本申請(qǐng)要求于2015年4月29日提交的名稱為“HIGHLY INTEGRATED OPTICAL READOUT MEMS SENSORS(高度集成的光學(xué)讀出MEMS傳感器)”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.62/154,197的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，并且以其全文通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

MEMS傳感器的電容性讀出容易受到多種誤差機(jī)制的影響，該多種誤差機(jī)制諸如是傳感器機(jī)械模式的電饋通、電阻尼、玻璃充電、金屬電容性板的工作功能改變等等。此外，傳感器的比例因子(SF)，或者您得出的信號(hào)的量除以輸入信號(hào)，是與讀出機(jī)構(gòu)的靈敏度直接相關(guān)的。這兩種因素限制了MEMS傳感器中的電容性讀出的有效性。光學(xué)倏逝波耦合是有前途的讀出技術(shù)，其潛在地比其電容性對(duì)等物更靈敏且不易受上述的靜電誤差機(jī)制損害。然而，很多所提議的方法不足夠堅(jiān)固以應(yīng)對(duì)傳感器通常暴露于的嚴(yán)酷環(huán)境因素。

由于上面所述的原因以及由于對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說在閱讀和理解了本說明書時(shí)將變得明顯的下面所述的其他原因，本領(lǐng)域中存在對(duì)用于提供高度集成光學(xué)讀出MEMS傳感器的替代系統(tǒng)和方法的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于提供高度集成光學(xué)讀出MEMS傳感器的方法和系統(tǒng)，并將通過閱讀和研究下面的說明書加以理解。

在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器傳感器的方法包括：將由激光光源產(chǎn)生的激光束發(fā)射到在第一基板內(nèi)單片制作的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器中，所述集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器包括光學(xué)輸入端口、耦合端口和光學(xué)輸出端口；以及通過測(cè)量在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減來檢測(cè)激光束從耦合端口到與耦合端口分離一定間隙的傳感器部件的耦合的量。

附圖說明

在鑒于優(yōu)選實(shí)施例的描述和下面的附圖加以考慮時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例可以被更容易理解并且其進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)和用途可以更加顯而易見，在下面的附圖中：

圖1是本公開的一個(gè)實(shí)施例的單片式光學(xué)讀出MEMS傳感器的示圖；

圖2是本公開的一個(gè)實(shí)施例的單片式光學(xué)讀出MEMS傳感器的示圖操作；

圖3A和3B是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的單片式光學(xué)讀出MEMS傳感器的操作的示圖；

圖4A、4B、4C和4D是本公開的一個(gè)實(shí)施例的替代的單片式光學(xué)讀出MEMS傳感器的示圖；

圖5是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)拾取(pickoff)信號(hào)處理的示圖；

圖6是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)拾取漂移傳感器的示圖；和

圖7是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖。

按照一般慣例，各種所描述的特征不是按比例繪制的而是被繪制成強(qiáng)調(diào)與本發(fā)明相關(guān)的特征。貫穿附圖和文本，附圖標(biāo)記表示相似的要素。

具體實(shí)施方式

在下面的具體實(shí)施方式中，參考了形成其一部分且在其中通過其中可實(shí)踐本發(fā)明的具體說明性實(shí)施例而示出的附圖。這些實(shí)施例被充分詳細(xì)地描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，可以利用其他實(shí)施例，并且在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出邏輯、機(jī)械和電學(xué)的改變。因此，下面的具體實(shí)施方式不應(yīng)在限制的意義上采用。

本公開的實(shí)施例提供了用于在MEMS傳感器(諸如但不限于MEMS陀螺儀)的玻璃基板內(nèi)制作的單片集成光學(xué)拾取器的系統(tǒng)和方法。許多MEMS傳感器是多層結(jié)構(gòu)，其中一層包括玻璃基板。本公開的實(shí)施例可以利用下述工藝：其中，毫微微秒激光器可以被采用以便以相對(duì)較低的損耗在玻璃基板中“寫”或圖案化3維光波導(dǎo)。利用該工藝，光波導(dǎo)可以被集成到器件的玻璃層中。

當(dāng)移動(dòng)的MEMS結(jié)構(gòu)足夠接近于波導(dǎo)時(shí)，經(jīng)由倏逝波耦合從波導(dǎo)中提取出光。移動(dòng)的結(jié)構(gòu)離波導(dǎo)越近，則越多的光從波導(dǎo)中耦合出來。因而，可以通過監(jiān)測(cè)波導(dǎo)的光強(qiáng)度輸出來導(dǎo)出MEMS器件的運(yùn)動(dòng)的振幅。該方法的優(yōu)點(diǎn)如下。首先，本文公開的實(shí)施例通過提供更靈敏的讀出改進(jìn)了傳感器性能。倏逝波耦合和電容性讀出對(duì)作為～e^(-gap)的間隙改變(即，移動(dòng)的結(jié)構(gòu)和感測(cè)機(jī)構(gòu)之間的間隔)敏感，而傳統(tǒng)的電容性拾取器僅與～1/gap成比例。因此，與電容性耦合相比，倏逝波耦合潛在地對(duì)間隙改變敏感得多。由于感測(cè)部件的單片集成、更少的光學(xué)部件、不相似材料的避免和更好的溫度穩(wěn)定性，本文公開的實(shí)施例也比競(jìng)爭(zhēng)的光學(xué)讀出方案相對(duì)更加穩(wěn)定。最后，本文公開的實(shí)施例提供了歸因于不同驅(qū)動(dòng)(靜電)和感測(cè)(光學(xué))技術(shù)的已知傳感器偏置機(jī)制的消除。

圖1是集成光學(xué)讀出MEMS傳感器100的本公開的一個(gè)實(shí)施例的示圖。傳感器100包括陀螺儀器件層114，其包括第一檢測(cè)質(zhì)量塊116和第二檢測(cè)質(zhì)量塊117。陀螺儀器件層114被定位在限定了開放空間腔115的上玻璃基板110和下玻璃基板112之間，在該開放空間腔115內(nèi)，第一檢測(cè)質(zhì)量塊116和第二檢測(cè)質(zhì)量塊117中的每個(gè)具有至少一個(gè)自由度(1-DOF)，以在相對(duì)于陀螺儀器件層114的平面成法向的方向上在開放空間腔115內(nèi)移動(dòng)。也就是說，雖然它們可能以三個(gè)自由度移動(dòng)，但它們至少反應(yīng)于沿著相對(duì)于陀螺儀器件層114的平面成法向的傳感器100的感測(cè)軸施加的慣性力而垂直地移入和移出陀螺儀器件層114的平面。檢測(cè)質(zhì)量塊116和117的運(yùn)動(dòng)由集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器120、130、140和150測(cè)量。在本文中使用術(shù)語(yǔ)時(shí)，“集成波導(dǎo)”意味著：光學(xué)拾取器120、130、140和150包括單片集成到玻璃基板110和112中的波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些集成波導(dǎo)元件是使用到例如由其制作玻璃基板110和112的Gorilla Glass^TM材料中的三維毫微微秒激光波導(dǎo)圖案化來創(chuàng)建的。

如圖1中所示，集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器120和130可以被用于測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊116的位移。集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器120在檢測(cè)質(zhì)量塊116上方的上玻璃基板110內(nèi)制作，并包括光學(xué)輸入端口121、耦合端口123和光學(xué)輸出端口125。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)輸入端口121和光學(xué)輸出端口125中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可以包括上玻璃基板110的外表面的區(qū)域，其被拋光以促進(jìn)激光從上玻璃基板110的低損耗進(jìn)入和離開。輸入端口121通過單片集成波導(dǎo)122光學(xué)耦合到耦合端口123，而耦合端口123通過單片集成波導(dǎo)124進(jìn)一步耦合到輸出端口125。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合端口123包括波導(dǎo)122和124之間的單片集成波導(dǎo)的部分，該部分在開放空間腔115內(nèi)逼近上玻璃基板110的表面，且被定位成當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊116非?？拷隈詈隙丝?23時(shí)將光耦合到檢測(cè)質(zhì)量塊116中。在一個(gè)實(shí)施例中，激光在輸入端口121處由激光光源126發(fā)射到上玻璃基板110中，且在輸出端口125處由光電檢測(cè)器127測(cè)量離開上玻璃基板110。

集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器130在檢測(cè)質(zhì)量塊116下方的下玻璃基板112內(nèi)制作，并包括光學(xué)輸入端口131、耦合端口133和光學(xué)輸出端口135。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)輸入端口131和光學(xué)輸出端口135中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可以包括下玻璃基板112的外表面的區(qū)域，該區(qū)域被拋光以促進(jìn)激光從下玻璃基板112的低損耗進(jìn)入和離開。輸入端口131通過單片集成波導(dǎo)132光學(xué)耦合到耦合端口133，而耦合端口133通過單片集成波導(dǎo)134進(jìn)一步耦合到輸出端口135。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合端口133包括波導(dǎo)132和134之間的單片集成波導(dǎo)的部分，該部分在開放空間腔115內(nèi)逼近下玻璃基板112的表面，且被定位成當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊116非常靠近于耦合端口133時(shí)將光耦合到檢測(cè)質(zhì)量塊116中。在一個(gè)實(shí)施例中，激光在輸入端口131處由激光光源136發(fā)射到下玻璃基板112中，且在輸出端口135處由光電檢測(cè)器137測(cè)量離開下玻璃基板112。

另外，如圖1中所示，集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器140和150可以用于測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊117的位移。集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器140在檢測(cè)質(zhì)量塊117上方的上玻璃基板110內(nèi)制作，并包括光學(xué)輸入端口141、耦合端口143和光學(xué)輸出端口145。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)輸入端口141和光學(xué)輸出端口145中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可以包括上玻璃基板110的外表面的區(qū)域，該區(qū)域被拋光以促進(jìn)激光從上玻璃基板110的低損耗進(jìn)入和離開。輸入端口141通過單片集成波導(dǎo)142光學(xué)耦合到耦合端口143，而耦合端口143通過單片集成波導(dǎo)144進(jìn)一步耦合到輸出端口145。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合端口143包括波導(dǎo)142和144之間的單片集成波導(dǎo)的部分，該部分在開放空間腔115內(nèi)逼近上玻璃基板110的表面，且被定位成當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊117非常靠近于耦合端口143時(shí)將光耦合到檢測(cè)質(zhì)量塊117中。在一個(gè)實(shí)施例中，激光在輸入端口141處由激光光源146發(fā)射到上玻璃基板110中，且在輸出端口145處由光電檢測(cè)器147測(cè)量離開上玻璃基板110。

集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器150在檢測(cè)質(zhì)量塊117下方的下玻璃基板112內(nèi)制作，并包括光學(xué)輸入端口151、耦合端口153和光學(xué)輸出端口155。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)輸入端口151和光學(xué)輸出端口155中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可以包括下玻璃基板112的外表面的區(qū)域，該區(qū)域被拋光以促進(jìn)激光從下玻璃基板112的低損耗進(jìn)入和離開。輸入端口151通過單片集成波導(dǎo)152光學(xué)耦合到耦合端口153，而耦合端口153通過單片集成波導(dǎo)154進(jìn)一步耦合到輸出端口155。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合端口153包括波導(dǎo)152和154之間的單片集成波導(dǎo)的部分，該部分在開放空間腔115內(nèi)逼近下玻璃基板112的表面，且被定位成當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量塊117非?？拷隈詈隙丝?53時(shí)將光耦合到檢測(cè)質(zhì)量塊117中。在一個(gè)實(shí)施例中，激光在輸入端口151處由激光光源156發(fā)射到下玻璃基板112中，且在輸出端口155處由光電檢測(cè)器157測(cè)量離開下玻璃基板112。

激光光源126、136、146和156以及光電檢測(cè)器127、137、147和157是可集成到器件封裝殼體傳感器100中的電氣器件，或者可替換地，可在分別與上玻璃基板110和下玻璃基板112的外部上和下表面對(duì)接的插入層160和162(或其他物理層)內(nèi)制作的電氣器件。在一個(gè)實(shí)施方式中，激光光源126、136、146和156中的每個(gè)是發(fā)光二極管(LED)激光光源。

當(dāng)傳感器100暴露于慣性力時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊116和117將從其在陀螺儀器件層114的平面內(nèi)的位置位移與慣性力的幅度成正比的距離。這種由圍繞傳感器100的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)加速度造成的位移的一個(gè)示例在圖2中圖示，其中檢測(cè)質(zhì)量塊116向著上玻璃基板110(以及遠(yuǎn)離下玻璃基板112)位移，而檢測(cè)質(zhì)量塊117向著下玻璃基板112(以及遠(yuǎn)離上玻璃基板110)位移。激光光源126、136、146和156中的每個(gè)將激光光束發(fā)射到它們各自的光學(xué)輸入端口中，該激光光束經(jīng)由單片集成波導(dǎo)122、124、132、134、142、144和152、154傳播到它們各自的光電檢測(cè)器127、137、147和157。到達(dá)光電檢測(cè)器127、137、147和157的激光光束的強(qiáng)度可以被用于確定檢測(cè)質(zhì)量塊116和117由于慣性力而經(jīng)歷的偏轉(zhuǎn)，并且因此，來自光電檢測(cè)器127、137、147和157的電輸出信號(hào)可以最終被用于獲得該慣性力的測(cè)量結(jié)果。

例如，圖3A在300圖示了集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器360中的任一個(gè)的示例操作，集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器360可以表示上面討論的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器120、130、140和150中的任一個(gè)。在圖3A的示例中，檢測(cè)質(zhì)量塊315(其可以表示例如檢測(cè)質(zhì)量塊116或117)遠(yuǎn)離耦合端口333而偏轉(zhuǎn)。這會(huì)是圖2中的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器130和140二者中的任一個(gè)的示例位移的情況。這里，集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器360在玻璃基板312內(nèi)單片制作，并包括光學(xué)輸入端口331、耦合端口333和光學(xué)輸入端口335。由于慣性力，檢測(cè)質(zhì)量塊315從其靜止位置301到偏轉(zhuǎn)位置302(遠(yuǎn)離耦合端口333)偏轉(zhuǎn)與慣性力的幅度成比例的距離。遠(yuǎn)離耦合端口333的該偏轉(zhuǎn)減小了檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的光學(xué)耦合(在304圖示出)，使得被發(fā)射到輸入端口331中的強(qiáng)度為P_IN的激光在幾乎沒有乃至沒有衰減的情況下到達(dá)輸出端口335(在350由曲線圖示出)。事實(shí)上，因?yàn)閬碜暂敵龆丝?35的倏逝波讀出是作為檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的間隙距離305的指數(shù)函數(shù)(即，k～e^{-gap distance})而衰減的，所以隨著間隙距離305增大，在輸出端口335處由于檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的光學(xué)耦合而引起的衰減影響迅速變得可忽略。

相比而言，圖3B在360圖示了檢測(cè)質(zhì)量塊315向著耦合端口333偏轉(zhuǎn)的示例操作。對(duì)于圖2中的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器120和150，將是這種情況。由于慣性力，檢測(cè)質(zhì)量塊315現(xiàn)在從其靜止位置301到偏轉(zhuǎn)位置303(即，向著耦合端口333)偏轉(zhuǎn)與慣性力的幅度成比例的距離。向著耦合端口333的該偏轉(zhuǎn)增加了檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的光學(xué)耦合(在307圖示出)，使得被發(fā)射到輸入端口331中的強(qiáng)度為P_IN的激光的某部分耦合到檢測(cè)質(zhì)量塊315中，且未到達(dá)輸出端口335。結(jié)果是未到達(dá)輸出端口335的激光的強(qiáng)度的衰減。因?yàn)閬碜暂敵龆丝?35的倏逝波讀出是作為檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的間隙距離306的指數(shù)函數(shù)(即，k～e^{-gap distance})而衰減的，所以隨著間隙距離306減小，在輸出端口335處由于檢測(cè)質(zhì)量塊315和耦合端口333之間的光學(xué)耦合而引起的衰減影響迅速增加。

關(guān)于本公開的實(shí)施例，對(duì)在MEMS傳感器的上和下玻璃基板的材料內(nèi)制作的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器的利用提供了可與由電容性拾取器提供的那些讀出穩(wěn)定性相比的讀出穩(wěn)定性，但具有可利用光學(xué)拾取器實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)靈敏性，同時(shí)避免原本可能從并入有不同光學(xué)材料以實(shí)現(xiàn)光學(xué)拾取器而引入的穩(wěn)定性誤差。在此描述的各種實(shí)施例提供了由于更靈敏的讀出而引起的改進(jìn)性能、由于單片集成而引起的穩(wěn)定光學(xué)讀出方案，需要相對(duì)較少的光學(xué)部件，避免不相似的材料，以及提供溫度穩(wěn)定性的改進(jìn)。單片集成提供了在靜電讀出MEMS陀螺儀之上的改進(jìn)的槍硬度以及由于消除驅(qū)動(dòng)到感測(cè)饋通機(jī)制的獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)(電學(xué))和感測(cè)(光學(xué))技術(shù)而引起的已知偏置機(jī)制的消除。這些實(shí)施例還提供了與電容性拾取器相比更靈敏的拾取器(＞10x)、導(dǎo)致改進(jìn)的器件性能的陀螺儀比例因子的增加，并允許檢測(cè)質(zhì)量塊彈簧更加剛性以在不犧牲性能的情況下留存更高的g水平。

圖4A和4B是本公開的一個(gè)實(shí)施例的替代單片光學(xué)讀出MEMS傳感器400的示圖。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)讀出MEMS傳感器400提供了傳感器100的替代實(shí)施方式。因此，圖1和2中相似命名的元件的描述適用于傳感器400，并且反之亦然。在一些實(shí)施方式中，在圖4A和4B中描述的元件可以與圖1和2中的相似命名的元件結(jié)合、與其組合或作為其替代物而使用。傳感器400包括陀螺儀器件層414，陀螺儀器件層414包括第一檢測(cè)質(zhì)量塊416和第二檢測(cè)質(zhì)量塊417。陀螺儀器件層414被定位在限定了開放空間腔415的上玻璃基板410和下玻璃基板412之間，在該開放空間腔415內(nèi)，第一檢測(cè)質(zhì)量塊416和第二檢測(cè)質(zhì)量塊417中的每個(gè)具有至少一個(gè)自由度(1-DOF)，以便以與上面關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊116和117描述的方式相同的方式在相對(duì)于陀螺儀器件層414的平面成法向的方向上在開放空間腔415內(nèi)移動(dòng)。也就是說，盡管它們可以以三個(gè)自由度移動(dòng)，但是它們至少反應(yīng)于沿傳感器400的與陀螺儀器件層414的平面成法向的感測(cè)軸施加的慣性力而垂直地移入和移出陀螺儀器件層414的平面。檢測(cè)質(zhì)量塊416和417的運(yùn)動(dòng)由集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器420、440、440和450測(cè)量。

與傳感器100相對(duì)比，傳感器400利用兩個(gè)激光光源426和436，這兩個(gè)激光光源426和436被安裝到相應(yīng)玻璃基板410和412的側(cè)面，而不是被安裝在相應(yīng)玻璃基板410和412上面或下面的插入層中。如圖4A中所示，激光光源426經(jīng)由輸入端口421將其激光發(fā)射到玻璃基板410中，并經(jīng)由輸入端口422發(fā)射到玻璃基板412中。因?yàn)榧す夤庠?26是相干的，所以全部?jī)蓚€(gè)光學(xué)輸入端口421和422均有效地看到相同的光。進(jìn)入光學(xué)輸入端口421的激光傳播到光學(xué)拾取器420的耦合端口423(以測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊416的偏轉(zhuǎn))，并且同時(shí)，進(jìn)入光學(xué)輸入端口422的激光傳播到光學(xué)拾取器450的耦合端口453(以測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊417的偏轉(zhuǎn))。耦合端口423耦合到光學(xué)輸出端口425，并且到達(dá)光學(xué)輸出端口425的光的強(qiáng)度由光電檢測(cè)器446測(cè)量。耦合端口453耦合到光學(xué)輸出端口455，并且到達(dá)光學(xué)輸出端口455的光的強(qiáng)度由光電檢測(cè)器457測(cè)量。如圖4B中所示，激光光源436經(jīng)由輸入端口431將其激光發(fā)射到玻璃基板410中，并經(jīng)由輸入端口432發(fā)射到玻璃基板412中。再一次，因?yàn)榧す夤庠?36是相干的，所以全部?jī)蓚€(gè)光學(xué)輸入端口431和432均有效地看到相同的光。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于一些實(shí)施方式，激光光源436和激光光源426可以使用相同的激光產(chǎn)生器件而實(shí)現(xiàn)，而在其他實(shí)施方式中，它們是獨(dú)立的激光光源。進(jìn)入光學(xué)輸入端口431的激光傳播到光學(xué)拾取器440的耦合端口443(以測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊417的偏轉(zhuǎn))，同時(shí)，進(jìn)入光學(xué)輸入端口432的激光傳播到光學(xué)拾取器430的耦合端口433(以測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊416的偏轉(zhuǎn))。耦合端口443耦合到光學(xué)輸出端口445，并且到達(dá)光學(xué)輸出端口445的光的強(qiáng)度由光電檢測(cè)器447測(cè)量。耦合端口433耦合到光學(xué)輸出端口451，并且到達(dá)光學(xué)輸出端口451的光的強(qiáng)度由光電檢測(cè)器456測(cè)量。與傳感器100一樣，輸入端口、耦合端口和輸出端口中的每一個(gè)的耦合是利用限定集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器420、430、440和450的玻璃基板410和412內(nèi)的集成波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。也就是說，光學(xué)拾取器420、430、440和450包括單片集成到玻璃基板410和412中的波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，與光學(xué)輸入端口421和431相似，在玻璃基板410和412的側(cè)面而不是玻璃基板410和412的頂和底表面上制作光學(xué)輸出端口425、445、455和451，并且，被安裝的光電檢測(cè)器446、447、457和456接收從這些輸出端口離開的光。

還應(yīng)當(dāng)理解，在另一個(gè)實(shí)施例中，可以將輸出425和455組合在一起，使得單個(gè)光電檢測(cè)器可以代替446和457。同樣地，可以將輸出445和451組合在一起，使得單個(gè)光電檢測(cè)器可以代替447和456。這種實(shí)施例在圖4C和4D中由傳感器470圖示。傳感器470與傳感器400相同，預(yù)期：1)傳感器400中的兩個(gè)分離的光電檢測(cè)器446和457被單個(gè)光電檢測(cè)器448替換，該單個(gè)光電檢測(cè)器448測(cè)量針對(duì)在兩個(gè)光學(xué)輸出端口425和455處接收的總光而接收的光強(qiáng)度；以及2)傳感器400中的兩個(gè)分離的光電檢測(cè)器447和456被單個(gè)光電檢測(cè)器458替換，該單個(gè)光電檢測(cè)器458測(cè)量針對(duì)在兩個(gè)光學(xué)輸出端口445和451處接收的總光而接收的光強(qiáng)度。傳感器470反應(yīng)于旋轉(zhuǎn)力的方式，檢測(cè)質(zhì)量塊416和417將在相反的方向(即，彼此異相)上移動(dòng)，如上面關(guān)于圖2所描述。因此通過利用單個(gè)光電檢測(cè)器448以監(jiān)測(cè)光學(xué)拾取器420和450二者以及利用另一單個(gè)光電檢測(cè)器458以監(jiān)測(cè)光學(xué)拾取器420和440二者，傳感器470有效地兩次測(cè)量相同的效果。與圖4C和4D的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：需要更少數(shù)量的光電檢測(cè)器，從而降低了成本和復(fù)雜度，而且減小了測(cè)量中的信號(hào)噪聲。也就是說，在圖4A和4B的實(shí)施例中，利用四個(gè)分離的光電檢測(cè)器，針對(duì)光學(xué)拾取器420、430、440和450中的每一個(gè)有一個(gè)。這些光電檢測(cè)器中的每一個(gè)表示不相關(guān)噪聲對(duì)測(cè)量的分離貢獻(xiàn)。通過利用如圖4C和4D中所示的僅兩個(gè)光電檢測(cè)器，而不是四個(gè)，不相關(guān)噪聲貢獻(xiàn)的潛在源的數(shù)量削減成一半。相比而言，利用分離的光電檢測(cè)器分離地測(cè)量光學(xué)拾取器420、430、440和450中的每一個(gè)的輸出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：可以在沒有可能來自組合信號(hào)的掩蔽的情況下檢測(cè)到檢測(cè)質(zhì)量塊416和417的非理想或反常運(yùn)動(dòng)。

圖5是總體上在500圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)拾取信號(hào)處理的示圖。對(duì)于在此描述的實(shí)施例中的任一個(gè)來說，與集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的(總體上在505示出的)光電檢測(cè)器的電輸出可以由電子設(shè)備510使用模擬或數(shù)字裝置或者其組合來處理，以抵消共?；蚱渌`差。例如，基于來自與第一檢測(cè)質(zhì)量塊相關(guān)聯(lián)的光電檢測(cè)器(PM1頂PD和PM1底PD)的輸出之間的差的函數(shù)，電子設(shè)備510可以確定第一檢測(cè)質(zhì)量塊的位移。相似地，基于來自與第二檢測(cè)質(zhì)量塊相關(guān)聯(lián)的光電檢測(cè)器(PM2頂PD和PM2底PD)的輸出之間的差的函數(shù)，電子設(shè)備510可以確定第二檢測(cè)質(zhì)量塊的位移。其他傳感器測(cè)量結(jié)果可以通過考慮全部?jī)蓚€(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊的組合偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)。例如，基于來自針對(duì)第一檢測(cè)質(zhì)量塊的頂基板光電檢測(cè)器(PM1頂PD)和針對(duì)第二檢測(cè)質(zhì)量塊的底基板光電檢測(cè)器(PM2底PD)的輸出之間的差的函數(shù)，電子設(shè)備510可以確定慣性測(cè)量結(jié)果或校正因子。相似地，基于來自針對(duì)第一檢測(cè)質(zhì)量塊的底基板光電檢測(cè)器(PM1底PD)和針對(duì)第二檢測(cè)質(zhì)量塊的頂基板光電檢測(cè)器(PM2頂PD)的輸出之間的差的函數(shù)，電子設(shè)備510可以確定慣性測(cè)量結(jié)果或校正因子。

雖然上面的本公開描述了用于測(cè)量移動(dòng)部分(例如，移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量塊)的運(yùn)動(dòng)的單片集成光學(xué)拾取器的說明性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)注意，在另外其他實(shí)施例中，單片集成光學(xué)拾取器可以與未有意地移動(dòng)的特征結(jié)合而用于其他應(yīng)用。例如，圖6是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取漂移傳感器600的示圖。傳感器600包括與玻璃基板610鄰近定位的靜態(tài)結(jié)構(gòu)層614。在圖6的實(shí)施例中，第一間隙615限定了上玻璃基板610和靜態(tài)結(jié)構(gòu)層614之間的固定距離開放空間。傳感器600進(jìn)一步包括集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器620，其包括單片集成到玻璃基板610中的波導(dǎo)元件。在一個(gè)實(shí)施例中，這些集成波導(dǎo)元件是使用到例如由其制作玻璃基板610的Gorilla Glass^TM材料中的三維毫微微秒激光波導(dǎo)圖案化來創(chuàng)建的。

集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器620在靜態(tài)結(jié)構(gòu)層614上方的上玻璃基板610內(nèi)制作，并包括光學(xué)輸入端口621、耦合端口623和光學(xué)輸出端口625。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)輸入端口621和光學(xué)輸出端口625中的一個(gè)或全部?jī)蓚€(gè)可以包括上玻璃基板610的外表面的區(qū)域，其被拋光以促進(jìn)激光從上玻璃基板610的低損耗進(jìn)入和離開。輸入端口621通過單片集成波導(dǎo)622光學(xué)耦合到耦合端口623，而耦合端口623通過單片集成波導(dǎo)624進(jìn)一步耦合到輸出端口625。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合端口623包括波導(dǎo)622和624之間的單片集成波導(dǎo)的部分，該部分在間隙空間615內(nèi)逼近上玻璃基板610的表面，且被定位成將光耦合到靜態(tài)結(jié)構(gòu)層614中。在一個(gè)實(shí)施例中，激光在輸入端口621處由激光光源626發(fā)射到上玻璃基板610中，且在輸出端口625處由光電檢測(cè)器627測(cè)量離開上玻璃基板610。激光光源626也可以與一個(gè)或多個(gè)其他光學(xué)傳感器(諸如上面描述的MEMS傳感器100或400)結(jié)合使用，并經(jīng)由集成波導(dǎo)628將激光提供到這種傳感器的元件。

使用如圖6中所示的這種集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器，可以利用光學(xué)倏逝波耦合以檢測(cè)光學(xué)輸出端口625處的光強(qiáng)度的改變，其可能由激光光源所提供的激光中的諸如漂移之類的現(xiàn)象導(dǎo)致。利用這種單片集成光學(xué)拾取器以測(cè)量靜止元件之間的恒定間隙可以用于校準(zhǔn)出器件的移動(dòng)部分中的那些類型的漂移。也就是說，因?yàn)殚g隙615是恒定間隙，所以耦合端口623與靜態(tài)結(jié)構(gòu)層614之間的光學(xué)耦合的任何改變都?xì)w因于來自激光光源626的激光的光功率中的漂移。在一個(gè)實(shí)施例中，光電檢測(cè)器627的電信號(hào)輸出被提供給偏置誤差計(jì)算器640以計(jì)算偏置誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將從偏置誤差計(jì)算器640輸出的偏置誤差饋送到電子設(shè)備510中并包括在用于產(chǎn)生慣性測(cè)量結(jié)果的計(jì)算中。

例如，參考圖6以及圖3A和3B，如果在一個(gè)實(shí)施例中激光光源626也是到光學(xué)輸入端口231的激光的源，則可以使用在光電檢測(cè)器627處測(cè)量(且由偏置誤差計(jì)算器540轉(zhuǎn)換成偏置誤差)的強(qiáng)度的改變以檢測(cè)在光學(xué)輸出端口235處測(cè)量的光強(qiáng)度的改變，這些改變歸因于激光漂移而不是檢測(cè)質(zhì)量塊215位置的改變。通過減掉偏置誤差，然后剩下的是檢測(cè)質(zhì)量塊215的偏轉(zhuǎn)的真實(shí)度量。

圖7是圖示了本公開的一個(gè)實(shí)施例的方法700的流程圖。700的方法可以使用在此描述的各種前述實(shí)施例的一個(gè)或多個(gè)元件而實(shí)現(xiàn)，且可以與關(guān)于圖1-6描述的實(shí)施例中的任一個(gè)結(jié)合或組合使用。由此，上面關(guān)于上面相似命名的元件提供的本公開應(yīng)用方法700，并且反之亦然。

該方法開始于710，其中將由激光光源產(chǎn)生的激光束發(fā)射到在第一基板內(nèi)單片制作的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器中，該集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器包括光學(xué)輸入端口、耦合端口和光學(xué)輸出端口。在本文中使用術(shù)語(yǔ)時(shí)，“集成波導(dǎo)”意味著：該光學(xué)拾取器包括單片集成到可包括硅玻璃基板的第一基板中的一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)施例中，這些集成波導(dǎo)元件是使用到例如由其制作第一基板的Gorilla Glass^TM的材料中的三維毫微微秒激光波導(dǎo)圖案化來創(chuàng)建的。

該方法繼續(xù)到720，其中通過測(cè)量在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減，檢測(cè)激光束從耦合端口到與耦合端口分離一定間隙的傳感器部件的耦合的量。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器部件是移動(dòng)的傳感器部件，諸如可形成陀螺儀器件層的一部分的慣性傳感器的檢測(cè)質(zhì)量塊(諸如上面描述的檢測(cè)質(zhì)量塊中的任一個(gè))。移動(dòng)的傳感器部件可以被定位在至少部分地由第一基板提供的開放空間腔內(nèi)，在該開放空間腔內(nèi)，第一檢測(cè)質(zhì)量塊可以具有反應(yīng)于沿相對(duì)于陀螺儀器件層的平面成法向的傳感器的感測(cè)軸施加的慣性力的移動(dòng)的自由度。傳感器部件的運(yùn)動(dòng)由集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器通過感測(cè)從耦合端口耦合到傳感器部件的光的量來測(cè)量。在光學(xué)輸出端口處接收的光的衰減的改變是對(duì)移動(dòng)的傳感器部件和耦合端口之間的間隙的改變的指示，其可以被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(即，經(jīng)由光電檢測(cè)器)且如上面描述的那樣處理以產(chǎn)生慣性測(cè)量結(jié)果。

在其他實(shí)施例中，傳感器部件是非移動(dòng)的傳感器部件，例如，諸如在圖6中描述的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取漂移傳感器600。在該情況下，傳感器部件可以使用與具有第一間隙的第一基板鄰近定位的靜態(tài)結(jié)構(gòu)層而實(shí)現(xiàn)，該第一間隙限定了第一基板和靜態(tài)傳感器部件之間的固定距離開放空間。使用這種集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器，可以利用光學(xué)倏逝波耦合以檢測(cè)光學(xué)輸出端口處的光強(qiáng)度的改變，其可能由諸如但不限于由激光光源提供的激光中的漂移或者溫度瞬變之類的現(xiàn)象導(dǎo)致。利用這種單片集成光學(xué)拾取器以測(cè)量靜止元件之間的恒定間隙可以用于校準(zhǔn)出器件的移動(dòng)部分中的那些類型的偏置源。也就是說，因?yàn)轳詈隙丝诤蛡鞲衅鞑考g的間隙意圖是恒定間隙，所以耦合端口和靜態(tài)結(jié)構(gòu)層之間的光學(xué)耦合的任何改變可以歸因于來自激光光源的激光的光功率中的漂移或其他偏置。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合到光學(xué)輸出端口的光電檢測(cè)器的電信號(hào)輸出被提供給偏置誤差計(jì)算器以計(jì)算偏置誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將偏置誤差輸出饋送到傳感器電子設(shè)備中并包括在用于產(chǎn)生慣性測(cè)量結(jié)果的計(jì)算中。例如，參考圖6以及圖3A和3B，如果在一個(gè)實(shí)施例中激光光源626也是到光學(xué)輸入端口231的激光的源，則可以使用在光電檢測(cè)器627處測(cè)量(且由偏置誤差計(jì)算器540轉(zhuǎn)換成偏置誤差)的強(qiáng)度的改變以檢測(cè)在光學(xué)輸出端口235處測(cè)量的光強(qiáng)度的改變，這些改變歸因于激光漂移而不是檢測(cè)質(zhì)量塊215位置的改變。通過減掉偏置誤差，然后剩下的是檢測(cè)質(zhì)量塊215的偏轉(zhuǎn)的真實(shí)度量。

示例實(shí)施例

示例1包括一種用于集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器傳感器的方法，該方法包括：將由激光光源產(chǎn)生的激光束發(fā)射到在第一基板內(nèi)單片制作的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器中，該集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器包括光學(xué)輸入端口、耦合端口和光學(xué)輸出端口；以及通過測(cè)量在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減，檢測(cè)激光束的從耦合端口到與耦合端口分離一定間隙的傳感器部件的耦合的量。

示例2包括示例1的方法，其中傳感器部件是靜態(tài)結(jié)構(gòu)，該方法進(jìn)一步包括：作為由于激光束到靜態(tài)結(jié)構(gòu)中的耦合而引起的在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減的函數(shù)，確定如激光光源所產(chǎn)生的激光束中的漂移。

示例3包括示例2的方法，進(jìn)一步包括：基于激光束的衰減來校正慣性傳感器測(cè)量結(jié)果，其中慣性傳感器測(cè)量結(jié)果是從耦合到激光光源的第二集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器獲得的。

示例4包括示例1-3中任一項(xiàng)的方法，其中傳感器部件是移動(dòng)的傳感器部件。

示例5包括示例4的方法，其中移動(dòng)的傳感器部件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊。

示例6包括示例5的方法，進(jìn)一步包括：基于由于MEMS慣性傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊的位移而引起的在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減的改變來輸出慣性加速度測(cè)量結(jié)果。

示例7包括示例1-6中任一項(xiàng)的方法，其中測(cè)量在光學(xué)輸出端口處激光束的衰減進(jìn)一步包括：使用耦合到光學(xué)輸出端口的光電檢測(cè)器來測(cè)量衰減；以及處理光電檢測(cè)器的電輸出。

示例8包括示例1-7中任一項(xiàng)的方法，其中發(fā)射由激光光源產(chǎn)生的激光束進(jìn)一步包括：將由激光光源產(chǎn)生的激光束發(fā)射到在第二基板內(nèi)單片制作的至少第二集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器中，該第二集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器包括第二耦合端口和第二光學(xué)輸出端口；以及通過測(cè)量在第二光學(xué)輸出端口處激光束的衰減，檢測(cè)激光束從第二耦合端口到與第二耦合端口分離第二間隙的第二傳感器部件的耦合的量。

示例9包括示例8的方法，其中傳感器部件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊，并且第二傳感器部件是第二MEMS慣性傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊。

示例10包括示例1-9中任一項(xiàng)的方法，其中激光光源是在與第一基板鄰近的插入層內(nèi)制作的。

示例11包括示例1-10中任一項(xiàng)的方法，其中激光光源是發(fā)光二極管(LED)。

示例12包括一種集成光學(xué)讀出傳感器，該傳感器包括：至少第一玻璃基板；集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器，在第一基板內(nèi)單片制作，且包括光學(xué)輸入端口、耦合端口和光學(xué)輸出端口；移動(dòng)的傳感器部件，鄰近于耦合端口且具有在垂直于集成波導(dǎo)的耦合端口的方向上的運(yùn)動(dòng)的自由度；激光光源，其經(jīng)由光學(xué)輸入端口將光發(fā)射到第一玻璃基板中，其中作為耦合端口和移動(dòng)的傳感器部件之間的間隙距離的函數(shù)，一部分光從耦合端口耦合到移動(dòng)的傳感器部件；耦合到光學(xué)輸出端口的至少一個(gè)光電檢測(cè)器；以及耦合到該至少一個(gè)光電檢測(cè)器的電子設(shè)備，其基于從光學(xué)輸出端口離開的光的光強(qiáng)度的衰減來計(jì)算測(cè)量結(jié)果，其中衰減至少部分地是間隙距離的函數(shù)。

示例13包括示例12的傳感器，其中移動(dòng)的傳感器部件是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器檢測(cè)質(zhì)量塊。

示例14包括示例12-13中任一項(xiàng)的傳感器，其中激光光源在鄰近于第一基板的插入層內(nèi)制作。

示例15包括示例12-14中任一項(xiàng)的傳感器，進(jìn)一步包括：耦合到激光光源的集成波導(dǎo)光學(xué)拾取漂移傳感器，該集成波導(dǎo)光學(xué)拾取漂移傳感器包括：第二耦合端口和第二光學(xué)輸出端口；與第二光學(xué)輸出端口分離具有固定距離的第二間隙的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；以及耦合到第二光學(xué)輸出端口的第二光電檢測(cè)器；其中一部分光從第二耦合端口跨第二間隙耦合到靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

示例16包括示例15的傳感器，進(jìn)一步包括：耦合到第二光電檢測(cè)器的漂移誤差計(jì)算器，其中漂移誤差計(jì)算器基于從第二光學(xué)輸出端口離開的光的光強(qiáng)度的衰減來計(jì)算誤差。

示例17包括示例16的傳感器，其中電子設(shè)備基于漂移誤差來校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果。

示例18包括示例12-17中任一項(xiàng)的傳感器，進(jìn)一步包括：第二玻璃基板；第二集成波導(dǎo)光學(xué)拾取器，在第二基板內(nèi)單片制作，且包括第二耦合端口和第二光學(xué)輸出端口；第二移動(dòng)的傳感器部件，鄰近于第二耦合端口，且具有在垂直于第二耦合端口的方向上的運(yùn)動(dòng)的自由度；其中激光光源進(jìn)一步發(fā)射光到第二玻璃基板中，其中作為第二耦合端口和第二移動(dòng)的傳感器部件之間的第二間隙距離的函數(shù)，一部分光從第二耦合端口耦合到第二移動(dòng)的傳感器部件。

示例19包括示例18的傳感器，電子設(shè)備進(jìn)一步耦合到第二光電檢測(cè)器，其中電子設(shè)備進(jìn)一步基于從第二光學(xué)輸出端口離開的光的光強(qiáng)度的衰減來計(jì)算測(cè)量結(jié)果，其中從第二光學(xué)輸出端口離開的光的光強(qiáng)度的衰減至少部分地是第二間隙距離的函數(shù)。

示例20包括示例12-19中任一項(xiàng)的傳感器，其中激光光源是發(fā)光二極管(LED)。

盡管已經(jīng)在本文中圖示和描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以用被計(jì)劃以實(shí)現(xiàn)相同目的的任何布置代替所示出的具體實(shí)施例。本申請(qǐng)意圖覆蓋本發(fā)明的任何改編或變形。因此，明顯意圖在于，本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等同物來限制。