單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法
2023-05-27 08:12:21 5
單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法
【專利摘要】本發明提供一種單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法，包括：在第一基底上形成兩個敏感方向相互正交的、對水平加速度敏感的單軸加速度敏感單元，單軸加速度敏感單元包括微反光鏡、彈性梁以及光高反射膜，在第二基底表面形成微反光鏡扭轉空間；將第一基底與第二基底鍵合；對雙軸加速度敏感晶片和光纖準直器進行光學耦合封裝。本發明將兩個敏感方向正交的單軸加速度敏感晶片集成在同一襯底上，且光信號的傳輸在雙軸加速度敏感晶片一側，大大簡化了基於MEMS技術的單晶片雙軸加速度傳感器的封裝。
【專利說明】單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及傳感器領域，特別是設及一種單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器及其 製備方法。
【背景技術】
[0002] 加速度傳感器可W測量運動物體加速度，在慣性測量、慣性導航、振動測量等應用 中具有廣泛的需求。相對於壓阻、壓電、電容原理的傳統加速度傳感器，光纖加速度傳感器 W其技術特點成為一類重要的加速度傳感器，正在受到越來越多的重視，在國民經濟、國防 中獲得了廣泛應用。在一些重要、特殊應用領域，例如航空航天的制導系統、石油勘探的地 震檢波系統、艦船的振動監測、橋梁建築結構檢測系統、交通情況監測系統等，急需具有抗 電磁幹擾、高靈敏度、大動態範圍、易復用的高性能光纖加速度傳感器。
[0003] 光纖加速度傳感器按光學敏感原理主要可W分為光強調製型、相位調製型和波長 調製型，業已開展了廣泛、深入的研究，其中MEMS光纖加速度傳感器引起了人們廣泛的關 注。MEMS光纖加速度傳感器採用MEMS敏感結構和光纖檢測技術，融合了 MEMS微製造技術 和光纖傳感技術的特點，具有體積小、靈敏度高、批量製造等技術優勢。
[0004] 加速度是一個矢量信號，加速度傳感器通常具有方向性敏感響應，據此MEMS光纖 加速度傳感器可W劃分為單軸、雙軸和=軸MEMS光纖加速度傳感器。在諸如矢量水聽器， 慣性導航和姿態控制等實際應用中，通常需要完整的加速度信息，研製基於MEMS技術的S 軸光纖加速度傳感器具有重要意義。
[0005] 通過封裝和集成技術，基於MEMS技術的=軸加速度傳感器可通過=種方式實 現：（1)=個單軸加速度敏感單元直接封裝成=軸加速度傳感器。該種實現方式增加了 = 軸加速度傳感器的體積和封裝成本，而且在封裝過程中由於各單軸傳感器的正交失配，= 軸加速度傳感器的交差靈敏度是不可避免的，從而導致傳感器的性能退化。（2)由單一質量 塊和若干彈性梁構成多自由度的加速度傳感器，加速度傳感器前=個振動模分別傳感加速 度的=個分量。然而，設計和製造該種單巧片的=軸加速度傳感器是複雜的，而且在不同敏 感方向具有相同的性能是充滿挑戰的。（3)=個單軸加速度傳感器單元通過MEMS技術製造 在單一的襯底上形成單巧片的=軸加速度傳感器。與上述的MEMS =軸加速度傳感器相比， 該類加速度傳感器有很多優點；其中包括適中的體積，小的交叉靈敏度，而且易實現在不同 敏感方向具有相同性能。但是，目前已實現的基於MEMS技術的單巧片=軸加速度傳感器是 直接將加速度信號轉換成電信號，而不是利用光纖檢測技術轉換成光信號。
【發明內容】
[0006] 鑑於W上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種單巧片雙軸水平光纖 加速度傳感器及其製備方法，易於和我們已經實現的基於MEMS技術的垂直軸光纖加速度 傳感器集成，實現基於MEMS技術的單巧片=軸加速度傳感器。
[0007] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單巧片雙軸水平光纖加速度傳 感器，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器至少包括：
[000引第一基底，用於形成具有兩個單軸加速度敏感單元的雙軸加速度敏感巧片；所述 單軸加速度敏感單元包含微反光鏡、彈性梁W及光高反射膜，所述微反光鏡由所述彈性梁 支撐，所述彈性梁的兩端分別與所述微反光鏡和支撐框連接，所述光高反射膜附著在所述 微反光鏡上；
[0009] 第二基底，形成微反光鏡扭轉空間，作為晶圓級封裝；
[0010] W及光纖準直器，與所述雙軸加速度敏感巧片通過同一封裝管殼封裝。
[0011] 優選地，所述雙軸加速度敏感巧片的對加速度的敏感方向與所述的雙軸加速度敏 感巧片平面平行。
[0012] 優選地，所述的雙軸加速度敏感巧片將水平方向的加速度轉化為所述微反光鏡的 扭轉角。
[0013] 優選地，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器包括兩個光纖準直器，位於所述 雙軸加速度敏感巧片的同一側。
[0014] 優選地，所述兩個單軸加速度敏感單元的敏感方向正交。
[0015] 優選地，所述微反光鏡的重屯、在所述彈性梁軸線正下方。
[0016] 優選地，利用所述光纖準直器對入射光禪合特性和所述雙軸加速度敏感巧片實現 單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器。
[0017] 優選地，利用所述光纖準直器對入射光禪合特性和所述的單軸加速度敏感單元實 現單軸光纖加速度傳感器。
[0018] 優選地，所述的光纖準直器包括單光纖準直器或雙光纖準直器。
[0019] 優選地，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器還包括：形成在所述第一基底或 所述第二基底的微機電器件。
[0020] 更優選地，所述微機電器件包括加速度傳感器、磁傳感器、巧螺儀、壓力傳感器、溼 度傳感器、溫度傳感器、聲傳感器中的一種或多種。
[0021] 為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種單巧片雙軸水平光纖加速度傳 感器的製備方法，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法至少包括W下步驟：
[0022] 提供第一基底，在所述第一基底表面深刻蝕，形成第一微反光鏡扭轉空間；
[0023] 提供第二基底，在所述第二基底表面形成第二微反光鏡扭轉空間；
[0024] 將所述第一基底與第二基底鍵合，形成鍵合片；
[0025] 在所述第一基底表面形成光高反射膜；
[0026] 在所述第一基底上形成兩個加速度敏感方向相互正交的單軸加速度敏感單元；
[0027] 對所述鍵合片劃片，形成雙軸加速度敏感巧片；通過封裝管殼將所述雙軸加速度 敏感巧片和光纖準直器進行光學禪合封裝，形成單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器。
[002引優選地，所述光高反射附著在所述雙軸加速度敏感單元上。
[0029] 優選地，採用基於微機電錶面工藝技術或微機電體娃加工技術來進行各步驟。
[0030] 優選地，還包括步驟：在所述第一基底和所述第二基底上形成微機電器件。
[0031] 如上所述，本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法，具有W下 有益效果：
[0032] 本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法將兩個敏感方向正交 的單軸加速度敏感巧片集成在同一襯底上，且光信號的傳輸在雙軸加速度敏感巧片一側， 大大簡化了基於MEMS技術的單巧片雙軸加速度傳感器的封裝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033] 圖la?圖If顯示為本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法流程 示意圖。
[0034] 圖2顯示為本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的俯視圖。
[0035] 圖3顯示為本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的工作原理示意圖。
[0036] 元件標號說明
[0037] 11 光纖準直器
[003引 111 光纖
[0039] 112 聚焦透鏡
[0040] 21 第一基底
[0041] 211 器件層
[00創 212 埋氧層
[0043] 213 襯底娃層
[0044] 22 單軸加速度敏感單元
[0045] 221 彈性梁
[0046] 222 微反光鏡
[0047] 223 光高反射膜
[0048] 224 支撐框
[0049] 23 第一微反光鏡扭轉空間
[0050] 31 第二基底
[0化1] 32 第二微反光鏡扭轉空間
[0化引 41 BCB膠
[0053] 51 雙軸加速度敏感巧片
[0054] 61 封裝管殼
【具體實施方式】
[0055] W下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可W通過另外不同的具體實 施方式加W實施或應用，本說明書中的各項細節也可W基於不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0056] 請參閱圖la?圖3。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅W示意方式說明 本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數 目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態也可能更為複雜。
[0化7] 如圖la?圖If所示，本發明提供一種單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備 方法，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法至少包括W下步驟：
[0化引步驟一；提供第一基底21，在所述第一基底21表面進行深刻蝕，形成第一微反光 鏡扭轉空間23。
[0化9] 具體地，如圖la所示，在本實施例中，採用商用SOI娃片作為第一基底21，所述第 一基底21包括器件層211，其厚度設定為30 ym ;埋氧層212,其厚度設定為2 ym ;襯底娃 層213,其厚度設定為380 y m ;所述埋氧層212位於所述器件層211及所述襯底娃層213之 間。在所述襯底娃層213上塗厚光刻膠，光刻顯影之後刻蝕所述襯底娃層213直至露出所 述埋氧層212,在本實施例中，採用深反應離子刻蝕值Rffi)對所述襯底娃層213進行刻蝕。 利用濃硫酸去除光刻膠，再利用B0E溶液中去除外露的所述埋氧層212,形成第一微反光鏡 扭轉空間23。
[0060] 步驟二；提供第二基底31，在所述第二基底31表面形成第二微反光鏡扭轉空間 32〇
[0061] 具體地，如圖化所示，在本實施例中，採用商用雙拋娃片作為第二基底31，通過熱 氧化在所述第二基底31的表面生長厚度為20000,4的Si〇2,光刻並用B0E溶液圖形化所述 第二基底31上生長的Si化，採用濃硫酸去除光刻膠，放入40°C、濃度為40%的K0H溶液中 腐蝕，形成所述第二微反光鏡的扭轉的空間32,其深度約為60 y m。
[0062] 步驟將所述第一基底21與第二基底31鍵合，形成鍵合片。
[0063] 具體地，如圖Ic所示，在本實施例中，用旋轉塗膠機在所述第二基底31形成所述 第二微反光鏡的扭轉的空間32的表面塗BCB膠41，其厚度設定為9 y m，將塗有BCB膠41 的第二基底31與所述第一基底21形成所述第一微反光鏡的扭轉的空間31的表面預對準 並鍵合。
[0064] 步驟四：在所述第一基底21表面形成光高反射膜223。
[00化]具體地，如圖Id所示，在本實施例中，在第一基底21的表面上通過磁控瓣射沉積 金屬薄膜TiW/Au，其厚度設定為500A/3500A，光刻顯影，分別用Au腐蝕液和TiW腐蝕液圖 形化金屬薄膜得到所述光高反射膜223。
[0066] 步驟五：在所述第一基底21上形成兩個加速度敏感方向相互正交的單軸加速度 敏感單元22。
[0067] 具體地，如圖le所示，在本實施例中，在所述第一基底21上塗光刻膠，相對於所述 光高反射膜223的位置曝光顯影，通過深反應離子刻蝕值Rffi)，形成兩個敏感方向相互正 交的單軸加速度敏感單元22。
[0068] 步驟六；對所述鍵合片劃片，形成雙軸加速度敏感巧片；通過封裝管殼將所述雙 軸加速度敏感巧片和光纖準直器進行光學禪合封裝，形成單巧片雙軸水平光纖加速度傳感 器。
[0069] 具體地，在本實施例中，用劃片機將結構釋放的鍵合片劃片，形成如圖le所示的 雙軸加速度敏感巧片51。如圖If所示，用環氧樹脂將所述雙軸加速度敏感巧片51焊接在 封裝管殼61的基座上，用光學調節架依次將光纖準直器11和所述雙軸角速度敏感巧片51 封裝在一起。
[0070] 在步驟五之後，還可在所述第一基底21或第二基底31上形成微機電器件。所述 微機電器件加速度計、巧螺儀、壓力傳感器、溼度傳感器、溫度傳感器、及聲傳感器等。
[0071] 可採用基於微機電錶面工藝技術或微機電體娃加工技術來製備本發明的單巧片 雙軸水平光纖加速度傳感器，在此不再予W詳述。
[0072] 如圖la至If所示，上述製備方法形成的基於MEMS的技術單巧片雙軸水平光纖加 速度傳感器至少包括：
[0073] 第一基底21，用於形成具有兩個單軸加速度敏感單元22的雙軸加速度敏感巧片 51，如圖2所示為本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器的俯視圖，兩個單軸加速度 敏感單元22的敏感方向正交；所述單軸加速度敏感單元22包括微反光鏡222、彈性梁221 W及光高反射膜223,所述微反光鏡222由所述彈性梁221支撐，所述彈性梁221的兩端分 別與所述微反光鏡222和支撐框224連接，所述光高反射膜223附著在所述微反光鏡222 上；
[0074] 第二基底31，位於所述第一基底21的下方，作為晶圓級封裝；
[0075] W及光纖準直器11，與所述第一基底21及所述第二基底31通過同一封裝管殼61 封裝。
[0076] 所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器由所述雙軸加速度敏感巧片51，所述光纖 準直器11和所述封裝管殼61 =部分組成。所述雙軸加速度敏感巧片51包括兩個單軸加 速度敏感單元22。所述單軸加速度敏感單元22由所述微反光鏡222、所述彈性梁221和所 述光高反射膜223構成。所述微反光鏡222的重屯、位於所述彈性梁221軸線的正下方、並 在經過所述彈性梁221軸線且與所述微反光鏡222的鏡面垂直的平面內，保證了所述單軸 加速度敏感單元22僅對平面內一方向的加速度信號敏感。
[0077] 所述雙軸加速度敏感巧片51的對加速度的敏感方向與所述的雙軸加速度敏感巧 片51平面平行。所述兩個單軸加速度敏感單元22的敏感方向正交。所述的雙軸加速度敏 感巧片51將水平方向的加速度轉化為所述微反光鏡222的扭轉角。
[007引在本實施例中，所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器包括兩個光纖準直器11， 位於所述雙軸加速度敏感巧片51的同一側。所述的光纖準直器包括單光纖準直器、雙光纖 準直器。在本實施例中，所述光纖準直器11包括光纖111 W及聚焦透鏡112。
[0079] 利用所述光纖準直器11對入射光禪合特性和所述雙軸加速度敏感巧片51實現單 巧片雙軸水平光纖加速度傳感器。
[0080] 利用所述光纖準直器11對入射光禪合特性和所述的單軸加速度敏感單元22實現 單軸光纖加速度傳感器。
[0081] 所述單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器還包括；形成在所述第一基底21或所述 第二基底31的微機電器件。所述微機電器件包括加速度傳感器、磁傳感器、巧螺儀、壓力傳 感器、溼度傳感器、溫度傳感器、聲傳感器中的一種或多種。
[0082] 上述基於MEMS的技術單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器原理如圖3所示；所述 單軸加速度敏感巧片22在敏感方向加速度作用下，所述微反光鏡222會受到慣性力矩的作 用，該力矩驅動所述微反光鏡222扭轉，產生的扭轉角度0與加速度信號成正比。從而了 實現平面內一方向的加速度信號與所述微反光鏡222扭轉角度0的轉換。所述微反光鏡 222的扭轉角度的檢測採用所述光纖準直器11進行，所述光纖準直器11將所述光纖111的 出射光斑進行擴束，對入射光的入射角度具有很高的敏感性。所述光纖準直器11出射的光 信號經所述微反光鏡222反射偏轉，光信號再次禪合到所述光纖準直器11。在敏感方向加 速度作用下，所述微反光鏡222產生角度扭轉0，引起反射光信號的反射角變化，導致禪合 回所述光纖準直器11的光禪合效率的急劇改變，探測禪合光強變化就能檢測到敏感方向 的加速度信號。
[0083] 本發明集成了 MEMS微製造技術和光纖檢測技術，因而其具有MEMS微製造技術的 體積小、重量輕、批量化生產和光纖檢測技術的高靈敏度，高頻響應，無源，抗電磁幹擾特 性。由於光信號的輸入和輸出在雙軸加速度敏感巧片的一測，且只需兩支光纖準直器就可 實現雙軸加速度敏感巧片的光信號的傳輸，因而不僅簡化了巧片的封裝而且也減小了巧片 封裝成本和體積。本發明的單巧片雙軸加速度敏感巧片可W和我們已經實現的垂直軸加速 度傳感器集成，實現單巧片=軸光纖加速度傳感器。
[0084] 綜上所述，本發明提供一種單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器，至少包括；第一基 底，用於形成具有兩個單軸加速度敏感單元的雙軸加速度敏感巧片；所述單軸加速度敏感 單元包含微反光鏡、彈性梁W及光高反射膜，所述微反光鏡由所述彈性梁支撐，所述彈性梁 的兩端分別與所述微反光鏡和支撐框連接，所述光高反射膜附著在所述微反光鏡上；第二 基底，位於所述第一基底的下方，作為晶圓級封裝；W及光纖準直器，與所述第一基底及所 述第二基底通過同一封裝管殼封裝。本發明提供其製備方法，包括；提供第一基底，在所述 第一基底表面進行深刻蝕，形成第一微反光鏡扭轉空間；提供第二基底，在所述第二基底表 面形成第二微反光鏡扭轉空間；將所述第一基底與第二基底鍵合，形成鍵合片；在所述第 一基底表面形成光高反射膜；在所述第一基底上形成兩個加速度敏感方向相互正交的單軸 加速度敏感單元；對所述鍵合片劃片，形成雙軸加速度敏感巧片；通過封裝管殼將所述雙 軸加速度敏感巧片和光纖準直器進行光學禪合封裝，形成單巧片雙軸水平光纖加速度傳感 器。本發明的單巧片雙軸水平光纖加速度傳感器及其製備方法將兩個敏感方向正交的單軸 加速度敏感巧片集成在同一襯底上，且光信號的傳輸在雙軸加速度敏感巧片一側，大大簡 化了基於MEMS技術的單巧片雙軸加速度傳感器的封裝。所W，本發明有效克服了現有技術 中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0085] 上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟 悉此技術的人±皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1. 一種單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於，所述單晶片雙軸水平光纖加 速度傳感器至少包括： 第一基底，用於形成具有兩個單軸加速度敏感單元的雙軸加速度敏感晶片；所述單軸 加速度敏感單元包含微反光鏡、彈性梁以及光高反射膜，所述微反光鏡由所述彈性梁支撐， 所述彈性梁的兩端分別與所述微反光鏡和支撐框連接，所述光高反射膜附著在所述微反光 鏡上； 第二基底，形成微反光鏡扭轉空間，作為晶圓級封裝； 以及光纖準直器，與所述雙軸加速度敏感晶片通過同一封裝管殼封裝。
2. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述雙軸 加速度敏感晶片的對加速度的敏感方向與所述的雙軸加速度敏感晶片平面平行。
3. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述的雙 軸加速度敏感晶片將水平方向的加速度轉化為所述微反光鏡的扭轉角。
4. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述單芯 片雙軸水平光纖加速度傳感器包括兩個光纖準直器，位於所述雙軸加速度敏感晶片的同一 側。
5. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述兩個 單軸加速度敏感單元的敏感方向正交。
6. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述微反 光鏡的重心在所述彈性梁軸線正下方。
7. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：利用所述 光纖準直器對入射光耦合特性和所述雙軸加速度敏感晶片實現單晶片雙軸水平光纖加速 度傳感器。
8. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：利用所述 光纖準直器對入射光耦合特性和所述的單軸加速度敏感單元實現單軸光纖加速度傳感器。
9. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述的光 纖準直器包括單光纖準直器或雙光纖準直器。
10. 根據權利要求1所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述單 晶片雙軸水平光纖加速度傳感器還包括：形成在所述第一基底或所述第二基底的微機電器 件。
11. 根據權利要求10所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器，其特徵在於：所述微 機電器件包括加速度傳感器、磁傳感器、陀螺儀、壓力傳感器、溼度傳感器、溫度傳感器、聲 傳感器中的一種或多種。
12. -種單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法，其特徵在於，所述單晶片雙軸 水平光纖加速度傳感器的製備方法至少包括以下步驟： 提供第一基底，在所述第一基底表面深刻蝕，形成第一微反光鏡扭轉空間； 提供第二基底，在所述第二基底表面形成第二微反光鏡扭轉空間； 將所述第一基底與第二基底鍵合，形成鍵合片； 在所述第一基底表面形成光高反射膜； 在所述第一基底上形成兩個加速度敏感方向相互正交的單軸加速度敏感單元； 對所述鍵合片劃片，形成雙軸加速度敏感晶片；通過封裝管殼將所述雙軸加速度敏感 晶片和光纖準直器進行光學耦合封裝，形成單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器。
13. 根據權利要求12所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法，其特徵在 於：所述光高反射附著在所述雙軸加速度敏感單元上。
14. 根據權利要求12所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法，其特徵在 於：採用基於微機電錶面工藝技術或微機電體矽加工技術來進行各步驟。
15. 根據權利要求12所述的單晶片雙軸水平光纖加速度傳感器的製備方法，其特徵在 於：還包括步驟：在所述第一基底和所述第二基底上形成微機電器件。
【文檔編號】G01P15/03GK104502630SQ201510010031
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月8日 優先權日:2015年1月8日
【發明者】吳亞明, 王小偉 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所