一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术属于微机电系统和微惯性器件技术领域，具体涉及一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，包括输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线、质量块、悬臂梁、支撑结构，所述弯曲硅纳米线固定在质量块上，所述弯曲硅纳米线的一端与输入硅纳米线耦合，所述弯曲硅纳米线的另一端与输出硅纳米线耦合，所述质量块通过悬臂梁与支撑结构连接，所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线均固定在支撑结构上。本发明专利技术基于光学原理，通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点；根据微纳波导倏逝场耦合原理，极其微小的位移将会引起耦合效率的剧烈变化，具有很高的测量灵敏度。具有很高的测量灵敏度。具有很高的测量灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计


[0001]本专利技术属于微机电系统和微惯性器件
，具体涉及一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计。

技术介绍

[0002]受益于体积小、成本低等特点，MEMS加速度计被广泛应用于航空航天、民用消费、汽车导航等多个领域。目前，传统的MEMS加速度计主要以压阻式和电容式为主。压阻式MEMS加速度计利用半导体的压阻效应实现加速度的检测。受原理限制，此类加速度计灵敏度较低，通常用于中低精度测量应用。电容式加速度计基本原理为质量块与固定结构之间极板间距的改变引起加速度计输出电容的变化。此类加速度计，具有功耗小、灵敏度高的优点，但是易受到外界电磁干扰，且受限于寄生电容影响，灵敏度等性能受限。除此之外，电容式加速度计基于双层极板结构，要求极板间严格的装配参数。综上所述，目前传统基于压阻效应、电容效应等电学原理的MEMS加速度计，面临灵敏度难以进一步提高、易受电磁干扰、装配难度大等挑战。

技术实现思路

[0003]针对上述目前MEMS加速度计检测灵敏度低、抗电磁干扰能力差、装配难度大的问题，本专利技术提供了一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，基于硅纳米线倏逝场效应，实现不同硅纳米线间的光学能量转移。利用不同耦合结构参数下，纳米线耦合效率不同的特点，将加速度引起的质量块位移转变为不同硅纳米线间重叠长度改变量，最终通过检测输出端纳米线输出功率实现对加速度的检测。本专利技术基于光学原理，通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，包括输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线、质量块、悬臂梁、支撑结构，所述弯曲硅纳米线固定在质量块上，所述弯曲硅纳米线的一端与输入硅纳米线耦合，所述弯曲硅纳米线的另一端与输出硅纳米线耦合，所述质量块通过悬臂梁与支撑结构连接，所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线均固定在支撑结构上；所述输入硅纳米线的端面输入泵浦光，所述泵浦光耦合入输入硅纳米线中以导波方式传输，然后通过倏逝场耦合的方式导波能量从输入硅纳米线耦合入位于质量块上的弯曲硅纳米线中，在弯曲硅纳米线中传输一段距离后，同样经由倏逝场耦合入输出硅纳米线中，当输入加速度量，所述质量块与支撑结构发生相对位移，带动弯曲硅纳米线相对输入硅纳米线、输出硅纳米线发生轴向位移，弯曲硅纳米线和输出硅纳米线的位移引发重叠长度改变，从而导致耦合效率变化，通过检测输出硅纳米线输出光功率变化推算出弯曲硅纳米线位移量，进而计算出输入加速度量大小。
[0006]所述输入硅纳米线的一侧设置有半导体激光器，所述输入硅纳米线与半导体激光器之间设置有透镜，所述输出硅纳米线的一侧设置有光电探测器。
[0007]所述泵浦光的中心波长范围为1100nm至2200nm，所述泵浦光的光谱半高宽小于10nm。
[0008]所述泵浦光输入输入硅纳米线的耦合方式采用光栅衍射耦合、透镜聚焦或端面对准直接耦合，所述泵浦光输入输入硅纳米线的耦合效率>50％。
[0009]所述悬臂梁采用T形梁结构或蛇形弹簧结构，所述质量块、悬臂梁、支撑结构的材料均采用Si。
[0010]所述输入硅纳米线、弯曲硅纳米线、输出硅纳米线的截面面积小于(1/20)λ2，所述λ为泵浦光的中心波长，所述弯曲硅纳米线与输入硅纳米线、输出硅纳米线的间距小于(1/3)λ。
[0011]所述输入硅纳米线与弯曲硅纳米线的重叠长度为单个耦合周期的整数倍。
[0012]所述质量块上弯曲硅纳米线的半径大于50μm。
[0013]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0014]本专利技术利用纳米线间耦合效率随重叠长度呈正弦变化的特性，通过检测纳米线输出光功率检测质量块位移量，从而推算输入加速度量。本专利技术基于光学原理，通过检测波导中光功率变化实现加速度检测，具有免疫电磁干扰和外界环境光干扰的特点；根据微纳波导倏逝场耦合原理，极其微小的位移将会引起耦合效率的剧烈变化，具有很高的测量灵敏度。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的结构示意图；
[0016]图2为本专利技术的另一结构示意图；
[0017]图3为本专利技术的耦合区域放大图；
[0018]图4为本专利技术的机械灵敏度图；
[0019]图5为本专利技术的硅纳米线倏逝场耦合的光强分布图；
[0020]图6为本专利技术的耦合效率随硅纳米线重叠长度的函数变化关系图
[0021]其中：1为输入硅纳米线，2为弯曲硅纳米线，3为输出硅纳米线，4为质量块，5为悬臂梁，6为支撑结构，7为半导体激光器，8为透镜，9为光电探测器。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0024]一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，如图1所示，包括输入
硅纳米线1、弯曲硅纳米线2、输出硅纳米线3、质量块4、悬臂梁5、支撑结构6，弯曲硅纳米线2固定在质量块4上，弯曲硅纳米线2的一端与输入硅纳米线1耦合，弯曲硅纳米线2的另一端与输出硅纳米线3耦合，质量块4通过悬臂梁5与支撑结构6连接，输入硅纳米线1、弯曲硅纳米线2均固定在支撑结构6上；输入硅纳米线1的端面输入泵浦光，泵浦光耦合入输入硅纳米线1中以导波方式传输，然后通过倏逝场耦合的方式导波能量从输入硅纳米线1耦合入位于质量块4上的弯曲硅纳米线2中，在弯曲硅纳米线2中传输一段距离后，同样经由倏逝场耦合入输出硅纳米线3中，当输入加速度量，质量块4与支撑结构6发生相对位移，带动弯曲硅纳米线2相对输入硅纳米线1、输出硅纳米线3发生轴向位移，弯曲硅纳米线2和输出硅纳米线3的位移引发重叠长度改变，从而导致耦合效率变化，通过检测输出硅纳米线3输出光功率变化推算出弯曲硅纳米线2位移量，进而计算出输入加速度量大小。
[0025]进一步，如图2所示，输入硅纳米线1的一侧设置有半导体激光器7，输入硅纳米线1与半导体激光器7之间设置有透镜8，输出硅纳米线3的一侧设置有光电探测器9。
[0026]进一步，泵浦光的中心波长范围为1100nm至2200nm，泵浦光的光谱半高宽小于10nm。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，其特征在于：包括输入硅纳米线(1)、弯曲硅纳米线(2)、输出硅纳米线(3)、质量块(4)、悬臂梁(5)、支撑结构(6)，所述弯曲硅纳米线(2)固定在质量块(4)上，所述弯曲硅纳米线(2)的一端与输入硅纳米线(1)耦合，所述弯曲硅纳米线(2)的另一端与输出硅纳米线(3)耦合，所述质量块(4)通过悬臂梁(5)与支撑结构(6)连接，所述输入硅纳米线(1)、弯曲硅纳米线(2)均固定在支撑结构(6)上；所述输入硅纳米线(1)的端面输入泵浦光，所述泵浦光耦合入输入硅纳米线(1)中以导波方式传输，然后通过倏逝场耦合的方式导波能量从输入硅纳米线(1)耦合入位于质量块(4)上的弯曲硅纳米线(2)中，在弯曲硅纳米线(2)中传输一段距离后，同样经由倏逝场耦合入输出硅纳米线(3)中，当输入加速度量，所述质量块(4)与支撑结构(6)发生相对位移，带动弯曲硅纳米线(2)相对输入硅纳米线(1)、输出硅纳米线(3)发生轴向位移，弯曲硅纳米线(2)和输出硅纳米线(3)的位移引发重叠长度改变，从而导致耦合效率变化，通过检测输出硅纳米线(3)输出光功率变化推算出弯曲硅纳米线(2)位移量，进而计算出输入加速度量大小。2.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导倏逝场耦合的单片式光学MEMS加速度计，其特征在于：所述输入硅纳米线(1)的一侧设置有半导体激光器(7)，所述输入硅纳米线(1)与半导体激光器(7)之间设置有透镜(8)，所述输出硅纳米线(3)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛晨光，张钟瑶，李孟委，金丽，范长江，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：