[发明专利]一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法

说明书

本发明属于光学领域和微机电系统领域，具体为一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。加速度计包括：基底、悬臂梁、光栅、直波导和微环谐振腔。该加速度计的基本工作原理：首先入射光通过光栅耦合进直波导，在直波导中传输的光以倏式场的形式耦合进微环谐振腔，满足谐振条件的光在微环谐振腔内发生谐振产生与之相对应的透射峰。当系统受外力冲击时，在加速度的作用下，悬臂梁受惯性力的作用发生形变，使集成在悬臂梁上的微环谐振腔产生微小的变形，进而使微环谐振腔的有效折射率改变，导致微环谐振腔腔的谐振峰发生偏移，通过测量谐振点产生的偏移量，就可以对相应的加速度值进行标定。

技术领域

本发明属于光学领域和微机电系统领域，具体为一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。

背景技术

加速度计现已广泛应用于汽车工业、机器人、可穿戴设备、工程测振、地质勘探、导航系统、航空航天等多种领域，凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都会用到加速度计。当今在微电子机械系统（MEMS）技术不断进步的条件下，加速度计的研发取得了巨大的进步，体积不断减小，灵敏度、稳定性、抗干扰能力不断提高，各种微小型的加速度计已得到了广泛的商业化应用。伴随着微光机电系统（MOEMS）的发展，许多领域如潜艇的惯性导航系统、卫星姿态控制，对加速度计的精度提出了更高的要求。高精度微光机电加速度计是一种基于光学技术和MEMS制造技术的新型加速度计，由于其体积小、功耗低、易于集成等优点在航空、航天自动驾驶与高技术武器的高精度制导领域具有非常大的研究潜力。将光学微腔的高Q值、高精细度、高敏感等特性用于高精度微光机电加速度计的研究，可解决航空航天事业对惯性导航与制导系统高精度加速度计的瓶颈问题。悬臂梁式加速度计的悬臂梁上设置的敏感单元多为集成电容、压敏电阻等，通过检测敏感单元的电压或电流变化测量质量块的位移。但是基于这些敏感元件的悬臂梁式加速度计其分辨率、灵敏度等性能参数不易提高。

发明内容

本发明为了解决基于集成电容、压敏电阻的悬臂梁式加速度计分辨率、灵敏度等性能参数不易提高的问题，提供了一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计及其制造方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于平面环形腔的MOEMS加速度计，包括SOI片，SOI片中的衬底硅作为基底，在基底的一侧刻蚀有悬臂梁，顶层硅上刻蚀有相互耦合的直波导和环形跑道状的微环谐振腔，其中微环谐振腔位于悬臂梁上，直波导的入射端和出射端都还刻蚀有光栅。

在直波导中传输的光以倏式场的形式耦合进微环谐振腔，满足谐振条件的光在微环谐振腔内发生谐振。当系统受外力作用时，在加速度的作用下，悬臂梁受惯性力的作用发生形变，使集成在悬臂梁上的微环谐振腔产生微小的变形，进而使微环谐振腔的有效折射率改变，导致微环谐振腔的谐振峰发生偏移，通过测量谐振点产生的偏移量，就可以标定相应的加速度值；本发明中，光栅、直波导、微环谐振腔和悬臂梁集成在一起，这种一体式的结构有助于减少由分离元器件互相连接耦合造成的损耗；悬臂梁上采用了环形跑道状的微环谐振腔，增加了谐振腔的长度，提高了加速度计的灵敏度；加速度计所用材料为硅-二氧化硅-硅SOI片。

基于平面微环谐振腔的悬臂梁式加速度计以微环谐振腔作为敏感元件，当受外力作用时，微环谐振腔的折射率发生变化，导致微环谐振腔中的光程发生变化，引起光波导透射谱的共振峰发生偏移，通过光电转换器将光信号转换成电信号，分析电信号的变化即可得到悬臂梁所受加速度的变化情况。由于微环谐振腔对悬臂梁的微弱变化非常敏感，所以可用于制作高灵敏度、高分辨率的加速度计。

上述的基于平面环形腔的MOEMS加速度计的制造方法，包括以下步骤：

第一步：选取SOI片并对SOI片进行预处理，消除SOI片中存在的残余应力，减少由于残余应力而造成的结构损坏，提高成品率；

第二步：在预处理后的SOI片上涂覆光刻胶；