基于储备池腔光增强的腔光力学MEMS加速度传感器

本发明属于加速度传感器，更具体地，涉及一种基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器。

背景技术：

1、加速度传感器是一种测量运动物体加速度的仪器，目前已有深入的研究与广泛的应用，涉及诸多领域，如惯性导航、地震监测、资源勘探、消费电子等。传统的压阻式、电容式mems加速度传感器正不断接近性能极限，与之相比，基于法布里-珀罗谐振腔(f-p腔)的腔光力学mems加速度传感器，具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强、微型化和结构简单易加工等优势，是下一代高精度加速度传感器的研究方向，发展潜力巨大。

2、然而，目前腔光力学mems加速度传感器在提高腔的品质因数(q值)上面临一些问题：腔q值主要取决于腔长和反射面的反射率，一方面，小尺寸的腔光力学器件很难通过增加腔长有效提高腔q值和光力耦合效率；另一方面，mems工艺制造的腔光力学器件表面粗糙度难以制备高反射率腔镜。因此，为提高腔光力学加速度传感器性能，需探索能够有效提高腔光力学器件q值的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，通过在传统f-p传感腔的基础上，搭建参数匹配的储备f-p腔，能够有效提高传感器的品质因数，并能够在相对较低反射率下，实现较高品质因数，有效降低器件制造的难度与成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，包括双腔传感单元和光学检测单元，所述双腔传感单元包括依次间隔平行设置的弹簧振子结构、mems凹面镜和mems平面镜，所述弹簧振子结构包括质量块、悬浮梁和外框架，质量块通过悬浮梁连接外框架，质量块和mems凹面镜之间构成传感作用的平凹型f-p腔，mems凹面镜和mems平面镜之间构成储备f-p腔，所述储备f-p腔与平凹型f-p腔以反共振状态匹配；所述光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件；

3、其中，所述调制光路用于调制入射的1550nm激光波长，使激光波长失谐锁定在谐振峰一侧的工作点；所述传输光路用于将确定波长后的激光传输至双腔传感单元；所述双腔传感单元用于将外界加速度激励转换为质量块的位移，并通过平凹型f-p腔进行多光束干涉，然后将携带加速度信息的反射光通过传输光路发送至光电探测部件进行加速度测量。

4、在其中一个实施例中，所述弹簧振子结构朝向mems凹面镜的一面与mems平面镜朝向mems凹面镜的一面均镀有反射率为r1的反射膜，所述mems凹面镜朝向弹簧振子结构的凹面镀有反射率为r2的反射膜；

5、其中，所述储备f-p腔与平凹型f-p腔以反共振状态匹配满足：

6、r2＝4r1/(1+r1)2

7、l1/l2＝1/2

8、式中，l1为所述平凹型f-p腔的腔长；l2为所述储备f-p腔的腔长。

9、在其中一个实施例中，所述mems平面镜远离mems凹面镜的一面镀有增透膜。

10、在其中一个实施例中，所述mems凹面镜采用mems各向同性湿法刻蚀工艺，在单晶硅片上刻蚀一定深宽比的半球形凹面腔体。

11、在其中一个实施例中，所述半球形凹面腔体的半球形深度与曲率半径比值为0.47～0.53，其中，深度为290～310μm，曲率半径为590～610μm。

12、在其中一个实施例中，所述弹簧振子结构的质量块表面、mems凹面镜和mems平面镜均采用sinx薄膜制备的光子晶体反射膜。

13、在其中一个实施例中，所述弹簧振子结构由soi硅片mems工艺制造而成，在soi结构中的器件层制作悬浮梁，用于维持质量块保持面外方向运动。

14、在其中一个实施例中，采用双片soi工艺键合的方式制备双面对称分布的悬浮梁结构。

15、在其中一个实施例中，所述调制光路采用激光器、电光调制器和光学衰减器；所述传输光路采用光纤环形器和光学准直器；所述光电探测部件采用光电探测器。

16、在其中一个实施例中，所述光学检测单元还包括光谱仪，所述光谱仪用于实时检测所述电光调制器调制后的激光波长。

17、总体而言，通过本发明所述的以上技术方案与现有技术相比具有以下有益效果：(1)在传统传感f-p腔基础上，搭建参数匹配的储备f-p腔双腔结构，储备f-p腔能够有效提高传感器腔品质因数，从而提高加速度传感器的灵敏度；(2)本发明所设计的双腔结构能够在相对较低反射率下，实现较高品质因数，有助于降低器件制造的难度与成本；(3)本发明所设计的双腔结构均由mems工艺制造、封装，体积小，可批量化生产，能够满足更多应用场景需求。

技术特征：

1.一种基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，包括双腔传感单元和光学检测单元，所述双腔传感单元包括依次间隔平行设置的弹簧振子结构、mems凹面镜和mems平面镜，所述弹簧振子结构包括质量块、悬浮梁和外框架，质量块通过悬浮梁连接外框架，质量块和mems凹面镜之间构成传感作用的平凹型f-p腔，mems凹面镜和mems平面镜之间构成储备f-p腔，所述储备f-p腔与平凹型f-p腔以反共振状态匹配；所述光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件；

2.根据权利要求1所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述弹簧振子结构朝向mems凹面镜的一面与mems平面镜朝向mems凹面镜的一面均镀有反射率为r1的反射膜，所述mems凹面镜朝向弹簧振子结构的凹面镀有反射率为r2的反射膜；

3.根据权利要求2所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述mems平面镜远离mems凹面镜的一面镀有增透膜。

4.根据权利要求2所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述mems凹面镜采用mems各向同性湿法刻蚀工艺，在单晶硅片上刻蚀一定深宽比的半球形凹面腔体。

5.根据权利要求4所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述半球形凹面腔体的半球形深度与曲率半径比值为0.47～0.53，其中，深度为290～310μm，曲率半径为590～610μm。

6.根据权利要求2所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述弹簧振子结构的质量块表面、mems凹面镜和mems平面镜均采用sinx薄膜制备的光子晶体反射膜。

7.根据权利要求2所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述弹簧振子结构由soi硅片mems工艺制造而成，在soi结构中的器件层制作悬浮梁，用于维持质量块保持面外方向运动。

8.根据权利要求7所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，采用双片soi工艺键合的方式制备双面对称分布的悬浮梁结构。

9.根据权利要求2所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述调制光路采用激光器、电光调制器和光学衰减器；所述传输光路采用光纤环形器和光学准直器；所述光电探测部件采用光电探测器。

10.根据权利要求9所述的基于储备池腔光增强的腔光力学mems加速度传感器，其特征在于，所述光学检测单元还包括光谱仪，所述光谱仪用于实时检测所述电光调制器调制后的激光波长。

技术总结
本发明公开了一种基于储备池腔光增强的腔光力学MEMS加速度传感器，包括双腔传感单元和光学检测单元，其中，双腔传感单元包括依次间隔平行设置的弹簧振子结构、MEMS凹面镜和MEMS平面镜，弹簧振子结构包括质量块、悬浮梁和外框架，质量块和MEMS凹面镜之间构成传感作用的平凹型F‑P腔，MEMS凹面镜和MEMS平面镜之间构成储备F‑P腔，储备F‑P腔与平凹型F‑P腔以反共振状态匹配；光学检测单元包括调制光路、传输光路和光电探测部件。本发明在传统传感F‑P腔的基础上，搭建参数匹配的储备F‑P腔，能够有效提高传感器的品质因数，并能够在相对较低反射率下，实现较高品质因数，有效降低器件制造的难度与成本。

技术研发人员：马徐进,刘骅锋,马怡秋,焦世民,周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15