【技術實現步驟摘要】
本申請總體上涉及光電，尤其涉及一種微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片及制造方法，主要用于對象的加速度，應用于慣性導航、振動以及傾角測量等。
技術介紹
1、加速度傳感器主要應用于慣性導航、振動以及傾角測量。在工業領域，加速度傳感器可廣泛用于大型結構和機電設備的振動幅度、頻率、相位等信號的采集，進一步結合算法可以實現異常狀態的識別和預測性健康管理。在工業領域，對加速度傳感器在電氣絕壓性能、抗雷擊和電磁干擾能力、超低溫和超高溫工作能力、超低頻到中高頻的寬頻響應能力等方面提出了更苛刻的要求，如核電機組、軌道交通中的輪軌和受電弓、礦山機械、風機葉片、遠洋船舶和動力機組等大型裝備中，要求傳感器電絕緣、耐輻射、抗電磁干擾、耐受極端高低溫、超高精度、抗大加速度沖擊。
2、常用的加速度傳感器可分為電學檢測加速度傳感器和光學檢測加速度傳感器。電學檢測加速度傳感器采用機電方法測量質量塊的慣性力或位移，光學檢測加速度傳感器則采用光學信號測量質量塊的慣性力或位移，與前者相比，不但具有抗電磁干擾無與倫比的獨特優點，而且體小質輕，動態范圍寬，精度高，能在高溫、高濕等惡劣環境下工作。光學檢測加速度傳感器為了提高傳輸距離和抗電磁干擾能力，通常采用光纖作為信號傳輸手段。
3、傳統的本征型光纖傳感器用經過局部加工后的光纖或整根光纖作為傳感和傳輸元件，天然適合用于惡劣工業環境，但受限于光纖及封裝結構材料自身的恒彈性能、光纖與封裝結構之間的溫度系數差異引入的溫度漂移和應力漂移、光源的可用光譜范圍等諸多因素的制約，在寬溫范圍內光纖傳感器達
4、單晶硅具有優異的恒彈性、較低的熱膨脹系數，是制作力學結構和慣性質量塊-彈性梁組合式加速度敏感結構的理想材質。尤其是隨著mems微納制造工藝的發展，利用單晶硅片制做傳感器敏感芯片結構并通過一體化制作電阻、電容或諧振器實現電信號的讀出，已實現了壓力、加速度、聲音等力學類傳感器的mems批量一致性制造。中國專利cn115728512a、cn115728511a公開了一種光纖加速度傳感器，在soi硅片上沉積有第一反射層，在第三基底上沉積有玻璃片拋光的第二反射層，該加速度傳感器基于硅-玻璃鍵合結構制作的mems光學加速度傳感器，必須保留足夠的間隙才能避免高鍵合電壓下硅-玻璃之間的吸合導致慣性敏感結構與基底失去相對位移能力，造成加速度傳感器失效，因此很難通過減小慣性敏感結構與基底之間的間隙來調節mems光學加速度傳感器的阻尼特性；而且玻璃耐溫有限，進一步降低了mems光學加速度傳感器的工作溫度范圍；同時利用soi硅片來制作光學干涉腔或形成慣性敏感結構，其成本較高；該傳感器中的光纖與mems傳感器敏感芯片之間通過膠粘接或低溫玻璃焊接很難保證長期可靠性和耐受高溫能力。
技術實現思路
1、針對現有技術中的光纖加速度傳感器的缺點，本申請提供一種微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片及其制造方法，微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片包括第一基底、第二基底和第三基底，在所述第一基底上加工形成光纖安裝座和通光孔，在所述第二基底上加工有梁結構和慣性質量塊，所述第一基底、第二基底和第三基底均采用雙拋超平硅片，在所述光纖安裝座上固定有單模光纖組件，所述單模光纖組件的端面采用精密研磨并與光纖纖芯的軸向垂直，利用所述慣性質量塊朝向通光孔的一側端面形成第一腔鏡，所述單模光纖組件的端面形成第二腔鏡，所述第一腔鏡和所述第二腔鏡構成f-p干涉腔，所述第一基底、第二基底和第三基底采用硅-硅鍵合工藝實現連接。慣性質量塊朝向通光孔的一側端面形成第一腔鏡，利用了雙拋超平硅片的良好表面光潔度、平整度和單晶硅較高的光學反射率特性，雙拋超平硅片的表面對于1500nm～1600nm的激光反射率超過25%，將其直接作為f-p光學干涉腔的第一腔鏡，采用精密研磨并與光纖纖芯軸向垂直的單模光纖組件的端面作為f-p光學干涉腔的第二腔鏡；由于光信號離開單模光纖組件端面后的發散角導致從f-p光學干涉腔第二腔鏡出射的激光被f-p光學干涉腔第一腔鏡反射后只有極少部分能夠原路返回到f-p光學干涉腔的第二腔鏡并進入單模光纖，保證f-p光學干涉腔的兩個腔鏡可以嚴格平行對準并確保第一腔鏡在慣性質量塊大位移過程中f-p光學干涉腔不但滿足雙光束干涉條件而且光譜特性如插入損耗、對比度等始終能夠接近于恒定不變；可將被測加速度轉換為質量塊的慣性位移從而改變f-p光學干涉腔第一腔鏡與第二腔鏡之間的干涉光程變化，從而計算獲得加速度信息。采用三片雙拋超平硅片，每個硅片通過圖形化刻蝕加工后，采用硅-硅鍵合工藝實現光學加速度敏感芯片批量化制作，消除了晶圓異質聚集成引入的熱應力失配問題，減小了芯片的溫度系數，把芯片整體耐受高溫提高到500℃以上；同時使用雙拋超平硅片代替soi硅片，不僅在傳感器的材料成本上有了明顯降低，同時減少了慣性質量塊上的鍍膜，簡化了傳感器的制造工藝，進一步實現傳感器生產成本的節約。
2、進一步的實施例中，所述單模光纖組件的端面鍍有光學反射膜來調控f-p光學干涉腔的光譜特性，例如鍍反射率為1%～20%的光學反射膜，提高雙光束干涉光譜特性。進一步優選的實施例中，選擇該光學反射膜的反射率小于所述第二基底表面的反射率，從而使得所述第一腔鏡和所述第二腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均為12%，獲得最佳的雙光束干涉效果。
3、進一步的實施例中，所述慣性質量塊通過所述梁結構連接在所述第二基底上，所述梁結構為雙層彈性梁，該雙層彈性梁的結構可以采用申請人之前的現有技術，或是現有技術中能實現慣性質量塊彈性連接的其他梁結構；所述雙層彈性梁結構包括上層彈性梁和下層彈性梁，所述上層彈性梁的上表面與所述第二基底的上表面齊平，所述下層彈性梁的下表面與所述第二基底的下表面齊平。該設置使得第二基底的加工簡單容易實現，第二基底的正反面均為天然面，提高光路效果；梁結構表面無工藝處理，相同表面梁結構之間、正反表面梁結構之間的對稱性提高，優化旁軸抑制的效果。
4、進一步優選的實施例中，所述第一腔鏡和所述第二腔鏡平行，設置f-p光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于入射光強的5%-20%，由此保證光學加速度敏感芯片具有良好的雙光束干涉光譜特性，可以采用激光干涉信號解調原理對芯片內部f-p光學干涉腔第一腔鏡與第二腔鏡之間的干涉光程變化實現萬分之一高精度測量；同時，也保證了光學加速度敏感芯片內部的f-p光學干涉腔具有良好的穩定性和抗橫向振動干擾能力。進一步優選的，根據仿真結果，當f-p光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于等于入射光強的20%，反射光形成良好的正弦信號，便于后續算法進行解調，可高效計算獲得加速度信息。
5、進一步優選的實施例中，在所述第一基底朝向所述第二基底的一面，刻蝕形成上間隙；在所述第三基底朝向本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，包括第一基底、第二基底和第三基底，在所述第一基底上加工形成光纖安裝座和通光孔；其特征在于，在所述第二基底上加工有梁結構和慣性質量塊，所述第一基底、第二基底和第三基底均采用雙拋超平硅片，在所述光纖安裝座上固定有單模光纖組件，所述單模光纖組件的端面采用精密研磨并與光纖纖芯的軸向垂直，利用所述慣性質量塊朝向通光孔的一側端面形成第一腔鏡，所述單模光纖組件的端面形成第二腔鏡，所述第一腔鏡和所述第二腔鏡構成F-P干涉腔，所述第一基底、第二基底和第三基底采用硅-硅鍵合工藝實現連接。
2.根據權利要求1中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于，所述慣性質量塊通過所述梁結構連接在所述第二基底上，所述梁結構為雙層彈性梁，所述雙層彈性梁結構包括上層彈性梁和下層彈性梁，所述上層彈性梁的上表面與所述第二基底的上表面齊平，所述下層彈性梁的下表面與所述第二基底的下表面齊平。
3.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述第三基底背離所述第二基底的一側，貫通所述第
4.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；所述第一腔鏡和所述第二腔鏡平行，設置F-P光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于入射光強的5%-20%。
5.根據權利要求4中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；設置F-P光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于入射光強的20%。
6.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述第一基底朝向所述第二基底的一面，刻蝕形成上間隙；在所述第三基底朝向所述第二基底的一面，刻蝕形成下間隙。
7.根據權利要求6中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；調整所述上間隙和/或下間隙的深度，使光學加速度敏感芯片具有0.707的最佳阻尼比。
8.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；所述光纖安裝座為階梯孔具有第一臺階部和第二臺階部，所述單模光纖組件包括設置在外層的玻璃套管和設置在芯部的單模光纖，所述第一臺階部、第二臺階部、玻璃套管的端面和單模光纖的端面均與所述單模光纖的芯軸垂直，所述第一臺階部與所述玻璃套管的端面形成第一配合，所述第二臺階部與所述單模光纖的端面形成第二配合。
9.根據權利要求8中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；設置玻璃套管的端面和單模光纖的端面之間的距離為第一距離，設置第一臺階部與第二臺階部之間的距離為第二距離，所述第一距離小于所述第二距離，且所述第一距離和第二距離的差值為5-20μm。
10.根據權利要求3中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述第三基底背離所述第二基底的一側，加工形成有沉孔，在所述沉孔的底部開設有貫穿所述第三基底的散光孔；在所述沉孔內布置有消光材料或等效結構，所述消光材料或等效結構覆蓋所述沉孔的底壁和側周。
11.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述單模光纖組件的端面鍍有光學反射膜來調控F-P光學干涉腔的光譜特性，設置所述光學反射膜的反射率小于所述第二基底表面的反射率。
12.一種根據權利要求1至11中任一項的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片的加速度傳感器。
13.一種根據權利要求1至11中任一項的所述微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片的制造方法，具體包括：S1.在所述第二基底上通過加工工藝形成慣性質量塊和梁結構；S2.在所述第一基底上通過加工工藝制作光纖安裝座、通光孔和上間隙；S3.在所述第三基底上通過加工工藝制作下間隙、沉孔和散光孔；所述步驟S1、S2、S3無先后順序區分；S4.?首先將所述第一基底、第二基底和第三基底進行硅-硅晶圓鍵合；再利用所述第三基底的散光孔作為硬掩膜，在所述第二基底的下表面上對應與所述散光孔的位置形成光學增透膜。
14.根據權利要求13中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片的制造方法，其特征在于；在所述步驟S2中，所述第一基底的反面通過KOH腐蝕和干法刻蝕組合工藝制作固定單模光纖組件的光纖安裝座和通光孔。
15.根據權利要求13或14中所述的微腔干...
【技術特征摘要】
1.一種微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，包括第一基底、第二基底和第三基底，在所述第一基底上加工形成光纖安裝座和通光孔；其特征在于，在所述第二基底上加工有梁結構和慣性質量塊，所述第一基底、第二基底和第三基底均采用雙拋超平硅片，在所述光纖安裝座上固定有單模光纖組件，所述單模光纖組件的端面采用精密研磨并與光纖纖芯的軸向垂直，利用所述慣性質量塊朝向通光孔的一側端面形成第一腔鏡，所述單模光纖組件的端面形成第二腔鏡，所述第一腔鏡和所述第二腔鏡構成f-p干涉腔，所述第一基底、第二基底和第三基底采用硅-硅鍵合工藝實現連接。
2.根據權利要求1中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于，所述慣性質量塊通過所述梁結構連接在所述第二基底上，所述梁結構為雙層彈性梁，所述雙層彈性梁結構包括上層彈性梁和下層彈性梁，所述上層彈性梁的上表面與所述第二基底的上表面齊平，所述下層彈性梁的下表面與所述第二基底的下表面齊平。
3.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述第三基底背離所述第二基底的一側，貫通所述第三基底設置有散光孔，在所述第二基底對應于所述散光孔的位置設置有光學增透膜。
4.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；所述第一腔鏡和所述第二腔鏡平行，設置f-p光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于入射光強的5%-20%。
5.根據權利要求4中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；設置f-p光學干涉腔兩個腔鏡反射回到光纖的兩束干涉光具有相同光強且各自光強均低于入射光強的20%。
6.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；在所述第一基底朝向所述第二基底的一面，刻蝕形成上間隙；在所述第三基底朝向所述第二基底的一面，刻蝕形成下間隙。
7.根據權利要求6中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；調整所述上間隙和/或下間隙的深度，使光學加速度敏感芯片具有0.707的最佳阻尼比。
8.根據權利要求1或2中所述的微腔干涉儀原理的寬溫高精度光學加速度敏感芯片，其特征在于；所述光纖安裝座為階梯孔具有第一臺階部和第二臺階部，所述單模光纖組件包括設置在外...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鐘少龍，郭智慧，龍亮，周偉，郭涼杰，
申請(專利權)人：上海拜安傳感技術有限公司，
類型：發明
國別省市：
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