一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法
专利汇可以提供一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于近场光学 谐振腔 的面外位移传感单元及方法，属于位移传感领域。所述面外位移传感单元包括一个 激光器 、一个分光棱镜、一个光电探测器、一个由可动亚 波长 硅 光栅、硅基底和 覆盖 在两者上的错位亚波长 银 膜构成的近场光学谐振腔；本发明结合严格耦合波分析法和遗传 算法 优化得到了近场光学谐振腔的最优参数，使得从谐振腔出射的反射光强对可动亚波长硅光栅的面外位移非常敏感，并且对其面内位移相对不敏感。本发明设计的面外位移传感单元不仅拥有超越已报道位移传感单元的超高灵敏度，并且将多层可动光栅简化为了双层金属，使得结构相对简单，加工难度大大降低，因此可实现超高 精度 、高度集成的面外位移测量。，下面是一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法专利的具体信息内容。
1.一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元，固定外框和光电探测器；所述光电探测器安装于所述固定外框的内侧壁上，用于接收反射后的激光；其特征在于：还包括激光器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅、覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜、空气间隙、二氧化硅层、硅基底及覆盖于硅基底上的银膜；
所述激光器安装于所述固定外框内的顶部，其发射出的激光角度与竖直方向成θ角，θ取值为0°-4°；所述分光棱镜设置于激光器的下方，用于将激光反射方向调整为水平方向，与所述光电探测器相对；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上，所述可动亚波长硅光栅通过二氧化硅层平行且悬空设置于所述硅基底的正上方，同时位于所述分光棱镜的下方，在所述可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；覆盖于所述硅基底上的银膜的位置为，所述亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅线的方向平移503±100nm；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底以及所述空气间隙构成一个近场光学谐振腔；
所述可动亚波长硅光栅为镂空的周期性结构，由多晶硅层制成，其周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜和覆盖在硅基底上的亚波长银膜的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光栅上的银膜的占空比为31％，覆盖在硅基底上的亚波长银膜的占空比为69％；所述空气间隙的高度为700nm。
2.根据权利要求1所述基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元，其特征在于：所述激光器输出的激光波长为1550nm，模式为TE模。
3.一种权利要求1所述基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元的近场光学谐振腔的制造方法：其特征在于具体步骤如下：
步骤一：在单晶硅片上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成所述硅基底上的银膜；
步骤二：对步骤一中金属化后的单晶硅片进行热氧化，形成二氧化硅层；
步骤三：利用化学气相沉积法在所述二氧化硅层上生长一层多晶硅层；
步骤四：在所述多晶硅层上利用电子束曝光、剥离工艺和电子束蒸发制作并图形化金属银膜，形成覆盖在可动亚波长硅光栅上的上银膜；
步骤五：利用电子束曝光和反应离子束刻蚀工艺，镂空所述多晶硅层上的银膜之间的间隙，制作出可动亚波长硅光栅；
步骤六：利用湿法腐蚀去除位于可动亚波长硅光栅下位于所述空气间隙内的二氧化硅层，完成可动亚波长硅光栅的释放。
4.根据权利要求3所述近场光学谐振腔的制造方法：其特征在于：所述单晶硅片厚度为
300-500μm。
一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法
技术领域
背景技术
限，测量精度受光波长的限制。虽然通过外差干涉、调制解调等方式可以将位移测量分辨率
提升至亚纳米甚至皮米量级，但是各种细分方式的引入不仅会增加位移测量系统的复杂度
和成本，并且对理论灵敏度和精度极限的提升并无帮助。
衍射范畴的这些位移测量方式，测量精度不受光波长的限制，往往可达皮米甚至是飞米量
级[Chan H B,Marcet Z,Woo K,et al.Optical transmission through double-layer
metallic subwavelength slit arrays[J].Optics letters,2006,31(4):516-518.]。但
是，现有的近场光学谐振腔通常是由多层金属和多层介质材料组成的多层膜结构，不仅包
含多种材料，而且结构相对复杂。例如美国Sandia国家实验室设计的纳光机电系统位移传
感器[KEELER B E N,BOGART G R,CARR D W.Laterally deformable optical NEMS
grating transducers for inertial sensing applications；proceedings of the
Nanofabrication:Technologies,Devices,and Applications,F,2005[C].]，由两组可动
纳米光栅、空气间隙和介质吸收层组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，介质吸
收层的材料为二氧化硅和氮化硅；王晨等人提出的光栅组位移传感器拥有类似的结构，不
过其可动光栅的材料为单晶硅，尽管简化了部分设计，但是其对部分工艺参数敏感，加工难
度很高，并且光学位移灵敏度最高仅为2％/mg左右[WANG C,LU Q,BAI J,et al.Highly
sensitive lateral deformable optical MEMS displacement sensor:anomalous
diffraction studied by rigorous coupled-wave analysis[J].Appl Optics,2015,54
(30):8935-43.]；又比如美国南佛罗里达大学的Rogers等人设计的亚波长光栅组式位移传
感器，由一个硅光栅和一个玻璃光栅组成，结构相对简单，但是该传感器将两个亚波长光栅
等效为一个周期大于光波长的衍射光栅，因此未跳出标量衍射理论的范畴，光学位移灵敏
度仅为0.5％/mg，未达到超灵敏的位移测量的要求[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,et
al.Verification of evanescent coupling from subwavelength grating pairs[J]
.Applied Physics B-Lasers and Optics,2011,105(4):833-7.]；发明人先前设计的面内
位移传感单元，结构简单、加工便利，但是光学位移灵敏度在2％/mg左右，相较于其他的近
场光学谐振腔方案提升不大[LU Q,BAI J,WANG K,et al.Single chip-based nano-
optomechanical accelerometer based on subwavelength grating pair and rotated
serpentine springs[J].Sensors,2018,18(7):2036.]。从原理上看，现有近场光学谐振腔
方案尽管已经突破了标量衍射的限制，但最高光学位移灵敏度基本处在2％/mg的量级，仍
存在巨大提升空间。
发明内容
得到了最优的设计和参数集合，该设计大幅度提升了光学位移测量单元的灵敏度。
其特征在于：还包括激光器、分光棱镜、可动亚波长硅光栅、覆盖于可动亚波长硅光栅上的
银膜、空气间隙、二氧化硅层、硅基底及覆盖于硅基底上的银膜；
向，与所述光电探测器相对；所述硅基底设置于所述固定外框的内底面上，所述可动亚波长
硅光栅通过二氧化硅层平行且悬空设置于所述硅基底的正上方，同时位于所述分光棱镜的
下方，在所述可动亚波长硅光栅和硅基底之间形成空气间隙；覆盖于所述硅基底上的银膜
的位置为，所述可动亚波长硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述可动亚波长硅光
栅栅线的方向平移503±100nm；由覆盖了银膜的可动亚波长硅光栅、覆盖了银膜的硅基底
以及所述空气间隙构成一个近场光学谐振腔；
底上的亚波长银膜的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光
栅上的银膜的占空比为31％，覆盖在硅基底上的亚波长银膜的占空比为69％；所述空气间
隙的高度为700nm。
往的光学测量方案，最高可达40％/nm，即每当可动亚波长硅光栅发生1nm的面外位移时，反
射光束的光强变化量为入射激光光强的40％，并且同时对面内位移不敏感。
单抛的硅片制作而成，降低成本的同时提高了器件的可靠性。两层银膜的错位设计是通过
上面提到的全局优化设计出来的，此参数设置只对面外位移敏感，而对面内位移不敏感。
12、入射激光，13、反射光束，14、二氧化硅层，15、多晶硅层。
具体实施方式
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
封装外壳6；近场光学谐振腔3由上银膜7、可动亚波长硅光栅8、下银膜9、二氧化硅层、硅基
底10、空气间隙11构成，其中上银膜7覆盖在可动亚波长硅光栅8上，下银膜9覆盖在硅基底
10上，两者周期不同且有错位。
方向，与所述光电探测器4相对；所述硅基底10设置于固定外框5的内底面上，所述可动亚波
长硅光栅8通过二氧化硅层平行且悬空设置于硅基底10的正上方，同时位于分光棱镜2的下
方，在可动亚波长硅光栅8和硅基底10之间形成空气间隙11；下银膜9的位置为，所述亚波长
硅光栅栅线在硅基底上的正投影沿垂直于所述亚波长硅光栅栅线的方向平移503±100nm；
近场光学谐振腔3由上银膜7、可动亚波长硅光栅8、下银膜9、硅基底10、空气间隙11构成。
10上的下银膜9的周期均为576±10nm，厚度均为为198±20nm；覆盖于可动亚波长硅光栅8
上的上银膜7的占空比为31％，覆盖在硅基底10上的下银膜9的占空比为69％；所述空气间
隙11的高度为700nm。
长硅光栅8、上银膜7和下银膜9的周期小于入射激光12的波长，因此入射激光12经可动亚波
长硅光栅8和上银膜7后不会发生衍射，而是激发表面等离激元；表面等离激元在近场光学
谐振腔3内振荡耦合，部分能量透过硅基底10上的下银膜9间隙耗散，部分能量在近场光学
谐振腔3中耦合产生可以传递至远场的反射光束13，反射光束13同样与近场光学谐振腔3的
法线方向成一个小角度，但是偏转方向和入射激光12方向相反；近场光学谐振腔3的参数经
严格耦合波分析和遗传算法优化，使得反射光束13的光强会随着可动亚波长硅光栅8的面
外位移发生剧烈变化。通过探测被分光棱镜反射后的光强变化量即可解算出近场光学谐振
腔的腔长变化，也即可动亚波长硅光栅的面外位移量。近场光学谐振腔3的最优参数集合包
括：可动亚波长硅光栅8的周期为576±10nm，占空比为31％，厚度为859±10nm；上银膜7和
下银膜9的周期和厚度相同，分别为576±10nm和198±20nm，上银膜7的占空比为31％，下银
膜9的占空比为69％，两者存在面内距离为503±100nm的错位；当空气间隙11为700nm时，该
传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达40％/nm。
如图3所示。可以发现当可动亚波长硅光栅8的面外位移从696变化至704nm，及704nm变化至
712nm时，光强位移灵敏度最大，且变化基本为线性。在除了这两个区间的区域，近场光学谐
振腔3都处于如图4(a)所示的反射模式，反射率接近100％；当可动亚波长硅光栅8运动至上
述两个区间，尤其是如图4(b)所示的中间位置时，其对应的透射模式，大部分电磁场能量均
通过硅基底10耗散，此时反射光束13的光强最弱；在两个线性区间内，该位移传感单元对面
外位移的光强位移灵敏度可高达40％/nm，考虑了近场光学谐振腔3的容差后依然可以高于
15％/nm，即可动亚波长硅光栅8发生面外位移1nm，反射光束13的光强变化超过入射激光12
光强的15％。
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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