[发明专利]用于测量位移的光学换能器及方法

说明书

一种用于测量膜片(10)的位移的集成式光学换能器(1)，包括膜片(10)、透镜元件(23)和衬底主体(20)，该衬底主体具有波导结构(21)和耦合元件(22)。膜片(10)远离衬底主体(20)并且基本平行于衬底主体(20)的主延伸平面设置。波导结构(21)配置成将光从光源(30)引导到耦合元件(22)，并且从耦合元件(22)引导到光电检测器(31)。耦合元件(22)被配置成将波导结构(21)中的光的至少一部分耦合到在耦合元件(22)与膜片(10)之间的光路上，并且将膜片(10)的表面反射的光从光路耦合到波导结构(21)中。透镜元件(23)设置在光路上，使得光路上的光穿过透镜元件(23)。

本公开涉及一种用于测量膜片的位移的光学换能器和一种用于测量所述位移的方法。

用于感测动态压力变化的微机电系统(MEMS)换能器被广泛应用于现代消费电子产品中，特别是用作用于感测声频带中的压力波的麦克风。高度集成的MEMS麦克风从中发挥重要作用的常见示例包括诸如便携式电脑、笔记本电脑和平板电脑的便携式计算设备，以及如智能手机或智能手表的便携式通信设备。虽然现代换能器通常依赖于电容式读出——其例如对于高端音频应用是足够的——但诸如语音识别和深度学习应用的新兴应用要求增大的信噪比，超出现有电容换能器的能力。

要实现的目的是为高灵敏度、低噪声换能器提供改进的构思。

这个目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中定义了改进构思的实施例和改进方案。

改进的构思基于以下思路，即提供一种集成式光学换能器，该集成式光学换能器依赖于对受动态压力变化影响的机械兼容对象(诸如膜片)的位移的干涉测量读出。此外，改进的构思通过确保光学读出方案的高效率和最小损耗，实现了对位移的高灵敏度测量。

特别地，根据改进构思的用于测量膜片位移的光学换能器包括膜片、透镜元件和具有波导结构和耦合元件的衬底主体。膜片远离衬底主体且平行于或基本平行于衬底主体的主延伸平面设置。波导结构配置成将光从光源引导到耦合元件，并从耦合元件引导到光电检测器。耦合元件配置成将波导中的光的至少一部分耦合到耦合元件与膜片之间的光路上，并且将由膜片的表面反射的光从光路耦合到波导结构中。透镜元件在光路上设置成使得光路上的光穿过透镜元件。

例如，根据改进构思的光学换能器包括具有MEMS膜片的MEMS管芯，该MEMS膜片的外侧暴露于引起膜片位移的动态压力变化。MEMS膜片例如是由诸如氮化硅、晶体硅或多晶硅的材料制成的悬浮膜。例如，通过由诸如硅的材料制成的夹持结构来实现抑制。为了暴露于动态压力变化，膜片的外侧面向光学换能器的环境。因此，膜片的内侧面向衬底主体。

衬底主体例如是与MEMS管芯分开制造的第二管芯，并且可以包括设置在衬底(诸如硅衬底)上的ASIC的有源电路。衬底主体还包括实现MEMS膜片的位移的干涉测量读出所必需的光学元件。这些元件包括波导结构和耦合元件，该耦合元件例如是用于使光束分束和组合的分束器。可选地，衬底主体还包括用于光学分析和产生电子干扰信号的光电检测器，诸如硅光电二极管。

为了形成光学换能器，膜片和衬底主体相对于彼此设置，使得在膜片与衬底主体之间形成腔，其中，腔的特征在于具有一定间隙高度的间隙。例如，MEMS管芯和衬底主体结合在一起，例如遵循传统的晶圆结合技术，该技术可以是粘合或共晶类型。

膜片、波导结构和耦合元件形成光学干涉仪，诸如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪或迈克尔逊(Michelson)干涉仪，光学干涉仪依赖于耦合元件，将波导结构内的部分光作为探测光束分束并导向到光路上，朝向膜片的表面(例如内侧的点或表面)。例如，膜片由反射材料制成或具有诸如反射涂层的反射目标。特别地，膜片没有光栅，即膜片没有图案、穿孔、结构等。此外，干涉仪不包括设置在耦合元件与膜片之间或远离膜片的朝向衬底主体的一侧的背板，所述背板诸如是反射背板或具有光栅的穿孔背板。