基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法技术

本发明专利技术一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法，由一个旋转折叠梁‑质量块‑硅外框的加速度位移敏感结构和一个由纳米光学谐振腔、激光器、光隔离器、分光棱镜、两个光电探测器探测组成的位移测量机构组成，其中纳米光学谐振腔包含一个覆盖银膜的亚波长硅光栅、一层空气间隙和一个覆盖银膜的硅基底。本发明专利技术利用旋转折叠梁的弹性结构实现了高加速度‑位移灵敏度、低离轴串扰的面内加速度位移转换，通过纳米光学谐振腔实现了超高灵敏度的位移测量，两者结合实现了高测量灵敏度的面内加速度测量；本发明专利技术加速度位移敏感结构和纳米光学谐振腔均由单片绝缘体上硅晶圆制成，因此本发明专利技术可实现大规模、低成本和高精度的面内加速度测量。

In-plane accelerometer and method based on rotating folded beam and nano optical resonator

【技术实现步骤摘要】
基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法
本专利技术属于加速度计领域，具体涉及一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法。
技术介绍
目前微光学加速度计的测量原理通常是基于光的波动性，即通过加速度敏感结构将加速度转化为位移信号，然后利用光信号的干涉、衍射效应进行位移测量。但是基于光的波动性的位移测量受光波长的限制，无法突破光的衍射极限，因此位移和加速度的测量精度受到光波长的限制。虽然可以通过电子细分、调制解调等方式将位移测量精度提升至λ/100甚至更高从而实现μg级别的加速度测量精度，但是各种细分方式的引入也会增加加速度计的系统复杂度和成本，并且对于微光学加速度计而言，细分对理论极限灵敏度和精度的提升并无帮助。利用伍德异常和近场光学谐振增强等手段可以突破光学标量衍射的极限，将位移测量的灵敏度提升至皮米甚至飞米量级[DWC,JPS,TAF.Laterallydeformablenanomechanicalzeroth-ordergratings:anomalousdiffractionstudiedbyrigorouscoupled-waveanalysis[J].OptLett,2003,28(18):1636-8.]，从而将加速度测量的灵敏度提升至ng/rtHz量级[KEELERBEN,BOGARTGR,CARRDW.LaterallydeformableopticalNEMSgratingtransducersforinertialsensingapplications；proceedingsoftheNanofabrication:Technologies,Devices,andApplications,F,2005[C].]。但是，现有的近场光学谐振结构通常是由两组可动的亚波长光栅以及多种材料的多介质吸收结构组成的，一般包括三种甚至更多种材料，并且包含悬空的复杂结构，这就导致其加工难度极大，良品率也不高；另外，现有的近场光学谐振结构的光强加速度灵敏度都在1.5％/mg以下，很难实现超高灵敏度和精度的加速度测量。例如美国Sandia实验室的Dustin等人提出的光纳米机电位移传感器由两个可动纳米光栅、空气间隙和基底组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，基底材料为二氧化硅和氮化硅；又比如王晨等人提出的光栅组加速度计[中国专利号为CN201510036416的专利“光栅组微机械加速度传感器及其测量加速度的方法”]，同样由两组可动亚波长光栅、空气间隙和基底组成，可动光栅的材料为单晶硅，基底材料为二氧化硅和氮化硅；Rogers[ROGERSAAA,KEDIAS,SAMSONS,etal.Verificationofevanescentcouplingfromsubwavelengthgratingpairs[J].AppliedPhysicsB-LasersandOptics,2011,105(4):833-7.]等人和北京航空航天大学的Yao等人[YaoBY；FengLS；WangX；etal.Designofout-of-planeMOEMSaccelerometerwithsubwavelengthgratings.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2014,26(10):1027–30.]提出的亚波长光栅组的微光学加速度计虽然结构相对简单，但是因为该方案的两组亚波长光栅仅用来等效一个正常的衍射光栅，因此光强加速度灵敏度仅为0.0002％/mg和0.46％/mg，远未达到超灵敏加速度测量的需求。由此可见，基于近场光学谐振腔的微光学加速度计，现有方案或结构复杂，或灵敏度不高，并且由于近场光学谐振增强对结构参数敏感，加速度敏感结构未经过优化设计，现有的方案对材料和加工工艺要求极高，存在成本高和可靠性不高的缺点。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计及方法，利用旋转折叠梁能在其胫梁方向上实现较低的弹性系数的前提下，较大程度地抵抗其他方向的扭转，纳米光学谐振腔能在降低结构和材料复杂度的同时提升位移测量灵敏度，两者结合实现了超高灵敏度和精度的加速度测量。本专利技术的技术方案是：一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面内位移传感单元；所述加速度敏感结构包括质量块、旋转折叠梁和硅外框；所述质量块通过四个旋转折叠梁固定于所述硅外框内，四个所述旋转折叠梁两两对称设置；所述质量块为长方体结构，其相对两侧分别刻蚀两个旋转折叠梁；所述旋转折叠梁包含三根胫梁和四根股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，通过股梁将所述胫梁首尾相连为仿S型结构，所述股梁与所述胫梁垂直，并与所述质量块刻蚀旋转折叠梁的侧边平行；在所述质量块中心处开有亚波长硅光栅，所述亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；所述面内位移传感单元包括激光器、光隔离器、分光棱镜、所述质量块上的亚波长硅光栅、硅基底以及覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜，所述覆盖在硅基底上的银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜；所述硅外框通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述旋转折叠梁和质量块悬空于硅基底的正上方，在亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述质量块上的亚波长硅光栅位于所述分光棱镜的正下方，同时所述亚波长硅光栅与硅基底互相平行；由覆盖了银膜的亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个纳米光学谐振腔；覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜的周期均为756±10nm，占空比均为35.4％，厚度均为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。本专利技术的进一步技术方案是：所述质量块的长宽均为5.2mm，厚度为664±10nm，与所述旋转折叠梁的厚度一致。本专利技术的进一步技术方案是：所述旋转折叠梁的三根胫梁的长度分别为25μm、28μm和28μm；四根股梁的长度均为4μm；所述胫梁和股梁宽度一致，均为0.4μm。本专利技术的进一步技术方案是：所述旋转折叠梁的胫梁与亚波长硅光栅的栅线方向一致。本专利技术的进一步技术方案是：所述激光器输出的激光波长为641nm，模式为TE模。一种加速度敏感结构和纳米光学谐振腔的制造方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：所述绝缘体上硅晶圆从上到下依次包括器件层、埋氧层和基底层；在单抛的绝缘体上硅晶圆的器件层上利用电子束曝光完成亚波长硅光栅的图形制作，利用反应离子束刻蚀工艺刻穿器件层，制作出亚波长硅光栅；步骤二：利用湿法腐蚀去除所述亚波长硅光栅图形下的绝缘体上硅晶圆的埋氧层，完成亚波长硅光栅的释放；步骤三：利用磁控溅射工艺在所述绝缘体上硅晶圆的器件层上生长一层金属银膜，由于亚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面内位移传感单元；所述加速度敏感结构包括质量块、旋转折叠梁和硅外框；所述质量块通过四个旋转折叠梁固定于所述硅外框内，四个所述旋转折叠梁两两对称设置；所述质量块为长方体结构，其相对两侧分别刻蚀两个旋转折叠梁；所述旋转折叠梁包含三根胫梁和四根股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，通过股梁将所述胫梁首尾相连为仿S型结构，所述股梁与所述胫梁垂直，并与所述质量块刻蚀旋转折叠梁的侧边平行；在所述质量块中心处开有亚波长硅光栅，所述亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；所述面内位移传感单元包括激光器、光隔离器、分光棱镜、所述质量块上的亚波长硅光栅、硅基底以及覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜，所述覆盖在硅基底上的银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜；所述硅外框通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述旋转折叠梁和质量块悬空于硅基底的正上方，在亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述质量块上的亚波长硅光栅位于所述分光棱镜的正下方，同时所述亚波长硅光栅与硅基底互相平行；由覆盖了银膜的亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个纳米光学谐振腔；覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜的周期均为756±10nm，占空比均为35.4％，厚度均为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。...

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转折叠梁和纳米光学谐振腔的面内加速度计，包括固定外框、第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，并与出射激光方向相对设置，所述第二光电探测器安装于所述第一光电探测器的下方；其特征在于：所述固定外框内设置有加速度敏感结构和面内位移传感单元；所述加速度敏感结构包括质量块、旋转折叠梁和硅外框；所述质量块通过四个旋转折叠梁固定于所述硅外框内，四个所述旋转折叠梁两两对称设置；所述质量块为长方体结构，其相对两侧分别刻蚀两个旋转折叠梁；所述旋转折叠梁包含三根胫梁和四根股梁，所述胫梁的长度大于股梁的长度，通过股梁将所述胫梁首尾相连为仿S型结构，所述股梁与所述胫梁垂直，并与所述质量块刻蚀旋转折叠梁的侧边平行；在所述质量块中心处开有亚波长硅光栅，所述亚波长硅光栅的周期为756±10nm，占空比为35.4％，厚度为664±10nm；所述面内位移传感单元包括激光器、光隔离器、分光棱镜、所述质量块上的亚波长硅光栅、硅基底以及覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜，所述覆盖在硅基底上的银膜位于亚波长硅光栅间隙正投影的下方；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上；所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，激光器的下方安装有光隔离器，光隔离器正下方设置有分光棱镜；所述硅外框通过埋氧层设置于所述硅基底上表面，将所述旋转折叠梁和质量块悬空于硅基底的正上方，在亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；保证所述质量块上的亚波长硅光栅位于所述分光棱镜的正下方，同时所述亚波长硅光栅与硅基底互相平行；由覆盖了银膜的亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个纳米光学谐振腔；覆盖于亚波长硅光栅上的银膜和覆盖于硅基底上的银膜的周期均为756±10nm，占空比均为35.4％，厚度均为194±20nm；所述空气间隙的高度为1170nm±20nm。2.根据权利要求1所述基于旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢乾波，姚远，方卫栋，白剑，王学文，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61