阅读说明：本技术 一种光子灵敏传感芯片 (Photon sensitive sensing chip ) 是由 周炆杰 刘晓海 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光子灵敏传感芯片,其包括机械响应结构,用于响应外界机械信号变化并且根据外界机械信号变化产生相应的形态变化；光子敏感结构,用于根据所述机械响应结构中的形态变化相应地改变光子物理量；所述机械响应结构和所述光子敏感结构之间相互联结；所述机械响应结构和所述光子敏感结构通过芯片加工工艺制作在同一硅基材料之上。通过设置机械响应结构以及光子敏感结构在同一硅基材料上,通过响应外界机械信号的变化相应地改变光子物理量,能够提高对外界的灵敏度,同时根据本申请的技术方案形成的传感芯片结构简单,便于多领域的应用。(The invention discloses a photon sensitive sensing chip, which comprises a mechanical response structure, a sensor and a control circuit, wherein the mechanical response structure is used for responding to the change of an external mechanical signal and generating corresponding form change according to the change of the external mechanical signal; a photon sensitive structure for correspondingly changing photon physical quantities according to morphological changes in the mechanical responsive structure; the mechanical response structure and the photon sensitive structure are mutually connected; the mechanical response structure and the photon sensitive structure are manufactured on the same silicon-based material through a chip processing technology. Through setting up mechanical response structure and photon sensitive structure on same silica-based material, change through responding to external mechanical signal's change and change photon physical quantity correspondingly, can improve sensitivity to the external world, the sensor chip simple structure who forms according to the technical scheme of this application simultaneously, the multi-domain application of being convenient for.)

一种光子灵敏传感芯片

技术领域

本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种光子灵敏传感芯片。

背景技术

传感器是人工智能、物联网、智能驾驶、生物医药、国防科技等众多科技领域中关键的核心部件。传感灵敏度高及传感类型全面是人们对于传感器的两项基本要求。尽管传感器种类繁多，但是芯片集成式的传感器以其体积小、成本低、性能好、功耗低等优势迅速替代了传统的传感器。

如今，在芯片集成式的传感器中，占据主导地位的是发展几近成熟的电子传感器芯片方案。尽管电子传感芯片已经广泛用于消费电子、工业传感等多种领域，但是，由于电子本身物理特性的限制，使其在实现超高灵敏和全面类型传感器芯片方面遇到了不可逾越的瓶颈，从而无法满足人们在人工智能、物联网等下一代信息技术领域对于更高端传感器芯片的需求。

例如，振动传感器是一类非常重要的基础性传感器，然而由于电子物理效应的限制，目前市面上的振动传感器都无法通过芯片集成的方式来实现，从而严重地影响了人工智能、物联网等产业的发展。

再比如，角度传感器的精度对于智能驾驶、惯性导航等应用场景至关重要。尽管当前的电子陀螺仪芯片已经替代了传统的固体式陀螺仪，但是电子陀螺仪芯片的精度仍然无法满足实际要求。这是因为两方面的原因：一是陀螺的物理效应相当微弱，即便使用昂贵的超灵敏电子信号放大电路仍无法克服其物理性能的瓶颈；二是陀螺仪直接输出的角速度信号需要通过积分电路来转换成角度信号，而这必然导致了原理上无法克服的静态工作点漂移所带来的误差。

为了突破电子传感器的灵敏度瓶颈，人们尝试了多种其它的技术方案，比较典型有光纤传感器和光电传感器。

光纤传感器利用光纤折射率对外界信号的敏感来提高灵敏度，例如光纤陀螺仪的精度就可能高于电子传感器芯片十倍以上，但是它需要非常长的光纤长度才能实现，从而根本无法实现小型化和低成本。

现在逐渐增多的光电传感器芯片虽然利用了光信号的敏感性，但它们都是通过光电探测器直接将光信号转换成电信号，其中的光信号并没有通过机械方式进行放大效应，因此光电探测器芯片对于外界其他信号不敏感，从而限制了光电传感器的应用领域。

发明内容

为了解决以上问题的一个或多个，本发明申请提出一种光子灵敏传感芯片。

根据本发明申请的一个方面，提供一种光子灵敏传感芯片，其包括机械响应结构，用于响应外界机械信号变化并且根据外界机械信号变化产生相应的形态变化；光子敏感结构，用于根据所述机械响应结构中的形态变化相应地改变光子物理量；所述机械响应结构和所述光子敏感结构之间相互联结；所述机械响应结构和所述光子敏感结构通过芯片加工工艺制作在同一硅基材料之上。其有益效果是：通过设置机械响应结构以及光子敏感结构在同一硅基材料上，并且两者之间通过特定的传感机制将所述机械响应结构的形态变化和所述光子敏感结构的光子物理量的改变相互建立起必然的物理联系，通过响应外界机械信号的变化相应地改变光子物理量，能够提高对外界的灵敏度，同时根据本申请的技术方案形成的传感芯片集成度高，结构简单，便于多领域的应用。

在某些实施方式中，机械响应结构的形态变化和所述光子敏感结构的光子物理量改变之间通过特定的传感机制进行物理联系。其有益效果是：通过所述光子敏感结构的放大效应增强对外界机械信号的响应灵敏度。

在某些实施方式中，特定的传感机制包括，机械响应结构的角度变化使得所述光子敏感结构的光子反射角度发生改变，或者所述机械响应结构的横向或纵向周期性位移的变化使得所述光子敏感结构的光子衍射角度发生改变，或者所述机械响应结构的各向异性折射率的变化使得所述光子敏感结构的光子偏振状态发生改变。其有益效果是：通过物理规律将所述光子敏感结构和所述机械响应结构之间建立联系。

在某些实施方式中，芯片加工工艺包括：光刻，刻蚀，离子注入或掺杂，晶圆键合工艺，溅射或淀积工艺。

在某些实施方式中，硅基材料包括第二硅基材料，所述光子敏感结构形成于所述机械响应结构的一侧，所述机械响应结构和所述光子敏感结构均形成于第二硅基材料。其有益效果是：以硅基芯片的形式将所述机械响应结构和所述光子敏感结构相互集成在同一芯片之上，从而实现高性能、小型化、低成本。

在某些实施方式中，机械响应结构包括旋转质量块以及与所述旋转质量块连接的悬臂梁结构。其有益效果是：将外界的机械信号通过所述悬臂梁结构传递至所述旋转质量块，并将外界旋转角度信号转变成为所述旋转质量块与所述硅基材料之间的相对角度之差。

在某些实施方式中，光子敏感结构为第一反射面，所述第一反射面形成于所述旋转质量块的一侧面，所述第一反射镜面的反射率≥95%。其有益效果是：将所述旋转质量块产生的相对角度差转换成为光子信号的角度变化。

在某些实施方式中，第二硅基材料上还形成有透射窗口，所述透射窗口用于光子的输入与输出。其有益效果是：使得从外部输入光子信号与所述光子敏感结构建立联系，并使得从所述光子敏感结构反射后的光子输出至外部。

在某些实施方式中，还包括与所述第二硅基材料联结的第一硅基材料，所述第一硅基材料的晶面方向为（110）的（111）晶向上形成一个倾斜角约为54.5°的倾斜面，所述倾斜面上形成有第二反射镜面，所述第二反射镜面的反射率≥95%。其有益效果是：改变光子角度方向，以方便光子信号的输入和输出。

在某些实施方式中，第一反射镜面、第二反射镜面以及透射窗口共同形成光子的输入或输出通路。

本发明的有益效果是：通过设置机械响应结构以及光子敏感结构在同一硅基材料上，并且两者之间通过特定的传感机制将所述机械响应结构的形态变化和所述光子敏感结构的光子物理量的改变相互建立起必然的物理联系，通过响应外界机械信号的变化相应地改变光子物理量，能够提高对外界的灵敏度，同时根据本申请的技术方案形成的传感芯片集成度高，结构简单，便于多领域的应用。此外，基底材料选用硅基材料，其原材料丰富，能有效降低成本，方便扩展应用。

附图说明

图1为本发明光子灵敏传感芯片的结构示意框图。

图2为本发明的光子灵敏传感芯片的具体结构示意图。

图中，第一硅基材料1；第二硅基材料2；悬臂梁结构3；旋转质量块4；第一反射镜面5；第二反射镜面6；透射窗口7；硅基材料10；机械响应结构20；光子敏感结构30。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1-2示意性地给出了本发明的一种光子灵敏传感芯片。

如图1所示，一种光子灵敏传感芯片，其包括机械响应结构20，用于响应外界机械信号变化并且根据外界机械信号变化产生相应的形态变化。光子敏感结构30，用于根据所述机械响应结构20中的形态变化相应地改变光子物理量。所机械响应结构20和所述光子敏感结构30之间相互联结。机械响应结构20和光子敏感结构30通过芯片加工工艺制作在同一硅基材料之上。

在某些实施方式中，机械响应结构20和所述光子敏感结构30的光子物理量改变之间通过特定的传感机制进行物理联系。即：所述机械响应结构20和所述光子敏感结构30之间通过特定的传感机制将所述机械响应结构20的形态变化和所述光子敏感结构30的光子物理量的改变相互建立起必然的物理联系。其中，形态变化可以为角度变化，光子物理量为强度，相位，频率和偏振。由此，通过所述光子敏感结构的放大效应增强对外界机械信号的响应灵敏度。

特定的传感机制包括，机械响应结构20的角度变化使得所述光子敏感结构30的光子反射角度发生改变，即光子敏感结构30以反射镜面结构转动的方式导致光子反射角发生改变。或者机械响应结构20的横向或纵向周期性位移的变化使得所述光子敏感结构30的光子衍射角度发生改变，即光子敏感结构30以反射或透射光栅结构的光栅常数变化的方式导致的光子衍射角度发生改变。或者机械响应结构20的各向异性折射率的变化使得所述光子敏感结构30的光子偏振状态发生改变，即光子敏感结构30以双臂干涉仪结构的相位变化的方式导致光子偏振状态发生改变。

在某些实施方式中，芯片加工工艺包括：光刻，刻蚀，离子注入或掺杂，晶圆键合工艺，溅射或淀积工艺。

在某些实施方式中，硅基材料包括第二硅基材料2，所述光子敏感结构30形成于所述机械响应结构20的一侧，所述机械响应结构20和所述光子敏感结构30均形成于第二硅基材料2。由此，以硅基芯片的形式将所述机械响应结构和所述光子敏感结构相互集成在同一芯片之上，从而实现高性能、小型化、低成本。

在某些实施方式中，机械响应结构包括旋转质量块4以及与所述旋转质量块4连接的悬臂梁结构3。由此，将外界的机械信号通过所述悬臂梁结构传递至所述旋转质量块，并将外界旋转角度信号转变成为所述旋转质量块与所述硅基材料之间的相对角度之差。

在某些实施方式中，光子敏感结构30为第一反射镜面5，第一反射镜面5形成于旋转质量块4的一侧面，所述第一反射镜面5的反射率≥95%。由此，所述旋转质量块产生的相对角度差转换成为光子信号的角度变化。

在某些实施方式中，第二硅基材料2上还形成有透射窗口7，所述透射窗口7用于光子的输入与输出。由此，使得从外部输入光子信号与所述光子敏感结构建立联系，并使得从所述光子敏感结构反射后的光子输出至外部。

在某些实施方式中，还包括与所述第二硅基材料2联结的第一硅基材料1，所述第一硅基材料1的晶面方向为（110）的（111）晶向上形成一个倾斜角约为54.5°的倾斜面，所述倾斜面上形成有第二反射镜面6，所述第二反射镜面6的反射率≥95%。由此，改变光子角度方向，以方便光子信号的输入和输出。

在某些实施方式中，第一反射镜面5、第二反射镜面6以及透射窗口7共同形成光子的输入或输出通路。

举例而言，如图2所示的光子传感芯片，实现其结构具体方式如下：

第一硅基材料1，图2标示为W1，在其晶面方向为（110）的（111）晶向上通过光刻和各向异性湿法腐蚀刻蚀工艺形成一个倾斜角约为的54.5°倾斜面，然后通过溅射或沉积工艺使得该倾斜面形成厚度约为0.8微米的第二反射镜面6，第二反射镜面6的反射率在95%以上。

第二硅基材料2，图2标示为W2，第二硅基材料2上通过深度干法刻蚀工艺，形成一旋转质量块4结构以及中间的细长的悬臂梁结构3，其中旋转质量块的尺寸为100微米×100微米×300微米，悬臂梁的尺寸为50微米×5微米×5微米，然后通过溅射或淀积工艺使得该旋转质量块4的某一侧面形成第一反射镜面5，第一反射反射镜面5的反射率在95%以上。

接着，通过晶圆键合工艺将这两块第一硅基材料1和第二硅基材料2即硅基晶圆（W1和W2）进行对准和粘结成一体，形成一片整体的芯片。

最后，在上方的第二硅基材料2上用深法干法刻蚀形成一个10微米的透射窗口7，在这一透射窗口7上放置一个微型凸透镜，该凸透镜的放置既可以通过人工贴片工艺或者与另一块玻璃晶圆制成的凸透镜阵列的晶圆相互键合而成。

该光子传感芯片的工作原理如下：当与所述光子传感芯片的第一硅基材料1相固定的外部装置发生转动时，第一硅基材料1将立即随之发生转动，然而，旋转质量块4在悬臂梁结构3的支持下具有转动惯性，从而使得旋转质量块4与第一硅基材料1之间形成相对转动角度，由于旋转质量块4侧面的第一反射镜面5与旋转质量块4相固定连接，因此旋转质量块4侧面的第一反射镜面5也将产生一个相对转动角度，所导致的相对转动角度通过第一硅基材料1上固定的倾斜的第二反射镜面6再次反射后，转变为凸透镜另一侧的输入光子与输出光子之间的非常灵敏的空间位置变化，这种灵敏的空间位置变化很容易通过后端的、通用的位移敏感光电探测器（Position Sensing Detector，PSD）所检测出来。根据位移敏感光电探测器（PSD）检测得到的光电流的变化就可以精确地反演出第一硅基材料1与旋转质量块4之间的相对小角度变化，从而实现灵敏的小角度传感器芯片。

通过所述光子角度传感芯片，可以实现光强变化20dB时偏转角度为0.2度的精度，由于光电探测器的精度可达0.1dB，因此整个芯片可实现千分之一度的变化角度的测量。其角度灵敏度远高于当前的电子陀螺仪芯片，甚至可以与庞大且昂贵的光纤陀螺仪设备的精度相媲美。

本发明的有益效果是：通过设置机械响应结构以及光子敏感结构30在同一硅基材料上，并且两者之间通过特定的传感机制将所述机械响应结构20的形态变化和所述光子敏感结构30的光子物理量的改变相互建立起必然的物理联系，通过响应外界机械信号的变化相应地改变光子物理量，能够提高对外界的灵敏度，同时根据本申请的技术方案形成的传感芯片结构简单，便于多领域的应用。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。