Оптомеханический вибрационный микродатчик

Изобретение относится к микрооптоэлектромеханическим системам или оптическим МЭМС (MOEMS) системам, точнее к области миниатюрных инерционных (вибрационных) оптических датчиков с использованием MOEMS систем. Заявлен оптомеханический вибрационный микродатчик, полностью интегрированный в кремниевую подложку с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, причем конструкция микродатчика состоит из волноводного интерферометра Маха-Цендера, одно из плеч которого расположено по периметру кантилевера, другое плечо на подложке. Колебания кантилевера приводят к изменению длины оптического волновода за счет деформации слоя, в котором расположен волновод. Изменение длины одного из плеч интерферометра приводит к изменению фазового соотношения волн, суммируемых на выходном элементе связи. Элементом связи в интерферометре на входе и выходе могут быть направленные ответвители (связанные волноводы) или многомодовые устройства связи. Разница в интенсивности светового потока между двумя волноводами в плечах интерферометра пропорциональна ускорению в широком диапазоне амплитуд и позволяет интерферометру обнаруживать механическое смещение. Технический результат - упрощение конструкции, повышение надежности, чувствительности и возможности работы в суровых условиях окружающей среды (сильные электромагнитные поля и высокая температура). 2 ил.

 

Изобретение относится к микрооптоэлектромеханическим системам или оптическим МЭМС системам, точнее к области миниатюрных инерционных (вибрационных) оптических датчиков с использованием МОЭМС систем.

Из предыдущего уровня техники известны инерционные датчики, работа которых основана на использовании изменения емкости параллельно-пластинчатых электродов или пьезорезисторов в кристалле кремния. Однако чувствительность подобных датчиков имеет тенденцию уменьшаться с уменьшением размера датчика. Следовательно, для дальнейшей миниатюризации необходимы иные методы решения для инерционных датчиков.

В качестве решения вышеуказанной проблемы оптические способы очень перспективны. Как правило, оптический сигнал не подвержен влиянию электромагнитных помех и паразитной емкости. Кроме того, интенсивность сигнала оптического устройства не обязательно зависит от размера устройства. Следовательно, возможно изготовление инерционного датчика с использованием оптических сигналов, с размерами, меньшими, чем обычные инерционные датчики. По ряду показателей (чувствительность, помехоустойчивость) наиболее перспективен вариант с инерционным волноводным датчиком, использующим интерференцию света.

Известен оптический датчик для измерения параметров наземных колебаний на базе планарной оптической волноводной структуры /1/. Датчик использует оптический интерферометр для фиксации фазового сдвига в оптических сигналах, в ответ на внешние колебания. Данный датчик выдает величину и частоту возмущения вибрации и его направление. Интерферометр включает в себя первую ветвь, имеющую первую длину оптического пути и вторую ветвь, имеющие вторую длину оптического пути. Генератор оптического сигнала подключен к интерферометру, чтобы подать на него оптический сигнал с частотной модуляцией. Пара электродов расположена вдоль одной из ветвей интерферометра. Проводная катушка (катушка индуктивности), намотанная на неподвижный магнитный сердечник, подключена между парой электродов. Катушка индуктивности имеет свободу движения в продольном направлении вдоль стержня и может колебаться в ответ на движение земли, тем самым индуцируя напряжение. Это напряжение подается на пару электродов, что вызывает фазовую модуляцию оптического сигнала, направляемого плечом интерферометра на выходной элемент связи интерферометра. Далее оптические сигналы, выводимые из интерферометра, обрабатываются фотодетектором для определения скорости и ускорения, связанных с движением земли.

Данный прибор не является полностью интегральной оптико-механической микроструктурой. В нем сам чувствительный элемент является внешним, что существенно увеличивает габариты устройства. Одной из проблем оптических датчиков подобного типа является сложность получения высокой чувствительности, сложность стыковки с оптическими волокнами.

Известен акселерометр на основе МОЭМС, который использует интерферометр Маха - Цендера (ИМЦ) - типа оптический модулятор /2/.

Этот акселерометр подходит для использования в системе, в которой оптические волокна используются в качестве сигнальных линий, так как не требуется оптоэлектрического преобразования для подключения датчика к оптическим волокнам. Кроме того, комбинация предлагаемого акселерометра и оптической проводки может использоваться в среде, с большим электромагнитным шумом.

В этом датчике, центральная составная часть одного из плеч в ИМЦ имеет плавающую структуру (кантилевер). Когда сила инерции прикладывается перпендикулярно к датчику, плавающий волноводе ИМЦ отклоняется и расширяется. В результате, выходная интенсивность ИМЦ модулируется. Модуляция интенсивности ИМЦ есть:

где I - интенсивность световой волны на выходе, I₀ - интенсивность изначальной световой волны, n - показатель преломления волновода, а ΔL представляет собой механически увеличенную длину плавающего волновода под действием силы инерции.

Однако, поскольку масса плавающего волновода мала, приложенная сила инерции из-за ускорения также мала, так как инерционная сила за счет ускорения пропорциональна массе объекта. Таким образом, необходима дополнительная корректирующая масса, которая ставится на плавающий волновод для усиления его отклонения. Однако плавающий волновод слишком узок, чтобы наложить на него корректирующую массу. Поэтому добавляется консоль для поддержки этой массы. Эта консоль пересекает плавающий волновод в той же плоскости. Когда корректирующая масса перемещается под прикладываемым усилием, плавающий волновод и кантилевер отклоняются одновременно.

Однако этот акселерометр имеет ряд проблем. Одной из проблем является световые потери на пересечение кантилевера и плавающего волновода. Волноводная потеря при пересечении имеет тенденцию увеличиваться с увеличением ширины кантилевера.

Кроме того, в этом устройстве используются волноводы на структуре кремний на изоляторе (КНИ), поглощение материала в кремнии приводит к саморазогреву и изгибу волновода, что приводит к ошибкам измерения смещения. Кремний обладает большим термооптическим эффектом (dn/dT ~ 2×10-4°С), поэтому волноводы КНИ структуры не являются оптимальными для измерения смещения с высоким разрешением. Как правило, кремниевые волноводы демонстрируют относительно большие световые потери (~5-10 дБ /см). Кремниевые волноводы, изготовленные из материала КНИ дороже по сравнению со стандартным кремнием. Наконец, относительно большой коэффициент преломления кремния (n_{кремний}=3.5 при λ=1550 нм) требует относительно небольших размеров волноводов (ширина w<500 нм) для поддержания одномодового условия (условие корректной работы интерферометра) /3/. Это увеличивает потребность в высокой точности изготовления, что дополнительно увеличивает стоимость.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключаются в реализации вибрационного датчика, отвечающего требованиям по критериям компактности, надежности и низкой стоимости, для удовлетворения требований высокой чувствительности и возможности работы в суровых условиях окружающей среды (сильные электромагнитные поля и высокая температура).

Поставленная задача решается в первую очередь за счет использования конструкции оптомеханического вибрационного микродатчика, полностью интегрированного в кремниевую подложку с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, отличающейся тем, что конструкция микродатчика состоит из волноводного интерферометра Маха-Цендера, одно из плеч которого расположено по периметру кантилевера (плавающий волновод), другое плечо на подложке.

Колебания кантилевера приводят к изменению длины оптического волновода за счет деформации слоя, в котором расположен волновод. Изменение длины одного из плеч интерферометра приводит к изменению фазового соотношения волн, суммируемых на выходном элементе связи. Разница в интенсивности светового потока между двумя волноводами в плечах интерферометра пропорционально ускорению в широком диапазоне амплитуд, что позволяет микродатчику обнаруживать механическое смещение.

Расположение и геометрия «плавающего» волновода в одном из плеч интерферометра Маха-Цендера по периметру кантилевера выбраны из требований к повышению чувствительности, которая может варьироваться в зависимости от длины плеча кантилевера (и соответственно длины волновода), минимизации потерь на изгиб в криволинейных участках волноводов и компактности устройства.

Из литературных источников /4/ известно, что потери при распространении (включая потери на изгиб) около 0,1 дБ/см были получены для контрастности волноводной структуры Δn=1,5-2% (размер кора из оксинитрида 2,5×2,0 мкм², R=2 мм), что существенно меньше, чем в случае КНИ датчика. Данная геометрия и структура волноводов является базовым ориентиром для проектирования данного микродатчика.

Во-вторых, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, решается за счет выбора материала для изготовления оптической волноводной структуры и инерционной массы. Известно, что чувствительность датчика напрямую связана с уровнем общих потерь оптического сигнала. Потери, такие, как утечка на подложку и потери на поглощение примесями водорода можно сократить с помощью использования термически выращенного оксида кремния толщиной 7-15 мкм в верхнем и нижнем буферных слоях волноводов. В этом случае центральный слоя кора (оксинитрид) наносится непосредственно на нижний буферный слой (термический оксид кремния). Верхний буферный слой (термический оксид кремния) переносится посредством склейки-бондинга с предварительно окисленной кремниевой пластиной. Лишние верхние слои могут быть удалены химически или химико-механической полировкой. Тем самым решаются две задачи - уменьшаются вносимые потери, структура имеет более низкое механическое напряжение, чем в варианте с традиционным использованием толстого плазменного оксида кремния в качестве верхнего буферного слоя волноводной структуры. Применение данного способа изготовления волноводной структуры известно /5/, но является новаторским в контексте применения для «плавающего» волновода.

Более высокая чувствительность датчика может быть достигнута с использованием многомодовых элементов связи на входе и выходе интерферометра Маха-Цендера. Данные элементы связи являются более простыми в изготовлении с технологической точки зрения с менее жесткими требованиями по аспектному соотношению для фотолитографий и травления и обеспечивают лучшую воспроизводимость процессов. По расчетам, многомодовые элементы связи могут иметынирину15 мкм и длину 300 мкм.

Изобретение поясняется чертежами и рисунками:

На Фиг. 1 оптомеханический вибрационный микродатчик с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе SiON волноводов, с элементами связи в виде направленных ответвителей,где

1 - интерферометр Маха - Цендера

2,3 - элементы связи интерферометра Маха - Цендера

4 - кантилевер

5,6 - вход-выходы интерферометра Маха - Цендера

7 - высвобождаемая область кремниевой подложки

8 - канавки травления SiON, SiO₂

9 - плечи интерферометра Маха - Цендера

На Фиг. 2 оптомеханический вибрационный микродатчик с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, с элементами связи в виде многомодовых модулей, где

10,11 - элементы связи интерферометра Маха - Цендера в виде многомодовых модулей.

Параметры механической конструкции могут быть выбраны исходя из требований по частотной характеристике. Толщина волноводной структуры (15 мкм), выбирается для контроля продольной чувствительности (вдоль оси, параллельной подложке). По расчетам длина плеча кантилевера и масса кантилеверной части волновода (инерционная масса) могут составить соответственно 600 мкм и 2,5 мг, чтобы обеспечить высокочастотную линейность. Известно, чтобы использовать линейную часть реакция смещения, где ускорение и смещение пропорциональны, резонансная частота должна быть выше, чем верхний предел рабочего диапазона. Для достижения линейности 5% в диапазоне 30-450 Гц, она должно быть выше 1,5КГц.

Механическая чувствительность датчика определяется требованиями к частотной характеристике: оптическая схема должна быть способна обнаруживать смещения до 10 нм (ожидаемое разрешение: 0,5 м/с). Оптическая конструкция оптимизирована с использованием ВРМ метода, чтобы улучшить чувствительность, а также обеспечить линейность выходного сигнала для диапазона смещение между -0,5 мкм и 0,5 мкм.

Как пример, структура микродатчика была рассчитана и оптимизирована для обеспечения работы в соответствии со следующими требованиями:

линейность по амплитуде 5% (диапазон: 0,5 м/с² - 400 м/с²),

диапазон частот - от 30 до 2000 Гц,

диапазон рабочих температур - до 100°С.

Данная конструкция датчика предусматривает размещение на единой подложке помимо сенсорного элемента модулей передатчика (лазера) и фотоприемника для повышения чувствительности и устранения нежелательных дополнительных помех связи, а также для дальнейшей миниатюризации устройства. Все компоненты могут быть размещены на единой подложке путем гибридной сборки.

Таким образом, ожидаемый технический результат, а именно, по критериям компактности, надежности, низкой стоимости, высокой чувствительности и способности работы в суровых полевых условиях может быть достигнут при использовании оригинальной конструкции микродатчика, оптимальных материалов и способов для его реализации и возможности интегрального исполнения для создания функционально законченного устройства.

Полностью интегрированный оптический датчик данной конструкции может применяться для измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации, контроля вращающихся механизмов в жестких электромагнитных условиях.

Источники информации.

1. Патент США №5497233,

2. "A Study of Mach-Zehnder Interferometer Type Optical Modulator Applicable to an Accelerometer" Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) - прототип,

3. Патент США №9395177,

4. "Low-Loss Fiber-Matched Low-Temperature PECVD Waveguides with Small-Core Dimensions for Optical Communication Systems" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 9, SEPTEMBER 1997,

5. "Planar waveguides with less than 0.1 dB/m propagation loss fabricated with wafer bonding" Optics Express, November 2011.

Оптомеханический вибрационный микродатчик, полностью интегрированный в кремниевую подложку с оптической схемой считывания интерференционного типа, с планарной структурой на базе волноводов из оксинитрида кремния, отличающийся тем, что содержит волноводный интерферометр Маха-Цендера, одно из плеч которого расположено по периметру кантилевера, другое плечо на подложке, элементами связи в интерферометре Маха-Цендера на входе и выходе являются направленные ответвители или многомодовые устройства связи, а оптическая часть микродатчика представляет собой бондинг-склейку, где в качестве нижнего и верхнего буферного слоя волноводной структуры выступает термический оксид кремния.