Mems光学传感器的制造方法
【专利说明】MEMS光学传感器
[0001] 本发明涉及利用波导的有效折射率调制和对反射光的波长移位的检测的全光学 传感器，以及容纳所述光学传感器的力感测系统。
[0002] 发明背景
[0003] 传感器是借助于将物理量转换成传感器特定输出信号的一个或多个检测机构来 检测属于传感器环境的特定物理量的装置。通常使用的传感器的众所周知实例包括温度 计、速度计、麦克风、电压表、雷达和地震仪。一般传感器概念的子集是机械传感器，所述机 械传感器检测经典力学的性质（例如，加速度、压力和应变），并且应当与用于例如生物学、 医学和化学感测的传感器区分。因为MEMS允许小规模传感器和廉价批量生产，所以使用微 机电系统（MEMS)技术制造绝大多数现代机械传感器。随着MEMS技术的发展和微光学感测 技术的出现，扩展的术语微光机电系统（MOEMS)已被广泛接受。相比先前技术，MOEMS允许 更通用的传感器设计和在更难以接近环境中量的检测。
[0004] 全光学传感器具有使其在较宽应用范围引起人们关注的许多优点，如允许远程感 测的光纤中的低传输损耗。然而，与当今可利用的大量电传感器和光电传感器相比，全光学 传感器目前代表小众市场，因为当涉及灵敏度、动态范围或价格时，大多数全光学传感器一 般无法与其电对应物竞争。
[0005] 当今基于主全光学频率调制（FM)的传感器是光纤布拉格光栅（FBG)传感器，其中 布拉格光栅的变形用于调制信号。虽然FBG已成功用于许多应用，但是它们具有一些缺点， 包括大物理大小、低灵敏度、对材料选择的严格限制和部件结构化以及批量生产缺陷。发明 人先前已提出使用MEMS技术制造的用于音频麦克风的新颖高度灵敏全光压力传感器。感 测机制是基于改变合并有布拉格光栅的空芯反谐振反射式光学波导（ARROW)的有效折射 率。通过改变有效折射率而不是光栅周期来获得高度改进的灵敏度。灵敏度可比FBG和可 与之相比的MEMS技术中的灵敏度高几个数量级。
[0006] 发明概述
[0007] 为了获得用于音频麦克风的压力传感器的所需灵敏度，发明人开发出高精密的波 导设计。然而，即使在使用MEMS技术的情况下，这些波导设计被证明是难以在实践中实现 并且不可能始终获得低耦合损耗。为实现全光学传感器的可能性，其它波导设计可能因此 是必要的。然而，发明人已发现极大地改进全光学传感器的灵敏度的新方式。目前，优选的 是，仅光的基模在波导中传播并且因此仅分析来自基模的反射。在科学界中，高阶模被认为 是不合需要的，因为其更难以控制。
[0008] 但是本发明人已经认识到，感测应用实际上需要高阶模。一般来说，高阶模比低阶 模具有更高的空间变化。在合并有布拉格光栅的多模波导中，由于每个模的反射和模之间 的耦合，将从光栅反射一些不同的峰。因为单个模态在其空间分布上不同，所以所述模态与 光栅的重叠将大体不同。当波导尺寸改变时，从单个模的布拉格波长的变化看出针对不同 模的模-光栅重叠中的差异，即，对波导尺寸的波长灵敏度来模依赖性的。已认识到高阶模 优选用于感测应用，发明人进一步发现，仅利用简单波导设计就可获得高灵敏度。本发明的 第一方面因此涉及用于力感测系统的光学传感器，所述光学传感器包括：容纳用于限制光 的非实芯的波导，至少一个分布式布拉格反射器，以及至少一个偏转元件，所述偏转元件适 于在受到力，例如受到由于加速度、压力、位移、应变等等的力的作用时，改变波导的几何结 构和/或尺寸。因为感测可以基于高阶模传播和反射，例如，使用来自多模光源的光，所以 波导可以具有简单的平面或带状几何结构，从而很大程度上将这种光学传感器与已知的更 复杂设计区分开来。
[0009] 在大多数情况下，核芯的几何结构和/或尺寸的变化是波导的几何结构和/或尺 寸变化的结果。例如，偏转元件形成波导的一部分，并且当所述偏转元件移动时，波导的几 何结构和/或尺寸改变。因此，波导或核芯的几何结构和/或尺寸的变化在本文中可以互 换地使用。本文所提及的波导包括一个或多个核芯，通常包括一个核芯。光在波导中的限 制通常提供在核芯中，因此光在波导中的传播隐含地意味着光在核芯中传播。因此，光在波 导和核芯中的传播在本文中可交换地使用。此外，如本文所隐含的，所述至少一种分布式布 拉格反射器中的至少一个优选地至少部分位于波导的非实芯中。
[0010] 另一实施方案涉及这种光学传感器在力感测系统中的用途。又一实施方案涉及包 括以上提及的光学传感器的力感测系统。
[0011] 本发明的另一实施方案通过公开一种传感器系统来利用基于高阶模的感测的新 可能性，所述传感器系统包括：至少一个光源；一个或多个光学传感器，其包括容纳分布式 布拉格反射器的传感器光学波导，所述传感器光学波导适于引导来自所述至少一个光源的 所述光的至少一个高阶模；至少一个发射光学波导，其用于将来自所述至少一个光源的光 引导到所述一个或多个传感器光学波导；检测器，其用于测量在所述一个或多个传感器光 学波导中从所述布拉格反射器反射的光；以及，数据处理器，其适于分析反射光的所述至少 一个高阶模的布拉格波长的变化。
[0012] 对应地，本发明还涉及传感器系统，所述传感器系统包括至少一个光源；一个或 多个光学传感器，其包括容纳分布式布拉格反射器的多模传感器光学波导；至少一个发射 光学波导，其用于将来自所述至少一个光源的光引导到所述一个或多个传感器光学波导； 检测器，其用于测量在所述一个或多个多模传感器光学波导中从所述布拉格反射器反射的 光；以及，数据处理器，其适于分析反射光的至少一个高阶模的布拉格波长的变化。
[0013] 在已知基于高阶模的感测是有助于更好的灵敏度的方式的情况下，本发明发现也 可以用于改进目前已知的能够引导至少一个高阶模的光学传感器。本发明的另一实施方案 因此涉及一种用于改进传感器系统的灵敏度的方法，所述传感器系统包括适合于引导光的 至少一个高阶模的至少一个传感器光学波导，所述方法包括以下步骤：分析来自所述光学 传感器系统的多个反射信号，以用于检测反射光的所述至少一个高阶模的布拉格波长的变 化。对应地，一个实施方案涉及一种用于改进传感器系统的灵敏度的方法，所述传感器系统 包括其中传播多模光的至少一个多模传感器光学波导，所述方法包括以下步骤：分析来自 所述光学传感器系统的多个反射信号，以用于检测反射多模光的所述至少一个高阶模的布 拉格波长的变化。
[0014] 发明人先前已提供了对基于空芯波导的光学传感器的详细研究。这些出版物包括
[0015] Kasper Reck 的博士论文："MEMS Optical Sensor Systems"（2011)
[0016] Christian 0stcrgaard的硕士论文："MEMS Optical Strain Sensors Based on Hollow Core Waveguides with Integrated Bragg Gratings，' （2011)〇
[0017] Mette Funding la Cour 和 Soren Vang Fischer 的硕 士论文："Design and Fabrication of Hollow Core MEMS Optical Microphone" （2011)
[0018] 在这些出版物中，可找到有关光学传感器波导的背景理论的细节、设计细节和制 造细节，所述出版物因此以全文引用方式并入。
[0019] 本发明的一个实施方案是基于归因于波导几何结构变化的有效折射率调制的概 念的传感器。几何结构的这种变化通常归因于作用于传感器的力。这种力可以例如，由压 力（例如，来自麦克风中音频的压力）、力、位移、应变、温度、加速度、旋转、扭矩、液体流动 等等提供。因此，当谈及力感测系统时，其包括用于感测以上提及来源的任何力的系统。
[0020] 虽然两种传感器（例如，加速度计传感器和应变传感器）可能基于相同的基本感 测原理（例如，压敏电阻或电容性感测），但通常将此类传感器考虑为不同传感器类型。这 主要归因于不同传感器类型的实际实现方式中的差异（例如，使用或不使用检验质量块）。 因此，本发明包括并适于基于这种归因于波导几何结构变化的有效折射率调制的概念的所 有传感器，并且从而不受几何结构变化的原因限制，并且因此包括任何传感器类型，所述传 感器类型的某一可测量的量可涉及波导核芯几何结构和有效折射率调制中的变化。
[0021] 当考虑到波导核芯中的几何结构变化时，术语几何结构变化包括几何结构的形状 (例如，从圆形变成矩形）和缩放（例如，将矩形几何结构的大小增加到例如其初始大小的 两倍）的变化。
[0022] 可使用MEMS技术制造本发明的波导和光学传感器。当处理光传播时，使用的最简 单的材料是硅。然而，也可在金属、聚合物、陶瓷或其任何组合（也包括硅）中至少部分地 制造本发明的波导和光学传感器。
[0023] 附图简述
[0024] 本发明现将参考附图来进一步详细描述，附图中
[0025] 图Ia示出光纤布拉格光栅（FBG)的原理，
[0026] 图Ib是根据本发明的具有平板状波导的光学传感器波导的透视图，
[0027] 图Ic示出中空波导中的布拉格光栅的原理，
[0028] 图Id示出布拉格波长由于图Ib中的