设有二维光子晶体反射膜6，利用光子禁带效应，光束无法通过光子晶体，从而反射回去，具有较高的反射率，能够提高腔品质因数(q值)，极大地增加光力耦合率。
[0045]
本实施例提供的加速度传感利用了f-p腔多光束干涉如图2所示，对于确定腔长的f-p腔，其光谱特征的干涉曲线7是由一系列谐振峰8组成。传感过程中，选取1550nm附近谐振峰，如图3所示，将激光波长9失谐锁定谐振峰10一侧的工作点12，当外界加速度激励下，谐振峰产生频移11，由于激光波长固定不变，输出光强度将发生改变，从而完成加速度感测。
[0046]
光力冷却效应如图4所示，由于高品质因数f-p腔加强了光场的力学效应，激光频率14将被机械振子散射为两个边带，斯托克斯边带15和反斯托克斯边带16，物理上分别对应加热机械振子和冷却机械振子。在上述谐振峰13与激光波长14的失谐条件下，反斯托克斯散射发生概率大于斯托克斯散射，因此，机械振子得以冷却。
[0047]
光学测量单元如图5所示，1550nm单频激光器17作为传感光源，电光调制器18能够在小范围调节光路中激光的波长，便于激光波长失谐锁定腔谐振峰。光谱仪19用来实时检测光路中的光波长，光纤衰减器20用于调节光路中光强度，光纤环形器21和光纤准直器22一起将光入射到传感f-p腔23进行传感并收集携带加速度信息的反射光，送至光电探测器24，通过信号采集端25进行记录和分析。
[0048]
进一步地，mems凹面腔3可采用mems各向同性湿法刻蚀工艺，在单晶硅片上刻蚀一
定深宽比的半球形凹面腔体。半球形腔体一方面能够增加对光场的限制能力，增加传感灵敏度；另一方面，能够降低f-p腔两个端镜平行安装的要求。具体地，半球腔的深度与曲率半径比值应在0.5左右(0.47～0.53)，其中，深度应在300μm左右(290～310μm)，曲率半径在600μm左右(590～610μm)，该设计能够在加工误差大的情况下，仍保持mems凹面镜3和质量块的光束腰匹配。
[0049]
进一步地，弹簧振子结构4通过几根悬浮梁连接外框架和质量块，其整体可采用由soi硅片mems工艺制造而成，在soi结构中的器件层制作悬浮梁，能够维持质量块保持面外方向运动。其中，soi是三层结构：较薄的器件层、中间氧化层、较厚的衬底层，比例为：100um：2um：500um。
[0050]
更进一步地，悬浮梁在连接点处特殊处理，降低连接点的耗散。
[0051]
更进一步地，采用双片soi工艺键合的方式制备双面对称分布的悬浮梁结构，增加弹簧振子结构的模态抑制比。
[0052]
更进一步地，弹簧振子结构采用二维声子晶体结构，质量块放置于二维声子晶体结构的缺陷中，利用声子禁带效应，将弹簧振子频率设计在禁带内，能够提高弹簧振子结构4的品质因数。
[0053]
总体而言，通过本发明所述的以上技术方案与现有技术相比具有以下有益效果：(1)利用传感f-p腔的多光束干涉进行加速度传感，激光波长失谐锁定谐振峰一侧，具有极高的加速度检测灵敏度；(2)利用腔光力学效应对机械振子进行光力冷却，能够降低机械热噪声，提高加速度传感器分辨率；(3)本发明加速度传感器传感单元由mems工艺制造、封装，体积小，可批量化生产，能够满足更多应用场景需求。
[0054]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，包括光力学传感单元和光学检测单元，所述光力学传感单元包括平行间隔设置的弹簧振子结构和mems凹面镜，所述弹簧振子结构包括质量块、悬浮梁和外框架，所述质量块通过悬浮梁连接外框架，所述质量块和mems凹面镜之间构成传感作用的平凹型f-p腔；所述光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件；其中，所述调制光路用于调制入射的1550nm激光波长，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点；所述传输光路用于将确定波长后的激光传输至光力学传感单元；所述光力学传感单元用于将外界加速度激励转换为质量块的位移，并通过平凹型f-p腔进行多光束干涉位移测量，然后将携带加速度信息的反射光通过传输光路发送至光电探测部件进行加速度测量；其中，所述激光频率ω
l
红失谐与平凹型f-p腔的腔共振频率ω
c
设置为：ω
l-ω
c
＜0，所述平凹型f-p腔的腔共振频率由平凹型f-p腔的腔长决定。2.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述mems凹面镜的凹面和弹簧振子结构朝向mems凹面镜的一面均设有二维光子晶体反射膜。3.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述mems凹面镜背向质量块的一面镀有增透膜。4.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述mems凹面镜采用mems各向同性湿法刻蚀工艺，在单晶硅片上刻蚀一定深宽比的半球形凹面腔体。5.根据权利要求4所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述半球形凹面腔体的半球形深度与曲率半径比值为0.47～0.53，其中，深度为290～310μm，曲率半径为590～610μm。6.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述弹簧振子结构采用二维声子晶体结构，所述质量块设置在二维声子晶体结构的缺陷中。7.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述弹簧振子结构由soi硅片mems工艺制造而成，在soi结构中的器件层制作悬浮梁，用于维持质量块保持面外方向运动。8.根据权利要求7所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，采用双片soi工艺键合的方式制备双面对称分布的悬浮梁结构。9.根据权利要求1所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述调制光路采用1550nm单频激光器、电光调制器和光纤衰减器；所述传输光路采用光纤环形器和光纤准直器；所述光电探测部件采用光电探测器。10.根据权利要求9所述的基于高q值腔光力冷却系统的mems加速度传感器，其特征在于，所述光学检测单元还包括光谱仪，所述光谱仪用于实时检测所述电光调制器调制后的激光波长。

技术总结
本发明公开了一种基于高Q值腔光力冷却系统的MEMS加速度传感器，包括光学检测单元及平行间隔设置的弹簧振子结构和MEMS凹面镜，弹簧振子结构和MEMS凹面镜之间构成传感作用的平凹型F-P腔，其高Q值特性利用声子晶体制备高机械Q值的弹簧振子结构，利用光子晶体反射膜实现高光学Q值得F-P腔；光学检测单元用于调制入射的1550nm激光波长，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点，激光频率ω


技术研发人员：刘骅锋 焦世民 马怡秋 周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/20