光子光学陀螺仪与微机电传感器的集成制造技术

本公开的各方面涉及将在平面硅平台上制造的光学陀螺仪作为光子集成电路与MEMS加速度计单片集成在同一裸片上。可由控制所述光学陀螺仪的电子电路控制所述加速度计。可在相邻波导线匝之间引入间隙以减少串扰并且提高所述光学陀螺仪的灵敏度和堆积密度。述光学陀螺仪的灵敏度和堆积密度。述光学陀螺仪的灵敏度和堆积密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光子光学陀螺仪与微机电传感器的集成


[0001]本公开涉及用于将基于光子的光学陀螺仪与基于微机电系统(MEMS)的传感器集成在同一芯片上的各种结构和制造方法。换句话讲，本公开涉及光子集成电路(PIC)(在权利要求中也称为集成光子芯片)，其中基于MEMS的传感器单片集成到芯片。

技术介绍

[0002]陀螺仪(gyroscope)(有时也称为“陀螺仪(gyro)”)是可测量角速度的传感器。陀螺仪可以是机械式或光学式，并且可在精度、性能成本和尺寸方面有所变化。基于科里奥利效应的机械陀螺仪通常具有较低的成本，但不能提供很高的性能，并且易受由温度、振动和电磁干扰(EMI)引起的测量误差的影响。光学陀螺仪通常具有最高的性能，并且依赖于基于萨格纳克效应(由旋转引起的干涉测量中遇到的现象)的干涉测量的测量结果。由于光学陀螺仪不具有任何移动部件，因此它们具有优于机械陀螺仪的优势，因为它们可比具有移动部件的机械陀螺仪更好地承受冲击、振动和温度变化的影响。
[0003]最常见的光学陀螺仪是光纤陀螺仪(FOG)。FOG的构造通常涉及保偏(PM)光纤的长环路(环路可能构成包括若干线匝的线圈或光纤线轴)。激光被发射到PM光纤的两端中，沿不同方向行进。如果光纤环路/线圈在旋转，则光束经历相对于彼此不同的光学路径长度。通过建立干涉测量系统，可测量与封闭环路的面积和旋转线圈的角速度成正比的小路径长度差。
[0004]FOG可具有很高的精度，但与此同时，它们尺寸大、很昂贵，并且由于装置基于需要精确对准的分立光学部件构建而难以组装。通常，涉及手动对准，这难以扩大规模来用于批量生产。本公开提供了此问题的解决方案，如下文进一步描述。
[0005]多个陀螺仪和其他传感器(诸如加速度计，以及在一些情况下，磁力计)可作为惯性测量单元(IMU)一起封装在移动物体中，以感测沿着X轴、Y轴和Z轴的各种运动参数。例如，6轴IMU可将3轴加速度计和3轴陀螺仪封装在一起以测量移动物体的绝对空间位移。IMU的应用包括但不限于军事演习(例如，通过战斗机、潜艇)、商用飞机/无人机导航、机器人技术、自主车辆导航、虚拟现实、增强现实、游戏等。
[0006]本专利技术人提出用基于波导的集成光子部件替换光纤以用于在半导体平台上进行成本有效容易集成，这对于陀螺仪的批量生产而言是更有前景的。本申请描述了各种结构，包括在硅平台上制造的氮化硅(SiN)波导芯，以及将MEMS加速度计集成到陀螺仪所在的同一硅平台上，如下文详细说明。

技术实现思路

[0007]本公开的各方面涉及将在平面硅平台上制造的光学陀螺仪作为光子集成电路与MEMS加速度计单片集成在同一裸片上。可由控制所述光学陀螺仪的电子电路控制所述加速度计。可在相邻波导线匝之间引入间隙以减少串扰并且提高所述光学陀螺仪的灵敏度和堆积密度。
[0008]具体地，公开了一种集成光子芯片，其包括：波导线圈，所述波导线圈包括环绕由所述波导线圈封闭的中心区域的多个波导线匝，每个波导线匝平行于相邻波导线匝，其中所述波导线圈用作光学陀螺仪的旋转感测元件；以及基于微机电系统(MEMS)的运动感测装置，所述基于微机电系统(MEMS)的运动感测装置单片集成在由所述波导线圈封闭的所述中心区域中，其中所述波导线圈和所述MEMS加速度计在公共平台上制造。
[0009]所述光学陀螺仪和所述基于MEMS的运动感测装置封装在一起作为模块化的集成惯性测量单元(IMU)。所述基于MEMS的运动感测装置提供用于所有运动轴的粗略的旋转感测读数，并且所述光学陀螺仪可提供用于一个或多个所选择运动轴的更高精度的旋转感测读数。
[0010]所述基于MEMS的运动感测装置还可包括用于一个或多个运动轴的加速度计。在一些实施方案中，所述MEMS装置可以是六轴陀螺仪和加速度计。
[0011]所述集成光子芯片的所述公共平台可以是硅光子平台，其中每个波导线匝包括夹置在上包层与下包层之间的波导芯。在一个实施方案中，所述波导芯包括氮化硅并且所述上包层和所述下包层包括氧化物。
[0012]可在每个波导线匝的任一侧引入结构修改，以减少所述相邻波导线匝之间的串扰，从而增大能够在所述集成光子芯片的预定区域内制造的波导线匝的空间密度。
[0013]所述预定区域可取决于用于制造所述波导线圈和所述基于MEMS的运动感测装置的分划板的曝光场。增大波导线匝的空间密度增大封闭在所述波导线圈内的所述中心区域以及增加封闭所述中心区域的波导线匝的数量，从而增大所述旋转感测元件的灵敏度。
[0014]所述结构修改可包括间隙，其中所述间隙包括气隙、填充有金属的间隙、或者填充有惰性气体或液体的间隙。
[0015]在一些实施方案中，所述间隙呈高纵横比矩形狭缝或沟槽的形式，其中所述间隙的纵向尺寸基本上高于所述间隙的横向尺寸，使得所述间隙基本上沿着所述纵向方向延伸到所述波导芯的上方和下方。
[0016]还公开了一种用于在公共平台上单片制造包括波导线圈和基于MEMS的运动感测装置的集成光子芯片的方法，所述方法包括：在所述公共平台上指定中心区域以制造所述基于MEMS的运动感测装置，其中所述中心区域由所述波导线圈封闭，所述波导线圈包括环绕所述中心区域的多个波导线匝，每个波导线匝平行于相邻波导线匝，其中所述波导线圈用作光学陀螺仪的旋转感测元件；在所述公共平台上制造所述波导线圈；通过在所述波导线圈上方沉积蚀刻阻挡层来保护所制造的波导线圈；以及在所指定的中心区域中制造所述基于MEMS的运动感测装置。
[0017]制造所述基于MEMS的运动感测装置还包括：在所指定的中心区域中在所述蚀刻阻挡层的顶部上沉积并图案化电极；在所述蚀刻阻挡层和所述图案化的电极的顶部上沉积并图案化第一牺牲层；在所述图案化的牺牲层和所述图案化的电极的顶部上沉积并图案化结构层；在所述图案化的结构层的顶部上沉积并图案化第二牺牲层；图案化所述结构层以形成柱作为所述基于MEMS的运动感测装置的部件，其中所述第二牺牲层也在所述柱的顶部上被图案化；以及移除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层，从而形成充当所述基于MEMS的装置的运动感测元件的悬浮结构。
[0018]所述方法还可包括：在每个波导线匝的任一侧形成间隙，以减少所述相邻波导线
匝之间的串扰，从而增大能够在所述集成光子芯片的预定区域内制造的波导线匝的空间密度。
[0019]所述集成光子芯片可具有多个层或平面，并且所述光子部件的部分可分配在所述多个平面之间。通过这种方式，光子芯片的总占有面积可保持较小，但可将更多功能堆积到光子芯片中，并且可在不增大装置占有面积的情况下引入更长的波导线圈。
附图说明
[0020]根据下面给出的详细描述和本公开的各种实现方式的附图，将更充分地理解本公开。
[0021]图1是根据本公开的实施方案的在同一裸片上的具有多个线匝的光学陀螺仪线圈(也称为波导线圈)和MEMS加速度计的示意性俯视图。
[0022]图2A至图2F示出根据本公开的实施方案的将MEMS加速度计单片集成到具有氮化硅波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种集成光子芯片，其包括：波导线圈，所述波导线圈包括环绕由所述波导线圈封闭的中心区域的多个波导线匝，每个波导线匝平行于相邻波导线匝，其中所述波导线圈用作光学陀螺仪的旋转感测元件；以及基于微机电系统(MEMS)的运动感测装置，所述基于微机电系统(MEMS)的运动感测装置单片集成在由所述波导线圈封闭的所述中心区域中，其中所述波导线圈和所述MEMS加速度计在公共平台上制造。2.如权利要求1所述的集成光子芯片，其中所述光学陀螺仪和所述基于MEMS的运动感测装置封装在一起作为模块化的集成惯性测量单元(IMU)。3.如权利要求2所述的集成光子芯片，其中所述基于MEMS的运动感测装置提供用于所有运动轴的粗略的旋转感测读数，并且所述光学陀螺仪提供用于一个或多个所选择运动轴的更高精度的旋转感测读数。4.如权利要求2所述的集成光子芯片，其中所述基于MEMS的运动感测装置包括用于一个或多个运动轴的加速度计。5.如权利要求1所述的集成光子芯片，其中所述公共平台是硅光子平台，其中每个波导线匝包括夹置在上包层与下包层之间的波导芯。6.如权利要求5所述的集成光子芯片，其中所述波导芯包括氮化硅并且所述上包层和所述下包层包括氧化物。7.如权利要求5所述的集成光子芯片，其还包括：结构修改，所述结构修改在每个波导线匝的任一侧引入，以减少所述相邻波导线匝之间的串扰，从而增大能够在所述集成光子芯片的预定区域内制造的波导线匝的空间密度。8.如权利要求7所述的集成光子芯片，其中所述预定区域取决于用于制造所述波导线圈和所述基于MEMS的运动感测装置的分划板的曝光场。9.如权利要求7所述的集成光子芯片，其中增大波导线匝的空间密度增大封闭在所述波导线圈内的所述中心区域以及增加封闭所述中心区域的波导线匝的数量，从而增大所述旋转感测元件的灵敏度。10.如权利要求7所述的集成光子芯片，其中所述结构修改包括间隙。11.如权利要求10所述的集成光子芯片，其中所述间隙包括以下中的一者：气隙、填充有金属的间隙、或者填充有惰性气体或液体的间隙。12.如权利要求10所述的集成光子芯片，其中所述间隙呈高纵横比矩形狭缝或沟槽的形式，其中所述间隙的纵向尺寸基本上高于所述间隙的横向尺寸，使得所述间隙基本上沿着所述纵向方向延伸到所述波导芯的上方和...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿维，
申请(专利权)人：阿内洛光电子公司，
类型：发明
国别省市：