阅读说明：本技术 一种mems换能结构及其应用 (A kind of MEMS transducing structure and its application ) 是由 陶继方 李长蓬 李炎 赵佳 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种MEMS换能结构及其应用,MEMS换能结构包括自下至上依次设置的衬底、包层、波导层、侧壁和薄膜反射镜,波导层中设置有光栅耦合器；侧壁围设在波导层上,薄膜反射镜设置在侧壁上,薄膜反射镜、侧壁和波导层形成光反射空腔；基于MEMS换能结构的光子型微声学传感器,包括依次连接的光源、输入光耦合器、马赫-曾德尔干涉仪、输出光耦合器和检测器。本发明提供的光子型微声学传感器结通过将光学传感技术同MEMS技术相结合,大大提高了灵敏度、分辨率与信噪比,同时还具有MEMS系统尺寸小、成本低、可靠性高、重量轻和易于大规模批量生产等优势。(The present invention relates to a kind of MEMS transducing structure and its application, MEMS transducing structure includes the substrate set gradually from bottom to top, covering, ducting layer, side wall and film reflecting mirror, is provided with grating coupler in ducting layer；Side wall is disposed around on ducting layer, and film reflecting mirror is arranged on side wall, and film reflecting mirror, side wall and ducting layer form light reflecting chamber；Photon type microsonics sensor based on MEMS transducing structure, including sequentially connected light source, input photo-coupler, Mach-Zender interferometer, output optical coupler and detector.Photon type microsonics sensor knot provided by the invention is by combining optical sensing technology with MEMS technology, it substantially increases sensitivity, resolution ratio and signal-to-noise ratio, while also there is small MEMS system size, at low cost, high reliablity, light-weight and be easy to the advantages such as large-scale serial production.)

一种MEMS换能结构及其应用

技术领域

本发明涉及一种MEMS换能结构及其应用，属于微声学传感器技术领域。

背景技术

声学传感器是一种将声音振动信号转化为可检测电信号的电子器件，目前微型化的解决方案，主要是基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术，制作高灵敏度薄膜换能结构，将声音的振动能转变成薄膜的形变机械能，进而通过电容变化或压电效应，进行电学读出。MEMS声学传感器具有尺寸小、成本低、可靠性高、重量轻和易于大规模批量生产等优势，在商业产品中取得良好的应用，典型代表如MEMS麦克风、MEMS水听器等。

传统的MEMS声学传感器，主要是电容式和压电式。但MEMS电容/压电传感器的灵敏度一般随着传感器的尺寸减小而降低。其中压电式传感器是最传统的声学传感器。它主要是利用声振动信号使压电换能器发生形变，在换能器两极上引起电荷的重新分布,然后转变为电信号输出。但压电式声传感器有它本身的缺点：压电式传感器有效输出来自于被测能量的一部分，制成的传感器内阻高，输出能量小。零频率时,要求长时间保持微弱的静电荷比较困难，传感频率特性差、噪声大、灵敏度差，只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界因素的影响。

相比之下，电容式传声器以其在信噪比、频率响应平坦度和长期稳定性方面的优势,已成为目前研究的主流。但是电容式传感结构中也有固有的一些限制，如：当减小下极板面积或增加下极板穿孔率可有效减小电容式传感器的热机械噪声，但同时也减小了电容的容值，这种矛盾严重限制了电容式传感器的发展；与电容传感相关的电子噪声和与被动阻尼相关的热噪声降低了信噪比；虽然电灵敏度与偏置电压成正比，但当电压超过临界值时，引力会导致膜片对后板塌陷；极板间隙小、寄生电容等原因也会导致传感器的噪声大、灵敏度低等。

随着现代测量技术的发展，对声学传感器尺寸、接收灵敏度、信噪比等参数的要求越来越高，而上述两种方案均难以满足现代高精度传感测量技术的要求。

以目前应用最为广泛的电容式传感器为例，电容式传感器主要存在以下几种固有的限制，导致其灵敏度和信噪比难以提高。

1.当减少后电极板面积可减少热机械噪声，但是会导致电容值降低，因此会降低它的电灵敏度。反之虽然会提高灵敏度但是会降低信噪比。

2.电容式传感器需要加一个偏置电压，随着偏置电压的增加，电灵敏度增加。但是电压提高到一定程度，传感器膜片塌陷到底板上，称为崩溃电压。而且崩溃电压与膜片机械灵敏度的平方根成反比，也就是说膜片机械灵敏度越高，崩溃电压越小。因此无论是提高偏置电压以提高电灵敏度，还是提高膜片机械灵敏度都是有限的。

3.极板间隙小、寄生电容等原因也会导致传感器的噪声大、灵敏度低。

除此之外，电子式传感器易受电磁干扰且不易长距离传输，也不能满足易燃易爆等特殊环境的应用需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种MEMS换能结构及其应用。

术语解释:

MEMS:Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统。

本发明的技术方案为：

一种MEMS换能结构，包括自下至上依次设置的衬底、包层、波导层、侧壁和薄膜反射镜，所述波导层中设置有光栅耦合器；所述侧壁围设在所述波导层上，所述薄膜反射镜设置在所述侧壁上，所述薄膜反射镜、侧壁和波导层形成光反射空腔；当光源输出的光经过MEMS换能结构时，由所述光栅耦合器将来自所述波导层的入射光耦合到所述光反射空腔中，经所述薄膜反射镜的反射，再由所述光栅耦合器将反射光耦合到波导层中；当所述薄膜反射镜在声压的影响下发位移时，光的光程会发生改变，光栅耦合器收集并输出光，使输出光的相位发生改变。

根据本发明优选，所述光栅耦合器的数量为1或2个；进一步优选的，所述光栅耦合器的数量为2个，2个所述光栅耦合器之间的距离为0～20μm。合理的设置光栅耦合器能够减小换能器的光损耗。

根据本发明优选，光源的工作波长位于C波段或O波段，所述光栅耦合器的光栅周期为600～660nm，光栅刻蚀深度为50～150nm，光栅占空比为0.4～0.6；进一步优选的，所述光源的工作波长为1550nm，所述光栅耦合器的光栅周期630nm，光栅刻蚀深度为70nm，光栅占空比为0.5。在光栅耦合器的参数范围内耦合效率高，光可以更多耦合出或耦合进入波导，减少MEMS换能结构的光损耗，提高分辨率和灵敏度。

根据本发明优选，所述波导层的厚度为220～250nm；进一步优选的，所述波导层的厚度为220nm。

根据本发明优选，所述侧壁的材料为二氧化硅，所述侧壁的厚度0～50μm；进一步优选的，所述侧壁的厚度为33μm。二氧化硅作为侧壁材料热胀冷缩率低，有利于提高稳定性，减少因温度导致的测量结果发生改变。

根据本发明优选，所述衬底的材料为硅，所述包层的材料为二氧化硅，所述波导层的材料为硅或者氮化硅。

根据本发明优选，利用硅刻蚀的方法在所述波导层上制备得到所述光栅耦合器；然后在所述波导层上沉积二氧化硅层，再刻蚀掉二氧化硅层的中间部分，形成所述侧壁。在标准的SOI(绝缘衬底上的硅)上利用硅光子工艺进行加工，工艺简单易于实现，有望实现大规模制造。

根据本发明优选，所述衬底和包层之间设置有反射镜。反射镜用于提高光栅耦合器的发射和收光效率。

基于上述MEMS换能结构的光子型微声学传感器，包括依次连接的光源、输入光耦合器、马赫-曾德尔干涉仪、输出光耦合器和检测器；所述马赫-曾德尔干涉仪包括第一臂和参考臂，所述第一臂上设置有所述MEMS换能结构，所述参考臂上设置有可调光衰减器。

光源发出的光束，由输入光耦合器分为两路光，分别入射到马赫-曾德尔干涉仪的第一臂和参考臂中，参考臂上设置有具有可调谐的掺杂吸收区域的可调光衰减器，用以平衡两臂输出的光功率；第一臂上设置有上述MEMS换能结构，当第一臂中的光经过MEMS换能结构中的波导层，由设置在波导层中的光栅耦合器将光耦合到光反射空腔中，经由薄膜反射镜反射，再由到光栅耦合器耦到波导层中；第一臂和参考臂中的两路光最终经由输出光耦合器会合，由于各自经过不同的光程产生相对相移，在输出耦合器中会合后产生干涉条纹，将相变转化为光功率信号。外部压力或声音引起的薄膜反射镜的微小位移会引起MEMS换能结构的光反射空腔中传播光的光程发生改变。两臂的光程差发生改变，使两臂输出光的相位差发生改变，最终导致干涉条纹光强发生改变。再由检测器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，由电子计算机计算出薄膜反射镜发生的位移量，进而得到薄膜反射镜所受的声压。

根据本发明优选的，所述马赫-曾德尔干涉仪还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设置在所述第一臂的顶端，所述第二反射镜设置在所述参考臂的顶端。

从光源发出的光束，由光耦合器分为两路入射到马赫-曾德尔干涉仪的第一臂和参考臂中，在参考臂中，光路经过可调光衰减器，经由第二反射镜反射后，光再次经过可调衰减器传输到光耦合器中；在第一臂中，光经过MEMS换能结构，经由第一反射镜反射后，光再次经过所述MEMS换能结构传输到光耦合器中；第一臂和参考臂中的两路光最终在光耦合器中合并输出；第一反射镜和第二反射镜的设置有利于提高所述光子型微声学传感器的灵敏度。由于各自经过不同的光程产生相对相移，在光耦合器中会合后产生干涉条纹，将相变转化为光功率信号。外部压力或声音引起的薄膜反射镜的微小位移会引起MEMS换能结构的光反射空腔中传播光的光程发生改变。两臂的光程差发生改变，使两臂输出光的相位差发生改变，最终导致干涉条纹光强发生改变。再由检测器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，由电子计算机计算出薄膜反射镜发生的位移量，进而得到薄膜反射镜所受的声压。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的MEMS换能结构可以灵活应用于多种系统，且结构简单，与硅光集成工艺相结合有望实现大规模制造。

2.与传统的电子式传感器相比，本发明提供的光子型微声学传感器结通过将光学传感技术同MEMS技术相结合，大大提高了灵敏度、分辨率与信噪比，同时还具有MEMS系统尺寸小、成本低、可靠性高、重量轻和易于大规模批量生产等优势。

3.本发明提供的光学传感器也可以弥补电子式传感器易受电磁干扰等缺陷，为声音、压强、位移传感器的微型化以及在复杂环境下的应用提供了良好的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种MEMS换能结构的结构示意图。

图2为本发明实施例3提供的一种基于MEMS换能结构的光子型微声学传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例4提供的一种基于MEMS换能结构的光子型微声学传感器的结构示意图。

1、薄膜反射镜，2、波导层，3、侧壁，4、衬底，5、光栅耦合器，6、反射镜，7、包层，8、检测器，9、光源，10、输入光耦合器，11、MEMS换能结构，12、可调光衰减器，13、输出光耦合器，14、光耦合器，15、第二反射镜，16、第一反射镜，17、第一臂，18、参考臂。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种MEMS换能结构，如图1所示，包括自下至上依次设置的衬底4、包层7、波导层2、侧壁3和薄膜反射镜1，波导层2中设置有光栅耦合器5；侧壁3围设在波导层2上，薄膜反射镜1设置在侧壁3上，薄膜反射镜1、侧壁3和波导层2形成光反射空腔；当光源输出的光经过MEMS换能结构时，由光栅耦合器5将来自波导层2的入射光耦合到光反射空腔中，经薄膜反射镜1的反射，再由光栅耦合器5将反射光耦合到波导层2中；当薄膜反射镜1在声压的影响下发位移时，光的光程会发生改变，光栅耦合器5收集并输出光，使输出光的相位发生改变。

光栅耦合器5的数量为1-2个；2个光栅耦合器5之间的距离为0～20μm。

光源的工作波长位于C波段或O波段，光栅耦合器5的光栅周期为600～660nm，光栅刻蚀深度为50～150nm，光栅占空比为0.4～0.6；

波导层2的厚度为220～250nm；

侧壁3的材料为二氧化硅，侧壁3的厚度0～50μm；二氧化硅作为侧壁3材料热胀冷缩率低，有利于提高稳定性，减少因温度导致的测量结果发生改变。

衬底4的材料为硅，包层7的材料为二氧化硅，波导层2的材料为硅或者氮化硅。

利用硅刻蚀的方法在波导层2上制备得到光栅耦合器5；然后在波导层2上沉积二氧化硅层，再刻蚀掉二氧化硅层的中间部分，形成侧壁3。在标准的SOI(绝缘衬底上的硅)上利用硅光子工艺进行加工，工艺简单易于实现，有望实现大规模制造。

衬底4和包层7之间设置有反射镜6。反射镜6用于提高光栅耦合器5的发射和收光效率。

实施例2

根据实施例1所提供的一种MEMS换能结构，其区别在于：

本实施例中，光栅耦合器5的数量为2个，2个光栅耦合器5之间的距离为5.385μm。合理的设置光栅耦合器5能够减小换能器的光损耗。

当光源的工作波长为1550nm时，光栅耦合器5的光栅周期630nm，光栅刻蚀深度为70nm，光栅占空比为0.5。在光栅耦合器5的参数范围内耦合效率高，光可以更多耦合出波导，提高MEMS换能结构的分辨率和灵敏度。

波导层2的厚度为220nm。

侧壁3的厚度为33μm。

该参数下MEMS换能结构的输出光功率相对最大。本实施例中，MEMS换能结构的灵敏度为0.03rad/Pa。

实施例3

一种基于实施例2所提供的MEMS换能结构的光子型微声学传感器，可实现声音振动信号转化为光学相位变化。为了监测光学相位的变化，可结合光学干涉结构把光学相位变化转换成容易监测的光学强度变化。

如图2所示，光子型微声学传感器包括依次连接的光源9、输入光耦合器10、马赫-曾德尔干涉仪、输出光耦合器13和检测器8；马赫-曾德尔干涉仪包括第一臂17和参考臂18，MEMS换能结构11通过硅光子工艺制作在第一臂17上，参考臂18上设置有可调光衰减器12。

光源9发出的光束，由输入光耦合器10分为两路光分别入射到马赫-曾德尔干涉仪的第一臂17和参考臂18中，参考臂18上设置有具有可调谐的掺杂吸收区域的可调光衰减器12，用以平衡两臂输出的光功率；第一臂17上设置有上述MEMS换能结构，第一臂17的材质为波导材料，第一臂17分别连接MEMS换能结构中波导层2的两端。当第一臂17中的光经过MEMS换能结构中的波导层2，由设置在波导层2中的光栅耦合器5将光耦合到光反射空腔中，经由薄膜反射镜1反射，再由光栅耦合器5耦合到波导层2中，由波导层2再传输到第一臂17中，第一臂17和参考臂18中的两路光最终经由输出光耦合器13会合，由于各自经过不同的光程产生相对相移，在输出耦合器中会合后产生干涉条纹，将相变转化为光功率信号。外部压力或声音引起的薄膜反射镜1的微小位移会引起MEMS换能结构11的光反射空腔中传播光的光程发生改变。两臂的光程差发生改变，使两臂输出光的相位差发生改变，最终导致干涉条纹光强发生改变。再由检测器8中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，由电子计算机计算出薄膜反射镜1发生的位移量，进而得到薄膜反射镜1所受的声压。

将MEMS换能结构11集成到多种干涉仪系统中，把声音信号导致的光信号相位变化，转变成方便监测光信号强度变化。以10mW激光器作为输出光源的情况下，本实例提供的光子型微声学传感器的分辨率为0.053Pa，灵敏度为0.019mW/Pa。

实施例4

根据实施例3所提供的MEMS换能结构的光子型微声学传感器，其区别在于：

如图3所示，马赫-曾德尔干涉仪还包括第一反射镜16和第二反射镜15，第一反射镜16设置在第一臂17的顶端，第二反射镜15设置在参考臂18的顶端。

从光源9发出的光束，由光耦合器14分为两路入射到马赫-曾德尔干涉仪的第一臂17和参考臂18中，在参考臂18中，光路经过可调光衰减器12，经由第二反射镜15反射后，光再次经过可调衰减器传输到光耦合器14中；在第一臂17中，光经过MEMS换能结构11，经由第一反射镜16反射后，光再次经过MEMS换能结构11传输到光耦合器14中；第一臂17和参考臂18中的两路光最终在光耦合器14中合并输出；在本实施例中光耦合器14的作用与实施例4中输入光耦合器10和输出光耦合器13的作用相同。

第一反射镜16和第二反射镜15的设置有利于提高光子型微声学传感器的灵敏度。由于各自经过不同的光程产生相对相移，在光耦合器中会合后产生干涉条纹，将相变转化为光功率信号。外部压力或声音引起的薄膜反射镜1的微小位移会引起MEMS换能结构11的光反射空腔中传播光的光程发生改变。两臂的光程差发生改变，使两臂输出光的相位差发生改变，最终导致干涉条纹光强发生改变。再由检测器8中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，由电子计算机计算出薄膜反射镜1发生的位移量，进而得到薄膜反射镜1所受的声压。