ES2221519A1 - Integrated optical silicon accelerometer, has multiple waveguides defined in rigid zones, and silicon inertial mass fastened by four bridges - Google Patents
Integrated optical silicon accelerometer, has multiple waveguides defined in rigid zones, and silicon inertial mass fastened by four bridgesInfo
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Abstract
Acelerómetro óptico integrado. La presente invención se basa en un acelerómetro óptico de silicio con guías de onda integradas en el mismo dado pero con la novedad de que las guías de onda sólo están definidas en las zonas rígidas del acelerómetro evitando así los efectos negativos a nivel de esfuerzos mecánicos que pueden hacer estas guías sobre las estructuras móviles. El dispositivo propuesto consta de una masa inercial de silicio sujeta por cuatro puentes y con una guía de onda centrada, de tal manera que se evitan las aceleraciones cruzadas. El principio de funcionamiento del acelerómetro se basa en el desalineaminento de guías de onda enfrentadas. Desde el punto de vista tecnológico se pueden utilizar obleas BESOI (Bond and Etch Back Silicon On Insulator) para facilitar la fabricación y permitir un mayor control sobre las estructuras y por tanto sobre las prestaciones de los dispositivos.Integrated optical accelerometer. The present invention is based on a silicon optical accelerometer with waveguides integrated into the die itself, but with the novelty that the waveguides are only defined in the rigid areas of the accelerometer, thus avoiding negative effects at the level of mechanical stresses that They can make these guides on mobile structures. The proposed device consists of an inertial mass of silicon held by four bridges and with a centered waveguide, in such a way that cross accelerations are avoided. The operating principle of the accelerometer is based on the misalignment of facing waveguides. From a technological point of view, BESOI (Bond and Etch Back Silicon On Insulator) wafers can be used to facilitate manufacturing and allow greater control over the structures and therefore over the performance of the devices.
Description
Acelerómetro óptico integrado.Integrated optical accelerometer.
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- Sensores y dispositivos microelectrónicos.Sensors and microelectronic devices
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- Sistemas para la detección de aceleraciones y vibraciones, inclinómetros.Systems for acceleration and vibration detection, inclinometers.
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- Aplicaciones en áreas diversas: aplicaciones en navegación, medicina, balística, medida de vibraciones, análisis modales y campos relacionados.Applications in various areas: applications in navigation, medicine, ballistics, vibration measurement, modal analysis and fields related.
El campo de aplicaciones de los acelerómetros es muy amplio. Este hecho ha motivado la necesidad de hacer dispositivos con prestaciones elevadas a un bajo coste, originando un gran auge e incremento de los acelerómetros comerciales basados en tecnologías de micromecanización del silicio, a expensas de los acelerómetros piezoeléctricos con un precio mucho más elevado.The field of application of accelerometers is very spacious. This fact has motivated the need to do devices with high performance at a low cost, originating a great boom and increase in commercial accelerometers based in silicon micromachining technologies, at the expense of piezoelectric accelerometers with a much higher price.
El primer acelerómetro de silicio fue desarrollado por Roylance en 1979[L. M Roylance and J. Angel, A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26. pp. 1911-1917, 1979]. Los principales tipos de acelerómetros de silicio según sus elementos sensores son: los piezorresistivos [L. M Roylance and J. Angel, A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26. pp. 1911-1917, 1979] y los capacitivos [F. Rudolf, A micromechanical capacitive accelerometer with two point inertial mass suspension, Sensors and Actuators, 4, pp.181-198, 1983.]. Los acelerómetros piezorresistivos sufren de una gran dependencia con la temperatura lo cual hace necesaria la implementación de un sistema de compensación en temperatura. Por otra parte, los acelerómetros capacitivos no dependen de la temperatura pero, debido a los pequeños valores de las capacidades que se pueden obtener en los sensores capacitivos microelectrónicos, tienen muchos problemas con las interferencias electromagnéticas.The first silicon accelerometer was developed by Roylance in 1979 [L. M Roylance and J. Angel, A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26. pp. 1911-1917, 1979] . The main types of silicon accelerometers according to their sensor elements are: piezoresistive [L. M Roylance and J. Angel, A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26. pp. 1911-1917, 1979] and the capacitive [F. Rudolf, A micromechanical capacitive accelerometer with two point inertial mass suspension, Sensors and Actuators, 4, pp. 181-198, 1983.] . Piezoresistive accelerometers suffer from a great dependence on temperature which makes it necessary to implement a temperature compensation system. On the other hand, capacitive accelerometers do not depend on temperature but, due to the small values of the capacities that can be obtained in microelectronic capacitive sensors, they have many problems with electromagnetic interference.
En algunas aplicaciones es necesario que los acelerómetros sean insensibles a las radiaciones electromagnéticas a las que pueden estar sujetos. Los acelerómetros ópticos tienen la ventaja de ser inmunes a las radiaciones electromagnéticas y los efectos de la temperatura [K.E.Burcham, G.N. Branbander and J.T.Boyd, SPIE vol. 1793 Integrated Optics and microstructures, pp. 12-18,1992].In some applications it is necessary that the accelerometers be insensitive to the electromagnetic radiation to which they may be subject. Optical accelerometers have the advantage of being immune to electromagnetic radiation and the effects of temperature [KEBurcham, GN Branbander and JTBoyd, SPIE vol. 1793 Integrated Optics and microstructures, pp. 12-18,1992] .
El control del amortiguamiento de la estructura y los sistemas de protección de choques dotan a los acelerómetros de mejores prestaciones. Como ejemplo, un control del amortiguamiento y un sistema de protección de choques fue diseñado por NOVASENSORS utilizando una tecnología basada en la soldadura directa silicio-silicio para definir el sistema de protección de choques y soldadura silicio-vidrio para controlar el amortiguamiento [P. W. Barth, F. Pourahmadi, R. Mayer, J. Poydock, K. Petersen, A monolithic silicon accelerometer with integral air damping and overrange protection, Technical Digest IEEE, Solid-state sensor and actuator, workshop, Hiltom Heads Island, South Carolina, June 6-9, pp.35-38, 1988].The control of the damping of the structure and the crash protection systems give the accelerometers better performance. As an example, a damping control and a shock protection system was designed by NOVASENSORS using a technology based on direct silicon-silicon welding to define the shock protection system and silicon-glass welding to control damping [PW Barth, F. Pourahmadi, R. Mayer, J. Poydock, K. Petersen, A monolithic silicon accelerometer with integral air damping and overrange protection, Technical Digest IEEE, Solid-state sensor and actuator, workshop, Hiltom Heads Island, South Carolina, June 6 -9, pp. 35-38, 1988] .
Los sistemas de testeo automático dotan a los dispositivos de la posibilidad de determinar su correcto funcionamiento durante su funcionamiento. El desarrollo de sistemas de testeo automático es de gran interés en el caso de los acelerómetros [H. V. Allen, S. C. Terry and D. W. de Bruin, Accelerometer systems with selfs-testable features, Sensors and Actuators, 20, pp.153-161, 1989].Automatic testing systems give devices the ability to determine their correct operation during operation. The development of automatic testing systems is of great interest in the case of accelerometers [HV Allen, SC Terry and DW de Bruin, Accelerometer systems with selfs-testable features, Sensors and Actuators, 20, pp. 153-161, 1989] .
En algunas aplicaciones es necesario la obtención de la aceleración en 2 o en las 3 direcciones del vector aceleración. La mayoría de microacelerómetros biaxiales o triaxiales son piezorresistivos [Patente: 2 137 847, JA. Plaza, J.Esteve, E.Lora-Tamayo, "Acelerómetro Triaxial"] [G.I. Andersson, A novel 3-axis monolithic silicon accelerometer, Proceedings Transducers'95-Eurosensors IX, Stockholm, Sweeden, June 25-29, 1995., 1995] o capacitivos [T. Mineta, S. Kobayashi, Y. Watanabe, S. Kanauchi, I. Nakagawa, E. Suganuma and M. Esashi, Three-axis capacitive accelerometer with uniform axial sensitivities, Proceedings Transducers'95-Eurosensors IX, Stockholm, Sweeden, June 25-29, 1995.], los cuales, además de las desventajas propias de los sistemas piezorresistivos y capacitivos, presentan sensibilidades muy bajas.In some applications it is necessary to obtain the acceleration in 2 or in the 3 directions of the acceleration vector. Most biaxial or triaxial micro accelerometers are piezoresistive [Patent: 2 137 847, JA. Plaza, J. Esteve, E. Llora-Tamayo, "Triaxial Accelerometer"] [GI Andersson, A novel 3-axis monolithic silicon accelerometer, Proceedings Transducers'95-Eurosensors IX, Stockholm, Sweeden, June 25-29, 1995., 1995] or capacitive [T. Mineta, S. Kobayashi, Y. Watanabe, S. Kanauchi, I. Nakagawa, E. Suganuma and M. Esashi, Three-axis capacitive accelerometer with uniform axial sensitivities, Proceedings Transducers'95-Eurosensors IX, Stockholm, Sweeden, June 25 -29, 1995.] , which, in addition to the disadvantages of piezoresistive and capacitive systems, have very low sensitivities.
La posibilidad de evitar los efectos en temperatura y los efectos de las interferencias electromagnéticas motivó el estudio de acelerómetros ópticos, pasivos desde el punto de vista eléctrico, basados en fibras ópticas [U.S. Patent 5437186], [D.Uttamchandani, D.Liang, and B.Culshaw, "A micromachined silicon accelerometer with fibre optic interrogation", Proceedings of SPIE Integrated Optics and Microstructures, vol. 1793, pp. 27-33, 1992], [J.Marty, A.Malki, C. Renouf, P.Lecoy, and F. Baillieu, "Fiber optic accelerometer using silicon micromachining techniques", Sensors and Actuators A, vol. 46-47, pp. 470-473, 1995]. La utilización de fibras ópticas sobre las partes móviles de los microsistemas presentan los problemas del pegado de las mismas, de alineamiento y de esfuerzos mecánicos inducidos.The possibility of avoiding the effects on temperature and the effects of electromagnetic interference motivated the study of optical accelerometers, passive from the electrical point of view, based on optical fibers [US Patent 5437186], [D.Uttamchandani, D.Liang, and B.Culshaw, "A micromachined silicon accelerometer with fiber optic interrogation", Proceedings of SPIE Integrated Optics and Microstructures, vol. 1793, pp. 27-33, 1992], [J.Marty, A.Malki, C. Renouf, P.Lecoy, and F. Baillieu, "Fiber optic accelerometer using silicon micromachining techniques", Sensors and Actuators A, vol. 46-47, pp. 470-473, 1995] . The use of optical fibers on the moving parts of the microsystems presents the problems of their bonding, alignment and induced mechanical stresses.
La tecnología microelectrónica permite la integración de guías de onda en los dispositivos microelectrónicos haciendo los sensores mucho más compactos. Estos dispositivos pueden trabajar tanto de forma interferométrica debido, por ejemplo, al efecto fotoelástico [M. Ohkawa, M. Izutsu, and T. Sueta, "Integrated Optic accelerometer Employing a Cantilever on Silicon Substrate", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, no 2, pp. 287-288, 1989.] como en potencia [U.S. Patent 5437186], [K.E.Burcham, G.N.Brabander, and J.T.Boyd, "Micromachined silicon cantilever beam accelerometer incorporating an integrated optical waveguides ", Proceedings of SPIE Integrated Optics and Microstructures, vol. 1793, pp. 12-18, 1992]. Las guías de onda integradas suelen ser de materiales dieléctricos y/o semiconductores o capas equivalentes. El crecimiento o deposición de estas capas sobre las partes débiles de los acelerómetros presenta el problema de la introducción de esfuerzos mecánicos intrínsecos o térmicos, debido a los diferentes coeficientes de expansión de los diferentes materiales, negativos para el funcionamiento de los dispositivos.Microelectronic technology allows the integration of waveguides into microelectronic devices making the sensors much more compact. These devices can work both interferometrically due, for example, to the photoelastic effect [M. Ohkawa, M. Izutsu, and T. Sueta, "Integrated Optic accelerometer Employing a Cantilever on Silicon Substrate," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, no 2, pp. 287-288, 1989.] as potentially [US Patent 5437186], [KEBurcham, GNBrabander, and JTBoyd, "Micromachined silicon cantilever beam accelerometer incorporating an integrated optical waveguides", Proceedings of SPIE Integrated Optics and Microstructures, vol. 1793, pp. 12-18, 1992] . The integrated waveguides are usually made of dielectric and / or semiconductor materials or equivalent layers. The growth or deposition of these layers on the weak parts of the accelerometers presents the problem of the introduction of intrinsic or thermal mechanical stresses, due to the different coefficients of expansion of the different materials, negative for the operation of the devices.
La presente invención se refiere a un dispositivo denominado acelerómetro óptico, caracterizado por evitar guías de onda o fibras ópticas sobre las partes poco rígidas de la estructura como los puentes, que consiste en una masa sujeta por el número adecuado de puentes al marco del chip, en la masa del mismo se definen guías de onda o se unen fibras ópticas que se desplazaran en función de la aceleración, provocando un desalineamiento con las guías de onda o fibras en el marco del chip. La principal novedad del sensor propuesto es la idea de evitar tener guías de onda o fibras ópticas sobre las partes poco rígidas del sensor como puentes o voladizos; evitando de esta manera posibles efectos mecánicos o termo-mecánicos de las fibras o guías sobre el funcionamiento del sensor. Las guías de onda o fibras se colocan exclusivamente sobre las partes rígidas de silicio.The present invention relates to a device called optical accelerometer, characterized by avoiding guides wave or optical fibers on the little rigid parts of the structure like bridges, which consists of a mass held by the adequate number of bridges to the chip frame, in the mass of the chip waveguides are defined or optical fibers are joined that are will shift depending on the acceleration, causing a misalignment with waveguides or fibers in the chip frame. The main novelty of the proposed sensor is the idea of avoiding have waveguides or optical fibers on the little rigid parts of the sensor such as bridges or overhangs; avoiding in this way possible mechanical or thermo-mechanical effects of fibers or guides on the operation of the sensor. The guides of wave or fibers are placed exclusively on the rigid parts of silicon.
Como consecuencia del propio principio de funcionamiento del dispositivo, éste está dotado de un sistema de test intrínseco. Puesto que una ruptura del sensor motivaría una perdida de potencia muy importante al descentrarse las guías de onda. Este hecho hace que no sea necesario la implementación de ningún sistema de test adicional con el consiguiente ahorro económico.As a consequence of the principle of operation of the device, it is equipped with a system of intrinsic test. Since a sensor break would motivate a very important loss of power when the guides of wave. This fact does not require the implementation of no additional test system with consequent savings economic.
El rebaje de ciertas zonas donde van las guías o fibras puede permitir discernir entre aceleraciones positivas o negativas.The reduction of certain areas where the guides go or fibers can allow to distinguish between positive accelerations or negative
La fabricación del dispositivo se puede realizar sobre cualquier tipo de substrato micromecanizable, si bien la utilización de obleas BESOI (Bond and Etch back Silicon On Insulator) permite la realización de sistemas de protección de choques de forma sencilla. El control del amortiguamiento se puede realizar uniendo al acelerómetro de silicio una pieza con cavidades de espesor determinado justo debajo del sensor. Estas cavidades se podrían hacer en obleas de vidrio que puedan ser soldadas anódicamente a las obleas de silicio.The device can be manufactured on any type of micromachinable substrate, although the use of BESOI wafers (Bond and Etch back Silicon On Insulator) allows the realization of shock protection systems easily. The control of the damping can be carried out by joining the silicon accelerometer a piece with cavities of determined thickness just below the sensor. These cavities could be made in glass wafers that can be welded anodically to silicon wafers.
La integración de guías de onda con curvas de 180° permite tener la entrada y la salida óptica en el mismo lado del chip, facilitando en gran medida el pulido y conexionado óptico de los dispositivos.Integration of waveguides with curves of 180 ° allows to have the optical input and output on the same side of the chip, greatly facilitating polishing and optical connection of the devices.
El principio de funcionamiento del sensor también permite el principio de detección tipo resonante.The principle of operation of the sensor also It allows the principle of resonant type detection.
Colocando diferentes guías de onda o fibras sobre la estructura se puede conseguir acelerómetros biaxiales o triaxiales.Placing different waveguides or fibers on the structure can be achieved biaxial accelerometers or triaxials
La estructura que se ha diseñado se realiza preferentemente sobre silicio, dada sus excelentes propiedades mecánicas, aunque también se puede fabricar con otros materiales. El principio de detección es óptico. La estructura está formada por una masa (2), aunque pueden ser más, unida al marco del chip preferentemente por 4 puentes (1) aunque puede ser un número mayor o menor de puentes, ver figura 1.The structure that has been designed is made preferably on silicon, given its excellent properties mechanical, although it can also be manufactured with other materials. The detection principle is optical. The structure is formed by a mass (2), although they can be more, attached to the chip frame preferably by 4 bridges (1) although it may be a larger number or smaller of bridges, see figure 1.
El principio de detección de la aceleración es óptico y se basa en la perdida de potencia debido a un desalineamiento entre guías de onda integradas en el mismo chip o fibras ópticas. Una o varias guías de onda (3), figura 2a, o fibras ópticas (3), figura 2b, están en la masa parte móvil pero rígida de la estructura (2) y las guías o fibras de entrada y salida están en el marco (5) que también es una parte rígida de la estructura. Nunca se colocan guías de onda o fibras ópticas sobre los puentes (1) o partes débiles de la estructura. La colocación de fibras o guías de onda sobre las partes débiles motiva la aparición de esfuerzos mecánicos sobre las partes débiles, estos esfuerzos pueden ser intrínsecos de los materiales que las conforman o inducidos por cambios en la temperatura, ya que los materiales utilizados tienen coeficientes de expansión térmica diferentes del silicio. Estos esfuerzos pueden motivar el mal funcionamiento de los dispositivos.The principle of acceleration detection is optical and is based on power loss due to a misalignment between waveguides integrated in the same chip or optical fibers. One or more waveguides (3), figure 2a, or fibers optics (3), figure 2b, are in the mass moving but rigid part of the structure (2) and the inlet and outlet guides or fibers they are in the frame (5) which is also a rigid part of the structure. Waveguides or optical fibers are never placed on the bridges (1) or weak parts of the structure. Placement of fibers or waveguides on weak parts motivates the appearance of mechanical stresses on weak parts, these efforts can be intrinsic to the materials that conform or induced by changes in temperature, since the materials used have thermal expansion coefficients different from silicon. These efforts can motivate evil operation of the devices.
En el caso de diseñar el dispositivo con guías de onda integradas sobre la masa (2) y marco (5) del dispositivo, éstas se conectarán por medio de fibras ópticas (4) al exterior del dispositivo, figura 2a.In the case of designing the device with guides integrated wave on the mass (2) and frame (5) of the device, these will be connected by means of optical fibers (4) to the outside of the device, figure 2a.
La distancia entre las guías de onda o fibras ópticas de la masa (2) y el marco (5) debe ser preferentemente lo menor posible para disminuir las perdidas de luz debido a la divergencia del haz láser al salir de las mismas.The distance between waveguides or fibers optical mass (2) and frame (5) should preferably be as low as possible to reduce light losses due to divergence of the laser beam when leaving them.
Cuando se somete la estructura a una aceleración, dependiendo de la dirección de la misma, la estructura se deforma de una determinada manera. La masa (2) del dispositivo se desplaza provocando el desalineamiento entre las guías de onda o fibras ópticas (3) sobre la masa y las que están sobre el marco. Para aceleraciones perpendiculares al plano de la estructura en el caso de estructuras de 4 puentes la masa sube o baja plana en función del sentido de la aceleración, ver figura 3a. Este desplazamiento produce una perdida de potencia por desalineamiento de las estructuras de guiado óptico que forman el acelerómetro.When the structure is subjected to acceleration, depending on the direction of it, the structure deforms in a certain way. The mass (2) of the device moves causing misalignment between waveguides or fibers optical (3) on the mass and those on the frame. For accelerations perpendicular to the plane of the structure in the case of structures of 4 bridges the mass goes up or down flat depending on of the direction of acceleration, see figure 3a. This displacement produces a loss of power due to misalignment of optical guidance structures that form the accelerometer.
Descentrado de guías de ondas o fibras en el dispositivo sobre la masa y marco por los medios que sean necesarios para discriminar entre aceleraciones positivas y negativas. Si se quiere discernir entre aceleraciones positivas y negativas se pueden descentrar las guías que se desplazan (en la masa 2) de las fijas (en el marco 5), sirva como ejemplo realizar un pequeño rebaje en la masa (2) donde se colocará la guía o fibra que se desplaza. Eligiendo adecuadamente el rebaje se pueden descentrar las guías para hacerlas trabajar en la zona de la curva mostrada en la figura 3b que se quiera. Se colocarán preferentemente las guías centradas en el plano de la masa para evitar que las estructuras sean sensibles a las aceleraciones en el plano del dispositivo.Decentration of waveguides or fibers in the device on the mass and frame by whatever means necessary to discriminate between positive accelerations and negative If you want to discern between positive accelerations and negative guides can be offset that move (in the mass 2) of the fixed ones (in frame 5), serve as an example to perform a small recess in the dough (2) where the guide or fiber will be placed that moves. Properly choosing the recess can be Offset the guides to make them work in the curve area shown in figure 3b as desired. Will be placed preferably the guides centered on the plane of the dough for prevent structures from being sensitive to accelerations in The device plane.
Acelerómetro óptico biaxial en el que se definen al menos dos guías de onda adicionales en los extremos de la masa para detectar aceleraciones en el plano del dispositivo. Para la detección adicional de aceleraciones en la dirección y, ver figura 4a y 4b, se colocarán fibras o guías de onda en los extremos de la masa móvil (2). La guía central (6) puede detectar aceleraciones en la dirección z y las guías laterales (7) pueden detectar aceleraciones en la dirección y. Cuando se aplica una aceleración en la dirección y, dos de los puentes se doblan hacia abajo y los dos contrarios hacia arriba. Debido a la simetría de la estructura en el plano xz, la guía o fibra del centro no se desalinea mientras que las de los lados si, dando información del valor de la aceleración en la dirección y. Las guías laterales se situarán preferentemente lo más alejadas posible del centro de la estructura para maximizar la sensibilidad de la estructura.Biaxial optical accelerometer in which they are defined at least two additional waveguides at the ends of the mass to detect accelerations in the device plane. For the additional detection of accelerations in the direction and, see figure 4a and 4b, fibers or waveguides will be placed at the ends of the moving mass (2). The central guide (6) can detect accelerations in the z-direction and the lateral guides (7) can detect accelerations in the direction and. When an acceleration is applied in the direction and, two of the bridges bend down and the two opposite up. Due to the symmetry of the structure in the xz plane, the center guide or fiber is not misaligned while than those on the sides if, giving information on the value of the acceleration in the direction and. The lateral guides will be located preferably as far as possible from the center of the structure to maximize the sensitivity of the structure.
Acelerómetro óptico triaxial en el que se definen al menos 3 guías de onda adicionales perpendiculares a las definidas anteriormente, que permite la detección de las tres componentes del vector aceleración. Para la detección adicional de aceleraciones en la dirección x se colocarán fibras perpendiculares como se muestra en la figura 4c. El principio de funcionamiento para aceleraciones en la dirección z y en la dirección y es como en el caso anterior. Cuando se somete a la estructura una aceleración en la dirección x, dos puentes opuestos se desplazan hacia abajo y los dos restantes hacia arriba de tal manera que la potencia a través de la fibras (9) disminuye mientras se mantiene la de la guía (8). El rebaje de las zonas donde van las fibras o guías en la masa 2 para el descentrado de las mismas (para poder discriminar entre desplazamientos hacia arriba y hacia abajo) podría facilitar el procesado de las señales para calcular cada una de las componentes del vector aceleración.Triaxial optical accelerometer in which they are defined at least 3 additional waveguides perpendicular to the defined above, which allows the detection of all three Vector acceleration components. For additional detection of accelerations in the x direction perpendicular fibers will be placed as shown in figure 4c. Operating principle for accelerations in the z direction and in the y direction is like in the previous case. When the structure is submitted a acceleration in the x direction, two opposite bridges move down and the remaining two up so that the power through the fibers (9) decreases while maintaining that of the guide (8). The reduction of the areas where the fibers go or guides in mass 2 for off-centering of them (to be able to discriminate between up and down displacements) could facilitate signal processing to calculate each of the components of the acceleration vector.
El principio de funcionamiento basado en pérdida de potencia dota al dispositivo de un test de funcionamiento intrínseco, ya que una ruptura del sensor produciría el desalineamiento total de las guías de onda o fibras (3) en la masa (2) y en el marco del chip (5). En este caso la potencia de salida caería prácticamente a cero indicando la ruptura del sensor.The operating principle based on loss of power gives the device a functional test intrinsic, since a rupture of the sensor would produce the total misalignment of waveguides or fibers (3) in the mass (2) and under the chip (5). In this case the output power it would fall almost to zero indicating the sensor break.
Guías de onda integradas en el dispositivo con curvas para tener la entrada y la salida óptica en las direcciones que se requieran. La integración de guías de onda con curvas permite tener la entrada y la salida óptica del sensor por el lado del chip que sea conveniente, ver figura 5. Guías de onda integradas en el dispositivo con curvas para tener la entrada y la salida óptica en el mismo lado del chip. En particular la integración preferentemente de guías de onda con curvas de 180° permite tener la salida y la entrada en el mismo lado del chip, figura 5b, lo cual simplifica el pulido del chip, ya que sólo hay que pulir un lado del mismo. También facilita el conexionado óptico del encapsulado.Waveguides integrated in the device with curves to have the optical input and output in the directions that are required. Integration of waveguides with curves allows to have the sensor's optical input and output on the side of the chip that is convenient, see figure 5. Waveguides integrated into the device with curves to have the input and the optical output on the same side of the chip. In particular the preferably integration of waveguides with 180 ° curves it allows to have the exit and the entrance in the same side of the chip, Figure 5b, which simplifies the polishing of the chip, since there is only Than polish one side of it. It also facilitates optical connection of the encapsulation.
Figura 1. Dibujo de la estructura mecánica para la detección de la aceleración. La estructura consta de una masa (2) sujeta al marco del chip por 4 puentes (1), ver figura la, o sujeta por 2 puentes (1), ver figura 1b. El marco del chip no se muestra en la figura.Figure 1. Drawing of the mechanical structure for Acceleration detection. The structure consists of a mass (2) fastened to the chip frame by 4 jumpers (1), see figure la, or fastened by 2 bridges (1), see figure 1b. The chip frame is not shown in the figure.
Figura 2. Dibujo de la estructura mecánica con las guías de onda (3), figura 2a, o fibras ópticas (3), figura 2b, sobre partes rígidas de la estructura como la masa (2) o el marco del chip (5). La conexión del dispositivo con el exterior se realiza a través de fibras ópticas (4).Figure 2. Drawing of the mechanical structure with the waveguides (3), figure 2a, or optical fibers (3), figure 2b, on rigid parts of the structure such as mass (2) or frame of the chip (5). The connection of the device with the outside is made through optical fibers (4).
Figura 3. En la figura 3a se muestra una sección de la figura 2 a través de las guías o fibras. Al someter al acelerómetro a una aceleración la masa y así la fibra o guía sobre ésta se desplaza hacia arriba o hacia debajo de tal manera que el desplazamiento producido hace que la potencia de salida disminuya, figura 3b.Figure 3. Figure 3a shows a section of figure 2 through the guides or fibers. By submitting to accelerometer to acceleration the mass and thus the fiber or guide on it moves up or down in such a way that the produced displacement causes the output power to decrease, figure 3b.
Figura 4. En la figura 4a se muestra la deformación de la estructura para aceleraciones perpendiculares al plano del chip, dirección z. La guía (6) sobre la masa se desplaza disminuyendo así la intensidad de luz a la salida. En la figura 4b se muestra la deformación de la estructura para aceleraciones en la dirección y. Las guías (7) sufren un descentrado y una perdida de potencia mientras que la guía (6) no varía. En la figura 4c se muestra la deformación de la estructura para aceleraciones en la dirección x. Las guías (9) se descentran y sufren una pérdida de potencia mientras que la guía (8) no varía.Figure 4. Figure 4a shows the deformation of the structure for accelerations perpendicular to chip plane, z direction. The guide (6) on the dough moves thus decreasing the intensity of light at the exit. In figure 4b the deformation of the structure for accelerations in the address and. The guides (7) suffer a decentralized and a loss of power while the guide (6) does not vary. In figure 4c it is shows the deformation of the structure for accelerations in the x direction. The guides (9) are decentralized and suffer a loss of power while the guide (8) does not vary.
Figura 5. En la figura 5a se muestra una configuración de guías que permite la salida y la entrada de luz por dos lados contiguos del chip. Y la figura 5b muestra una configuración que permite la entrada y la salida de luz por el mismo lado del chip.Figure 5. Figure 5a shows a guide configuration that allows light output and input on two adjacent sides of the chip. And Figure 5b shows a configuration that allows the entry and exit of light through it chip side
Figura 6. Dibujo esquemático de un corte y sección del mismo del acelerómetro soldado a un vidrio (10). El vidrio tiene una cavidad para permitir el desplazamiento de la masa (2). La profundidad de la cavidad (a) sirve para controlar el amortiguamiento del acelerómetro.Figure 6. Schematic drawing of a section and section of the accelerometer welded to a glass (10). He glass has a cavity to allow the displacement of the mass (2). The depth of the cavity (a) serves to control the accelerometer damping.
Figura 7. Gráfica en la cual se muestra el voltaje aplicado a una pastilla piezoeléctrica para aplicar una aceleración sinusoidal al acelerómetro (gráfica superior). Y la salida en voltaje proporcional a la potencia óptica de salida del acelerómetro.Figure 7. Graph in which the voltage applied to a piezoelectric pickup to apply a sinusoidal acceleration to the accelerometer (upper graph). And the voltage output proportional to the optical output power of the accelerometer
Figura 8. Dibujo esquemático de un corte y sección del mismo del acelerómetro con el descentrado de las guías de onda o fibras situadas en la masa (2) con respecto las guías de onda o fibras en el marco (5). Mediante un rebaje en la masa (2), ésta y el marco (5) dejan de estar en el mismo plano con lo cual al colocar las guías o fibras (3) sobre la masa tienen un pequeño desalineamiento inicial que hace trabajar el acelerómetro en la zona superior inferior de la figura 3.b. De esta manera se consigue diferenciar entre aceleraciones positivas y negativas.Figure 8. Schematic drawing of a section and section of the accelerometer with the offset of the guides of wave or fibers located in the mass (2) with respect to the guides of wave or fibers in the frame (5). Through a recess in the dough (2), this and the frame (5) are no longer in the same plane with which when placing the guides or fibers (3) on the dough they have a small initial misalignment that makes the accelerometer work in the lower upper area of figure 3.b. This way you get differentiate between positive and negative accelerations.
Se ha realizado un dispositivo acelerómetro óptico caracterizado por evitar guías de onda o fibras ópticas sobre las partes poco rígidas de la estructura como los puentes, que consiste en una masa sujeta por cuatro puentes al marco del chip, en la masa del mismo se definen guías de onda que se desplazaran en función de la aceleración, provocando un desalineamiento con las guías de onda o fibras en el marco del chip.An accelerometer device has been made optical characterized by avoiding waveguides or optical fibers over the little rigid parts of the structure like bridges, consisting of a mass attached by four bridges to the frame of the chip, waveguides are defined in the mass of the same will shift depending on the acceleration, causing a misalignment with waveguides or fibers under the chip.
Acelerómetro óptico caracterizado por combinar en su fabricación tecnologías de micromecanizado en volumen de silicio y técnicas de soldadura anódica con obleas de vidrio, en combinación con técnicas de definición de guías ARROW integradas. Siguiendo las especificaciones expuestas para el acelerómetro uniaxial se han fabricado microacelerómetros de silicio utilizando una tecnología que combina la fabricación de guías de onda integradas tipo ARROW y la micromecanización del silicio para fabricar las estructuras móviles.Optical accelerometer characterized by combining in its manufacturing micromachining technologies in silicon volume and anodic welding techniques with glass wafers, in combination with definition techniques of integrated ARROW guides. Following the specifications set forth for the accelerometer uniaxial silicon micro accelerometers have been manufactured using a technology that combines the manufacture of waveguides integrated ARROW type and micromachining of silicon for manufacture the mobile structures.
Acelerómetro óptico caracterizado por combinar en su fabricación tecnologías de micromecanizado en volumen de silicio con tecnologías de micromecanización superficial utilizando obleas BESOI (Bond and Etch Back Silicon on Insulator) y técnicas de soldadura anódica con obleas de vidrio, en combinación con técnicas de definición de guías ARROW integradas. La tecnología de micromecanización está basada en obleas BESOI. Esta tecnología combina el ataque anisótropo del silicio con una técnica de paro en la capa enterrada de óxido de la oblea BESOI y un posterior ataque sacrificial de este óxido. Ataque que permite la definición de estructuras de protección de choques. Finalmente las obleas de silicio se sueldan anódicamente a una oblea de vidrio. La oblea de vidrio (10) a parte de dar rigidez a la estructura permite el control del amortiguamiento del acelerómetro mediante unas pequeñas cavidades (a) en el vidrio (10) debajo de las partes móviles del acelerómetro con la masa (2), figura 6.Optical accelerometer characterized by combining in its manufacturing micromachining technologies in silicon volume with surface micromachining technologies using wafers BESOI (Bond and Etch Back Silicon on Insulator) and techniques anodic welding with glass wafers, in combination with techniques of definition of integrated ARROW guides. Technology Micromachining is based on BESOI wafers. This technology combines anisotropic silicon attack with a stop technique in the buried oxide layer of the BESOI wafer and a subsequent sacrificial attack of this oxide. Attack that allows definition of crash protection structures. Finally the wafers of Silicon are welded anodically to a glass wafer. The wafer of glass (10) apart from stiffening the structure allows the accelerometer damping control by small ones cavities (a) in the glass (10) under the moving parts of the accelerometer with mass (2), figure 6.
Los acelerómetros han sido medidos de forma dinámica. Los resultados se pueden observar en la figura 7. En la curva superior se muestran la aceleración sinusoidal a la que el acelerómetro está sometido y en la inferior se muestra la salida del sensor. El periodo de la curva de la salida del sensor es el doble que la de entrada puesto que tanto para aceleraciones positivas como negativas la potencia de salida disminuye, figura 3.b, y la señal de excitación es sinusoidal con parte positiva y parte negativa. Este fenómeno es fácilmente solucionable si se trabaja sólo en un lado de la gráfica de la figura 3.b, descentrando las guías de onda (3) sobre la masa (2) de las del marco (5) una cierta distancia (b), figura 8.Accelerometers have been measured so dynamic. The results can be seen in Figure 7. In the upper curve shows the sinusoidal acceleration at which the accelerometer is subjected and the output of the sensor. The period of the sensor output curve is double than the input since both for positive accelerations as negative the output power decreases, figure 3.b, and the excitation signal is sinusoidal with positive part and part negative. This phenomenon is easily solvable if you work only on one side of the graph in figure 3.b, offsetting the waveguides (3) on the mass (2) of those of the frame (5) a certain distance (b), figure 8.
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I. GARCÉS; F. VILLUENDAS et al. Analysis of Leakage Properties and Guiding Conditions of RIB Antiresonant Reflecting Optical Wave Guides. J. Liglot. Tech., 14 [5], 798-805, 1996. \\ A 5,6 * |
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