(57)【要約】【課題】高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサを提供するための代替のシステム及び方法を提供する。【解決手段】高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサのためのシステム及び方法が提供される。一実施形態では、集積導波路光ピックオフセンサのための方法は、レーザ光源によって生成されたレーザビームを、第１の基板内にモノリシックに作製された集積導波路光ピックオフに発射するステップであって、当該集積導波路光ピックオフは、光入力ポート、結合ポート及び光出力ポートを含む、ステップと、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定することによって、結合ポートから、ギャップによって結合ポートから分離されたセンサコンポーネントへのレーザビームの結合量を検出するステップとを含む。【選択図】図１
2016212093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積導波路光ピックオフ（１２０）センサのための方法であって、
レーザ光源（１２６）によって生成されたレーザビームを、第１の基板（１１０）内にモノリシックに作製された集積導波路光ピックオフ（１２０）へ発射するステップであって、前記集積導波路光ピックオフ（１２０）は、光入力ポート（１２１）、結合ポート（１２３）及び光出力ポート（１２５）を含む、ステップと、
前記光出力ポート（１２５）における前記レーザビームの減衰を測定することによって、前記結合ポート（１２３）から、ギャップにより前記結合ポート（１２３）から分離されたセンサコンポーネントへの、前記レーザビームの結合量を検出するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
集積光学読み出しセンサであって、
少なくとも第１のガラス基板（１１０）と、
前記第１の基板（１１０）内にモノリシックに作製され、光入力ポート（１２１）、結合ポート（１２３）及び光出力ポート（１２５）を含む、集積導波路光ピックオフ（１２０）と、
前記結合ポート（１２３）に隣接し、前記集積導波路の前記結合ポート（１２３）に対して垂直な方向の動きの自由度を有する、可動センサコンポーネント（１１６）と、
前記光入力ポート（１２１）を介して光を前記第１のガラス基板（１１０）に発射するレーザ光源（１２６）であって、前記光の一部は、前記結合ポート（１２３）と前記可動センサコンポーネント（１１６）との間のギャップ距離に応じて、前記結合ポート（１２３）から前記可動センサコンポーネント（１１６）に結合する、レーザ光源（１２６）と、
前記光出力ポート（１２５）に結合された少なくとも１つの光検出器（１２７）と、
前記光出力ポート（１２５）から出る光の光強度の減衰に基づいて測定値を計算する、前記少なくとも１つの光検出器に結合された電子回路（５１０）であって、前記減衰は少なくとも部分的に前記ギャップ距離の関数である、電子回路（５１０）と
を備える、集積光学読み出しセンサ。
【請求項３】
前記レーザ光源（１２６、６２１）に結合された集積導波路光ピックオフドリフトセンサ（６２０）をさらに備え、前記集積導波路光ピックオフドリフトセンサ（６２０）は、
第２の結合ポート（６２３）及び第２の光出力ポート（６２５）と、
固定距離を有する第２のギャップ（６１５）によって前記第２の光出力ポート（６１５）から分離された静的構造（６１４）と、
前記第２の光出力ポート（６２５）に結合された第２の光検出器（６２７）と
を含み、
光の一部は、前記第２のギャップ（６１５）を介して、前記第２の結合ポート（６２３）から前記静的構造（６１４）へ結合し、
前記第２の光検出器（６２７）に結合されたドリフト誤差計算部（６４０）であって、前記第２の光出力ポート（１２５）から出る光の光強度の減衰に基づいて誤差を計算する、ドリフト誤差計算部（６４０）
をさらに備える、請求項２に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサのためのシステム及び方法に関する。
関連出願への相互参照
[0001]本願は、２０１５年４月２９日に出願された「高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサ」と題する米国仮出願第６２／１５４，１９７号に対する優先権及びその利益を主張し、その全体が参照により本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]ＭＥＭＳセンサの容量性読み出しは、電気フィードスルー、センサ機械モードの電気的ダンピング、ガラス充電（ｇｌａｓｓ  ｃｈａｒｇｉｎｇ）、金属容量板の仕事関数の変化などの、様々な誤差メカニズムの影響を受けやすい。また、センサのスケールファクタ（ＳＦ）、又は入力信号で分割して取り出される信号の量は、読み出し機構の感度に直接関連する。これら２つの要因がＭＥＭＳセンサにおける容量性読み出しの有効性を制限する。光学エバネセント結合は、容量性の同等のものよりも感度がよい可能性のある有望な読み出し技術であり、上述の静電誤差メカニズムに対して脆弱でない。しかし、提案されている方法の多くは、センサがしばしば曝される過酷な環境要因に対処するのに十分なほどに耐久性のあるものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003]上記の理由及び明細書を読んで理解することで当業者にとって明らかとなる以下に述べる他の理由により、高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサを提供するための代替のシステム及び方法が当技術分野において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004]本発明の実施形態は、高度に集積された光学読み出しＭＥＭＳセンサを提供するための方法及びシステムを提供し、以下の明細書を読み、検討することで理解されよう。
【０００５】
[0005]一実施形態では、集積導波路光ピックオフセンサのための方法は、レーザ光源によって生成されたレーザビームを、第１の基板内にモノリシックに作製された集積導波路光ピックオフへ発射するステップであって、集積導波路光ピックオフは、光入力ポート、結合ポート及び光出力ポートを含む、ステップと、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定することによって、結合ポートからある間隔だけ離れたセンサコンポーネントに対する結合ポートからのレーザビームの結合の量を検出するステップとを含む。
【０００６】
[0006]本発明の実施形態は、好ましい実施形態の説明及び以下の図面を考慮して検討すれば、より容易に理解することができ、そのさらなる利点及び使用がより容易に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】[0007]本開示の一実施形態のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの図である。
【図２】[0008]本開示の一実施形態のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの動作図である。
【図３Ａ】[0009]本開示の一実施形態のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの動作を示す図である。
【図３Ｂ】本開示の一実施形態のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの動作を示す図である。
【図４Ａ】[0010]本開示の一実施形態の別のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの図である。
【図４Ｂ】本開示の一実施形態の別のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの図である。
【図４Ｃ】本開示の一実施形態の別のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの図である。
【図４Ｄ】本開示の一実施形態の別のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサの図である。
【図５】[0011]本開示の一実施形態の光ピックオフ信号処理を示す図である。
【図６】[0012]本開示の一実施形態の光ピックオフドリフトセンサを示す図である。
【図７】[0013]本開示の一実施形態の方法を示すフローチャートである。
【０００８】
[0014]一般的な慣行に従って、様々な説明される特徴は、一定の縮尺で描かれず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれている。参照文字は図面及び本文にわたって同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0015]以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、本発明を実施することができる特定の例示的な実施形態によって示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することを可能にするよう十分詳細に説明されるものであり、他の実施形態を利用することができ、本発明の範囲から逸脱することなく、論理的、機械的及び電気的な変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではない。
【００１０】
[0016]本開示の実施形態は、ＭＥＭＳジャイロスコープを含むがこれに限定されないＭＥＭＳセンサのガラス基板内に作製されたモノリシック集積光ピックオフのためのシステム及び方法を提供する。多くのＭＥＭＳセンサは、１つの層がガラス基板からなる多層構造である。本開示の実施形態は、比較的低損失でガラス基板内に３次元光導波路を「書き込む」か又はパターン形成するためにフェムト秒レーザを用いることができるプロセスを利用することができる。このプロセスを利用して、光導波路をデバイスのガラス層に集積化することができる。
【００１１】
[0017]可動（ｍｏｖｉｎｇ）ＭＥＭＳ構造が導波路に対して十分に近接するとき、光はエバネセント結合を介して導波路から抽出される。可動構造が導波路に近いほど、より多くの光が導波路の外に結合される。したがって、ＭＥＭＳデバイスの動きの振幅は、導波路の光強度出力を監視することによって導出することができる。この手法の利点は以下のようになる。まず、本明細書に開示される実施形態は、より高感度の読み出しを提供することによってセンサ性能を改善する。エバネセント結合及び容量性読み出しが〜ｅ（−ｇａｐ）のようにギャップの変化（すなわち、可動構造と感知機構との間の間隔）に対して敏感である一方、従来の容量性ピックオフは〜１／ギャップに比例するにすぎない。したがって、エバネセント結合は、容量性結合よりもギャップの変化に対してはるかに感度が高い可能性がある。本明細書に開示された実施形態はまた、感知要素のモノリシックな集積、光学コンポーネントがより少ないこと、異なる材料を回避すること及び温度安定性がより良好であることにより、競合する光学読み出し方式よりも比較的より安定している。最後に、本明細書に開示される実施形態は、異なる駆動（静電）及び感知（光学）技術による既知のセンサバイアス機構の除去をもたらす。
【００１２】
[0018]図１は、集積光学読み出しＭＥＭＳセンサ１００の本開示の一実施形態の図である。センサ１００は、第１のプルーフマス１１６及び第２のプルーフマス１１７を含むジャイロスコープデバイス層１１４を備える。ジャイロスコープデバイス層１１４は、第１のプルーフマス１１６及び第２のプルーフマス１１７の各々が、ジャイロスコープデバイス層１１４の平面に対して垂直な方向に空間キャビティ（ｏｐｅｎ  ｓｐａｃｅ  ｃａｖｉｔｙ）１１５内で動くように少なくとも１つの自由度（１−ＤＯＦ）を有する、空間キャビティ１１５を規定する、上部ガラス基板１１０と下部ガラス基板１１２との間に配置される。すなわち、それらは３つの自由度で動くことができるが、それらは、少なくとも、ジャイロスコープデバイス層１１４の平面に対して垂直なセンサ１００の感知軸に沿って印加される慣性力に反応して、ジャイロスコープデバイス層１１４の平面へと、及びジャイロスコープデバイス層１１４の平面から外へ、垂直に動く。プルーフマス１１６及び１１７の動きは、集積導波路光ピックオフ１２０、１３０、１４０及び１５０によって測定される。本明細書中で使用されるとき、「集積導波路」は、光ピックオフ１２０、１３０、１４０及び１５０が、ガラス基板１１０及び１１２へとモノリシックに集積された導波路を含むことを意味する。一実施形態では、これらの集積導波路要素は、ガラス基板１１０及び１１２がそれから作製される、例えばゴリラガラス（商標）への、３次元フェムト秒レーザ導波路パターニングを使用して作成される。
【００１３】
[0019]図１に示すように、集積導波路光ピックオフ１２０及び１３０は、プルーフマス１１６の変位を測定するために用いることができる。集積導波路光ピックオフ１２０は、プルーフマス１１６の上の上部ガラス基板１１０内に作製され、光入力ポート１２１、結合ポート１２３及び光出力ポート１２５を含む。一実施形態では、光入力ポート１２１及び光出力ポート１２５のうちの１つ又は両方は、上部ガラス基板１１０からのレーザ光の低損失な出入りを容易にするために研磨された、上部ガラス基板１１０の外部表面の領域を含んでもよい。入力ポート１２１がモノリシック集積導波路１２２によって結合ポート１２３に光学的に結合される一方、結合ポート１２３は、さらに、モノリシック集積導波路１２４によって出力ポート１２５に結合される。一実施形態では、結合ポート１２３は、空間キャビティ１１５内で上部ガラス基板１１０の表面に接近する、導波路１２２及び１２４の間のモノリシック集積導波路の一部を含み、プルーフマス１１６が結合ポート１２３に近接するときにプルーフマス１１６に光を結合するように配置される。一実施形態では、レーザ光は、レーザ光源１２６によって入力ポート１２１において上部ガラス基板１１０に入射され、出力ポート１２５において上部ガラス基板１１０を出て光検出器１２７によって測定される。
【００１４】
[0020]集積導波路光ピックオフ１３０は、プルーフマス１１６の下の下部ガラス基板１１２内に作製され、光入力ポート１３１、結合ポート１３３及び光出力ポート１３５を含む。一実施形態では、光入力ポート１３１及び光出力ポート１３５のうちの１つ又は両方は、下部ガラス基板１１２からのレーザ光の低損失な出入りを容易にするために研磨された、下部ガラス基板１１２の外部表面の領域を含んでもよい。入力ポート１３１がモノリシック集積導波路１３２によって結合ポート１３３に光学的に結合される一方、結合ポート１３３は、さらに、モノリシック集積導波路１３４によって出力ポート１３５に結合される。一実施形態では、結合ポート１３３は、空間キャビティ１１５内で下部ガラス基板１１２の表面に接近する、導波路１３２及び１３４の間のモノリシック集積導波路の一部を含み、プルーフマス１１６が結合ポート１３３に近接するときにプルーフマス１１６に光を結合するように配置される。一実施形態では、レーザ光は、レーザ光源１３６によって入力ポート１３１において下部ガラス基板１１２に入射され、出力ポート１３５において下部ガラス基板１１２を出て光検出器１３７によって測定される。
【００１５】
[0021]また、図１に示すように、集積導波路光ピックオフ１４０及び１５０は、プルーフマス１１７の変位を測定するために用いることができる。集積導波路光ピックオフ１４０は、プルーフマス１１７の上の上部ガラス基板１１０内に作製され、光入力ポート１４１、結合ポート１４３及び光出力ポート１４５を含む。一実施形態では、光入力ポート１４１及び光出力ポート１４５のうちの１つ又は両方は、上部ガラス基板１１０からのレーザ光の低損失な出入りを容易にするために研磨された、上部ガラス基板１１０の外部表面の領域を含んでもよい。入力ポート１４１がモノリシック集積導波路１４２によって結合ポート１４３に光学的に結合される一方、結合ポート１４３は、さらに、モノリシック集積導波路１４４によって出力ポート１４５に結合される。一実施形態では、結合ポート１４３は、空間キャビティ１１５内で上部ガラス基板１１０の表面に接近する、導波路１４２及び１４４の間のモノリシック集積導波路の一部を含み、プルーフマス１１７が結合ポート１４３に近接するときにプルーフマス１１７に光を結合するように配置される。一実施形態では、レーザ光は、レーザ光源１４６によって入力ポート１４１において上部ガラス基板１１０に入射され、出力ポート１４５において上部ガラス基板１１０を出て光検出器１４７によって測定される。
【００１６】
[0022]集積導波路光ピックオフ１５０は、プルーフマス１１７の下の下部ガラス基板１１２内に作製され、光入力ポート１５１、結合ポート１５３及び光出力ポート１５５を含む。一実施形態では、光入力ポート１５１及び光出力ポート１５５のうちの１つ又は両方は、下部ガラス基板１１２からのレーザ光の低損失な出入りを容易にするために研磨された、下部ガラス基板１１２の外部表面の領域を含んでもよい。入力ポート１５１がモノリシック集積導波路１５２によって結合ポート１５３に光学的に結合される一方、結合ポート１５３は、さらに、モノリシック集積導波路１５４によって出力ポート１５５に結合される。一実施形態では、結合ポート１５３は、空間キャビティ１１５内で下部ガラス基板１１２の表面に接近する、導波路１５２及び１５４の間のモノリシック集積導波路の一部を含み、プルーフマス１１７が結合ポート１５３に近接するときにプルーフマス１１７に光を結合するように配置される。一実施形態では、レーザ光は、レーザ光源１５６によって入力ポート１５１において下部ガラス基板１１２に入射され、出力ポート１５５において下部ガラス基板１１２を出て光検出器１５７によって測定される。
【００１７】
[0023]レーザ光源１２６、１３６、１４６及び１５６並びに光検出器１２７、１３７、１４７及び１５７は、デバイスパッケージハウジングセンサ１００に集積されてもよいし、又は、それぞれ上部ガラス基板１１０及び下部ガラス基板１１２の外部上部表面及び下部表面とインターフェースするインターポーザ層１６０及び１６２（又は他の物理層）内に作製されてもよい、電気デバイスである。一実施形態では、レーザ光源１２６、１３６、１４６及び１５６は、各々が、発光ダイオード（ＬＥＤ）レーザ光源である。
【００１８】
[0024]センサ１００が慣性力にさらされるとき、プルーフマス１１６及び１１７は、ジャイロスコープデバイス層１１４の平面内のそれらの位置から、慣性力の大きさに正比例する距離だけ変位される。センサ１００の回転軸周りの回転加速度により引き起こされるこのような変位の一例が図２に示されており、プルーフマス１１６が上部ガラス基板１１０に向かって（及び下部ガラス基板１１２から離れて）変位される一方、プルーフマス１１７は下部ガラス基板１１２に向かって（及び上部ガラス基板１１０から離れて）変位される。レーザ光源１２６、１３６、１４６及び１５６はそれぞれ、それぞれの光入力ポートにレーザ光ビームを発射し、当該レーザ光ビームは、モノリシック集積導波路１２２、１２４、１３２、１３４、１４２、１４４、１５２及び１５４を介してそれぞれの光検出器１２７、１３７、１４７及び１５７へと伝播する。光検出器１２７、１３７、１４７及び１５７に到達するレーザ光ビームの強度は、慣性力に起因してプルーフマス１１６及び１１７が経験する偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を決定するために使用することができ、したがって、光検出器１２７、１３７、１４７及び１５７からの電気出力信号は、最終的には、その慣性力の測定値を得るために使用することができる。
【００１９】
[0025]例えば、図３Ａは、３００において、集積導波路光ピックオフ３６０の任意のものの例示的な動作を示し、これは上述の集積導波路光ピックオフ１２０、１３０、１４０及び１５０のいずれを表してもよい。図３Ａの例では、プルーフマス３１５（例えば、プルーフマス１１６又は１１７のいずれかを表してもよい）は、結合ポート３３３から離れて偏向される。これは、図２における集積導波路光ピックオフ１３０及び１４０のいずれかの例示的な変位の場合である。ここで、集積導波路光ピックオフ３６０は、ガラス基板３１２内にモノリシックに作製され、光入力ポート３３１、結合ポート３３３及び光出力ポート３３５を含む。慣性力に起因して、プルーフマス３１５は、慣性力の大きさに比例する距離だけ、その休止位置（ｒｅｓｔ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）３０１から偏向位置３０２へ（結合ポート３３３から離れて）偏向される。結合ポート３３３から離れるこの偏向は、プルーフマス３１５と結合ポート３３３との間の光結合（３０４で示される）を減少させ、その結果、（グラフ３５０で示されるように）入力ポート３３１に入射される強度ＰＩＮのレーザ光は、減衰がまったくないかそれに近い状態で出力ポート３３５に到達する。実際には、出力ポート３３５からのエバネセント読み出しは、プルーフマス３１５と結合ポート３３３との間のギャップ距離３０５の指数関数として減衰する（すなわち、ｋ〜ｅ−ギャップ距離）ので、プルーフマス３１５と結合ポート３３３との間の光結合に起因する、出力ポート３３５における減衰の影響は、ギャップ距離３０５が増加するにつれてすぐに無視できるようになる。
【００２０】
[0026]対照的に、図３Ｂは、３６０において、プルーフマス３１５が結合ポート３３３に向かって偏向される例示的な動作を示す。これは、図２における集積導波路光ピックオフ１２０及び１５０の場合である。慣性力に起因して、プルーフマス３１５は、ここでは、慣性力の大きさに比例する距離だけ、その休止位置３０１から偏向位置３０３へ（すなわち、結合ポート３３３に向かって）偏向される。結合ポート３３３に向かうこの偏向は、プルーフマス３１５と結合ポート３３３との間の光結合（３０７で示す）を増加させ、その結果、入力ポート３３１に入射される強度ＰＩＮのレーザ光のある部分は、プルーフマス３１５に結合され、出力ポート３３５に到達しない。結果として、出力ポート３３５に到達するレーザ光の強度が減衰する。出力ポート３３５からのエバネセント読み出しはプルーフマス３１５と結合ポート３３３との間のギャップ距離３０６の指数関数として減衰する（すなわち、ｋ〜ｅ−ギャップ距離）ので、プルーフマス３１５と結合ポート３３３との間の光結合に起因する出力ポート３３５における減衰の影響は、ギャップ距離３０６が減少するにつれてすぐに増加する。
【００２１】
[0027]本開示の実施形態によれば、ＭＥＭＳセンサの上部ガラス基板及び下部ガラス基板の材料内に作製された集積導波路光ピックオフの利用は、容量性ピックオフにより提供されるものに匹敵する読み出し安定性を提供し、他の方法では光ピックオフを実現するために異なる光学材料を組み込むことで導入され得るような安定性誤差を回避しながら、光ピックオフによって達成することができる改善された感度を有する。本明細書に記載される様々な実施形態は、より感度の良い読み出し、モノリシック集積による安定した光学読み出し方式、比較的少ない光学部品の必要性、異なる材料の回避、及び温度安定性の改善の提供により改善された性能を提供する。モノリシック集積は、静電読み出しＭＥＭＳジャイロスコープに対して改善されたガン硬度（ｇｕｎ  ｈａｒｄｎｅｓｓ）を提供し、感知フィードスルー機構（ｓｅｎｓｅ  ｆｅｅｄ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）に対する駆動を排除する、異なる駆動（電気）及び感知（光学）技術による既知のバイアス機構の排除を提供する。これらの実施形態はまた、容量性ピックオフと比較してより高感度のピックオフ（＞１０倍）をもたらし、ジャイロのスケールファクタの増加がデバイス性能の向上につながり、性能を犠牲にすることなくより高いｇレベルに耐えるためにプルーフマスのばねをより剛性にすることを可能にする。
【００２２】
[0028]図４Ａ及び４Ｂは、本開示の一実施形態の別のモノリシック光学読み出しＭＥＭＳセンサ４００の図である。一実施形態では、光学読み出しＭＥＭＳセンサ４００は、センサ１００の別の実施形態である。したがって、図１及び図２における同様に名づけられた要素の説明はセンサ４００に対して適用され、その逆も同様である。いくつかの実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂで説明した要素は、図１及び２における同様に名づけられた要素とともに、又はそれと組み合わせて、又はその代わりとして使用することができる。センサ４００は、第１のプルーフマス４１６及び第２のプルーフマス４１７を含むジャイロスコープデバイス層４１４を備える。ジャイロスコープデバイス層４１４は、第１のプルーフマス４１６及び第２のプルーフマス４１７の各々が、プルーフマス１１６及び１１７に関して上述したものと同じ方法で、ジャイロスコープデバイス層４１４の平面に対して垂直な方向に空間キャビティ４１５内で動くように少なくとも１つの自由度（１−ＤＯＦ）を有する、空間キャビティ４１５を規定する、上部ガラス基板４１０と下部ガラス基板４１２との間に配置される。すなわち、それらは３つの自由度で動くことができるが、それらは、少なくとも、ジャイロスコープデバイス層４１４の平面に対して垂直なセンサ４００の感知軸に沿って印加される慣性力に反応して、ジャイロスコープデバイス層４１４の平面へと、及びジャイロスコープデバイス層１１４の平面から外へ、垂直に動く。プルーフマス４１６及び４１７の動きは、集積導波路光ピックオフ４２０、４４０、４４０及び４５０によって測定される。
【００２３】
[0029]センサ１００とは対照的に、センサ４００は、それぞれのガラス基板４１０及び４１２の上下のインターポーザ層内ではなく、それぞれのガラス基板４１０及び４１２の側部に取り付けられた２つのレーザ光源４２６及び４３６を利用する。図４Ａに示すように、レーザ光源４２６は、入力ポート４２１を介してガラス基板４１０へ、及び入力ポート４２２を介してガラス基板４１２へ、そのレーザ光を発射する。レーザ光源４２６はコヒーレントであるので、両方の光入力ポート４２１及び４２２は、実際上、同じ光を見ている。光入力ポート４２１に入射したレーザ光は、（プルーフマス４１６の偏向を測定するために）光ピックオフ４２０の結合ポート４２３へ伝播し、光入力ポート４２２に入射したレーザ光は（プルーフマス４１７の偏向を測定するために）光ピックオフ４５０の結合ポート４５３へ伝播する。結合ポート４２３は光出力ポート４２５に結合され、光出力ポート４２５に到達する光の強度が光検出器４４６によって測定される。結合ポート４５３は光出力ポート４５５に結合され、光出力ポート４５５に到達する光の強度が光検出器４５７によって測定される。図４Ｂに示すように、レーザ光源４３６は、入力ポート４３１を介してガラス基板４１０へ、及び入力ポート４３２を介してガラス基板４１２へ、そのレーザ光を発射する。ここでも、レーザ光源４３６はコヒーレントであるので、入力ポート４３１及び４３２の両方は、実際上、同じ光を見ている。いくつかの実施形態については、レーザ光源４３６及びレーザ光源４２６は、同じレーザ生成デバイスを用いて実施されてもよい一方、他の実施形態において、それらは独立したレーザ光源であることが理解されるべきである。光入力ポート４３１に入射したレーザ光が（プルーフマス４１７の偏向を測定するために）光ピックオフ４４０の結合ポート４４３へ伝播する一方、光入力ポート４３２に入射したレーザ光は（プルーフマス４１６の偏向を測定するために）光ピックオフ４３０の結合ポート４３３へ伝播する。結合ポート４４３は光出力ポート４４５に結合され、光出力ポート４４５に到達する光の強度が光検出器４４７によって測定される。結合ポート４３３は光出力ポート４５１に結合され、光出力ポート４５１に到達する光の強度が光検出器４５６によって測定される。センサ１００と同様に、入力ポート、結合ポート及び出力ポートの各々の結合は、集積導波路光ピックオフ４２０、４３０、４４０及び４５０を規定するガラス基板４１０及び４１２内の集積導波路により達成される。すなわち、光ピックオフ４２０、４３０、４４０及び４５０は、ガラス基板４１０及び４１２へとモノリシックに集積された導波路を含む。一実施形態では、光入力ポート４２１及び４３１と同様に、光出力ポート４２５、４４５、４５５及び４５１は、ガラス基板４１０及び４１２の上面及び下面ではなく、ガラス基板４１０及び４１２の側部に作製され、取り付けられた光検出器４４６、４４７、４５７及び４５６がそれらの出力ポートから出射する光を受光する。
【００２４】
[0030]別の実施形態において、単一の光検出器が４４６及び４５７に取って代わることができるように、出力４２５及び４５５が一緒に組み合わされてもよいこともまた理解されるべきである。同様に、単一の光検出器が４４７及び４５６に取って代わることができるように、出力４４５及び４５１を一緒に組み合わせてもよい。このような実施形態は、図４Ｃ及び４Ｄにおいてセンサ４７０により示される。センサ４７０は次の点を除いてセンサ４００と同一である：１）センサ４００内の２つの別個の光検出器４４６及び４５７は、２つの光出力ポート４２５及び４５５において受光されるすべての光について受け取られた光強度を測定する単一の光検出器４４８で置き換えられ、２）センサ４００内の２つの別個の光検出器４４７及び４５６は、２つの光出力ポート４４５及び４５１において受光されるすべての光について受け取られた光強度を測定する単一の光検出器４５８で置き換えられる。センサ４７０が回転力に反応し、プルーフマス４１６及び４１７は、図２に関して上述したように、反対方向に（すなわち、互いに位相がずれて）動く。したがって、光ピックオフ４２０及び４５０の両方を監視するために単一の光検出器４４８を利用し、光ピックオフ４２０及び４４０の両方を監視するために別の単一の光検出器４５８を利用することにより、センサ４７０は、実際上、同じ効果を２度測定している。図４Ｃ及び図４Ｄの実施形態に関連した１つの利点は、必要とされる光検出器の数がより少なく、コストと複雑さを低減するが、また、測定における信号雑音も低減することである。すなわち、図４Ａ及び図４Ｂの実施形態では、４つの別個の光検出器が、光ピックオフ４２０、４３０、４４０及び４５０の各々について１つずつ利用される。それらの光検出器の各々は、測定値に対する無相関雑音の別個の寄与を表す。４つの光検出器の代わりに図４Ｃ及び４Ｄに示すようにわずか２つの光検出器を利用することにより、無相関雑音の寄与の潜在的なソースの数が半分に削減される。これに対して、別個の光検出器を用いて光ピックオフ４２０、４３０、４４０及び４５０の各々の出力を別個に測定することの１つの利点は、信号を合成することで生じ得るマスキングをすることなく、プルーフマス４１６及び４１７の理想的でない又は異常な動きを検出することができるということである。
【００２５】
[0031]図５は、本開示の一実施形態の光ピックオフ信号処理を５００において一般的に示す図である。本明細書に記載の実施形態のうちの任意のものについて、集積導波路光ピックオフの各々に関連付けられる（５０５で一般に示される）光検出器の電気出力は、アナログ手段もしくはデジタル手段又はそれらの組み合わせのいずれかを使用して電子回路５１０によって処理されて、共通モード又はその他の誤差を相殺する。例えば、電子回路５１０は、第１のプルーフマスに関連付けられる光検出器（ＰＭ１上部ＰＤ及びＰＭ１下部ＰＤ）からの出力間の差の関数に基づいて、第１のプルーフマスの変位を決定することができる。同様に、電子回路５１０は、第２のプルーフマスに関連付けられる光検出器（ＰＭ２上部ＰＤ及びＰＭ２下部ＰＤ）からの出力間の差の関数に基づいて、第２のプルーフマスの変位を決定することができる。他のセンサ測定値は、両方のプルーフマスの組み合わされた偏向を考慮することによって得ることができる。例えば、電子回路５１０は、第１のプルーフマスのための上部基板光検出器（ＰＭ１上部ＰＤ）及び第２のプルーフマスのための下部基板光検出器（ＰＭ２下部ＰＤ）からの出力の間の差の関数に基づいて、慣性測定値や補正係数を決定することができる。同様に、電子回路５１０は、第１のプルーフマスのための下部基板光検出器（ＰＭ１下部ＰＤ）及び第２のプルーフマスのための上部基板光検出器（ＰＭ２上部ＰＤ）からの出力の間の差の関数に基づいて、慣性測定値や補正係数を決定することができる。
【００２６】
[0032]上記の開示は、可動部（例えば、動いているプルーフマス）の動きを測定するために使用されるモノリシック集積光ピックオフの例示的な実施形態を説明しているが、さらに他の実施形態において、モノリシック集積光ピックオフが、意図的に動かない特徴（ｆｅａｔｕｒｅｓ）とともに他の用途に利用されてもよいことに留意すべきである。例えば、図６は、本開示の一実施形態の集積導波路光ピックオフドリフトセンサ６００を示す図である。センサ６００は、ガラス基板６１０に隣接して配置される静的構造層６１４を含む。図６の実施形態では、第１のギャップ６１５は、上部ガラス基板６１０と静的構造層６１４との間の固定距離の空間を規定する。センサ６００は、さらに、ガラス基板６１０にモノリシックに集積された導波路素子を含む、集積導波路光ピックオフ６２０を備える。一実施形態では、これらの集積導波路素子は、３次元フェムト秒レーザ導波路パターニングを使用して、ガラス基板６１０がそこから作製される、例えばゴリラガラス（商標）材料に作成される。
【００２７】
[0033]集積導波路光ピックオフ６２０は、静的構造層６１４の上の上部ガラス基板６１０内に作製され、光入力ポート６２１、結合ポート６２３及び光出力ポート６２５を含む。一実施形態では、光入力ポート６２１及び光出力ポート６２５のうちの一方又は両方は、上部ガラス基板６１０からのレーザ光の低損失な出入りを容易にするために研磨された、上部ガラス基板６１０の外部表面の領域を含んでもよい。入力ポート６２１がモノリシック集積導波路６２２によって結合ポート６２３に光学的に結合される一方、結合ポート６２３は、さらに、モノリシック集積導波路６２４によって出力ポート６２５に結合される。一実施形態では、結合ポート６２３は、ギャップ空間６１５内で上部ガラス基板６１０の表面に接近する、導波路６２２及び６２４の間のモノリシック集積導波路の一部を含み、光を静的構造層６１４に結合するように配置される。一実施形態では、レーザ光は、レーザ光源６２６によって入力ポート６２１において上部ガラス基板６１０に入射され、出力ポート６２５において上部ガラス基板６１０を出て光検出器６２７によって測定される。レーザ光源６２６はまた、（上述のＭＥＭＳセンサ１００又は４００などの）１つ又は複数の他の光センサとともに使用され、集積導波路６２８を介してこのようなセンサの素子にレーザ光を供給することができる。
【００２８】
[0034]図６に示すような集積導波路光ピックオフを使用して、光学エバネセント結合を、レーザ光源によってもたらされるレーザ光のドリフトなどの現象によって引き起こされ得る、光出力ポート６２５における光強度の変化を検出するために利用することができる。固定要素間の一定のギャップを測定するためのこのようなモノリシック集積光ピックオフの使用は、デバイスの可動部分のそれらの種類のドリフトを較正するために使用されてもよい。すなわち、ギャップ６１５は一定のギャップであるので、結合ポート６２３と静的構造層６１４との間の光結合のいかなる変化も、レーザ光源６２６からのレーザ光の光パワーのドリフトに起因する。一実施形態では、光検出器６２７の電気信号出力は、バイアス誤差を計算するためにバイアス誤差計算部６４０に供給される。一実施形態では、バイアス誤差計算部６４０からのバイアス誤差出力は、電子回路５１０に供給されて、慣性測定値を生成するための計算に含められてもよい。
【００２９】
[0035]例えば、図６並びに図３Ａ及び３Ｂを参照すると、一実施形態のレーザ光源６２６が光入力ポート２３１へのレーザ光の光源でもある場合、光検出器６２７において測定される（及び、バイアス誤差計算部５４０によってバイアス誤差へと変換される）強度の変化は、プルーフマス２１５の位置の変化ではなくレーザ光ドリフトに起因する、光出力ポート２３５において測定される光強度の変化を検出するために使用することができる。バイアス誤差を減算することにより、残るのは、プルーフマス２１５の偏向の真の測定値である。
【００３０】
[0036]図７は、本開示の一実施形態の方法７００を示すフローチャートである。方法７００は、本明細書に記載の様々な先の実施形態の１つ又は複数の要素を用いて実施することができ、図１−６に関して説明した実施形態のうちのいずれかとともに又はそれらと組み合わせて使用されてもよい。このように、上記の同様に名付けられた要素に関して上で提供された開示は方法７００を適用し、その逆もまた同様である。
【００３１】
[0037]方法は７１０で開始し、レーザ光源によって生成されたレーザビームを、第１の基板内にモノリシックに作製された集積導波路光ピックオフへと発射する。集積導波路光ピックオフは、光入力ポート、結合ポート及び光出力ポートを含む。本明細書中で使用されるとき、「集積導波路」とは、光ピックオフが、シリコンガラス基板を含み得る第１の基板へモノリシックに集積された１つ又は複数の導波路を含むことを意味する。一実施形態では、これらの集積導波路素子は、３次元フェムト秒レーザ導波路パターニングを使用して、第１の基板がそこから作製される、例えばゴリラガラス（商標）材料に作成される。
【００３２】
[0038]方法は７２０に進み、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定することによって、結合ポートから、ギャップにより結合ポートから分離されたセンサコンポーネントへの、レーザビームの結合量を検出する。一実施形態では、センサコンポーネントは、ジャイロスコープデバイス層の一部を形成し得る（上述のプルーフマスのうちのいずれかなどの）慣性センサのプルーフマスなどの可動センサコンポーネントである。可動センサコンポーネントは、ジャイロスコープデバイス層の平面に対して垂直なセンサの感知軸に沿って印加される慣性力に反応して第１のプルーフマスが動きの自由度を有する、第１の基板により少なくとも部分的に提供される空間キャビティ内に配置されてもよい。センサコンポーネントの動きは、結合ポートからセンサコンポーネントに結合される光の量を感知することにより、集積導波路光ピックオフによって測定される。光出力ポートにおいて受光される光の減衰の変化は、可動センサコンポーネントと結合ポートとの間のギャップの変化を示すものであり、これは、（すなわち、光検出器を介して）電気信号に変換されて、慣性測定値を生成するために上述のように処理されてもよい。
【００３３】
[0039]他の実施形態では、センサコンポーネントは、例えば図６に記載の集積導波路光ピックオフドリフトセンサ６００などの、動かないセンサコンポーネントである。その場合、センサコンポーネントは、第１の基板と静的センサコンポーネントとの間の固定距離の空間を規定する第１のギャップを有する第１の基板に隣接して配置される、静的構造層を使用して、実装することができる。このような集積導波路光ピックオフを使用して、光エバネセント結合を、レーザ光源によって提供されるレーザ光のドリフトや温度過渡などを含むがこれらに限定されない現象によって生じ得る、光出力ポートにおける光強度の変化を検出するために利用することができる。固定要素間の一定のギャップを測定するためのこのようなモノリシック集積光ピックオフの使用は、デバイスの可動部分のそれらの種類のバイアス源を較正するために使用されてもよい。すなわち、結合ポートとセンサコンポーネントとの間のギャップは一定のギャップであることを意図しているので、結合ポートと静的構造層との間の光結合のいかなる変化も、レーザ光源からのレーザ光の光パワーのドリフト又は他のバイアスに起因するものとすることができる。一実施形態では、光出力ポートに結合された光検出器の電気信号出力は、バイアス誤差を計算するためにバイアス誤差計算部に供給される。一実施形態では、バイアス誤差出力は、センサ電子回路に供給されて、慣性測定値を生成するための計算に含められてもよい。例えば、図６並びに図３Ａ及び３Ｂを参照すると、一実施形態のレーザ光源６２６が光入力ポート２３１へのレーザ光の光源でもある場合、光検出器６２７において測定される（及び、バイアス誤差計算部５４０によってバイアス誤差へと変換される）強度の変化は、プルーフマス２１５の位置の変化ではなくレーザ光のドリフトに起因する、光出力ポート２３５において測定される光強度の変化を検出するために使用することができる。バイアス誤差を減算することにより、残るのは、プルーフマス２１５の偏向の真の測定値である。
例示的な実施形態
[0040]例１は、集積導波路光ピックオフセンサのための方法を含み、当該方法は、レーザ光源によって生成されたレーザビームを、第１の基板内にモノリシックに作製された集積導波路光ピックオフへと発射するステップであって、集積導波路光ピックオフは、光入力ポート、結合ポート及び光出力ポートを含む、ステップと、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定することによって、結合ポートから、ギャップにより結合ポートから分離されたセンサコンポーネントへの、レーザビームの結合量を検出するステップとを含む。
【００３４】
[0041]例２は、例１の方法を含み、センサコンポーネントは静的構造であり、当該方法は、レーザ光源により生成されるようなレーザビームのドリフトを、静的構造へのレーザビームの結合に起因する光出力ポートにおけるレーザビームの減衰の関数として決定するステップをさらに含む。
【００３５】
[0042]例３は、例２の方法を含み、レーザビームの減衰に基づいて慣性センサ測定値を補正するステップであって、当該慣性センサ測定値が、レーザ光源に結合された第２の集積導波路光ピックオフから得られる、ステップをさらに含む。
【００３６】
[0043]例４は、例１〜３のいずれかの方法を含み、センサコンポーネントは可動センサコンポーネントである。
【００３７】
[0044]例５は、例４の方法を含み、可動センサコンポーネントは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサプルーフマスである。
【００３８】
[0045]例６は、例５の方法を含み、ＭＥＭＳ慣性センサプルーフマスの変位に起因する、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰の変化に基づいて、慣性加速度測定値を出力するステップをさらに含む。
【００３９】
[0046]例７は、例１〜６のいずれかの方法を含み、光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定するステップは、光出力ポートに結合された光検出器を使用して減衰を測定するステップと、光検出器の電気出力を処理するステップとを含む。
【００４０】
[0047]例８は、例１〜７のいずれかの方法を含み、レーザ光源によって生成されたレーザビームを発射するステップは、レーザ光源によって生成されたレーザビームを、第２の基板内にモノリシックに作製された少なくとも第２の集積導波路光ピックオフに発射するステップであって、当該第２の集積導波路光ピックオフは、第２の結合ポート及び第２の光出力ポートを含む、ステップと、第２の光出力ポートにおけるレーザビームの減衰を測定することによって、第２の結合ポートから、第２のギャップにより第２の結合ポートから分離された第２のセンサコンポーネントへの、レーザビームの結合量を検出するステップとをさらに含む。
【００４１】
[0048]例９は、例８の方法を含み、センサコンポーネントは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサプルーフマスであり、第２のセンサコンポーネントは第２のＭＥＭＳ慣性センサのプルーフマスである。
【００４２】
[0049]例１０は、例１〜９のいずれかの方法を含み、レーザ光源は、第１の基板に隣接するインターポーザ層内に作製される。
【００４３】
[0050]例１１は、例１〜１０のいずれかの方法を含み、レーザ光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００４４】
[0051]例１２は、集積光学読み出しセンサであって、当該センサは、少なくとも第１のガラス基板と、第１の基板内にモノリシックに作製され、光入力ポート、結合ポート及び光出力ポートを含む、集積導波路光ピックオフと、結合ポートに隣接し、集積導波路の結合ポートに対して垂直な方向の動きの自由度を有する、可動センサコンポーネントと、光入力ポートを介して光を第１のガラス基板に発射するレーザ光源であって、当該光の一部は、結合ポートと可動センサコンポーネントとの間のギャップに応じて、結合ポートから可動センサコンポーネントに結合する、レーザ光源と、光出力ポートに結合された少なくとも１つの光検出器と、光出力ポートから出る光の光強度の減衰に基づいて測定値を計算する、少なくとも１つの光検出器に結合された電子回路であって、当該減衰は少なくとも部分的にギャップ距離の関数である、電子回路とを備える。
【００４５】
[0052]例１３は、例１２のセンサを含み、可動センサコンポーネントは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサプルーフマスである。
【００４６】
[0053]例１４は、例１２〜１３のいずれかのセンサを含み、レーザ光源は、第１の基板に隣接するインターポーザ層内に作製される。
【００４７】
[0054]例１５は、例１２〜１４のいずれかのセンサを含み、レーザ光源に結合された集積導波路光ピックオフドリフトセンサをさらに備え、当該集積導波路光ピックオフドリフトセンサは、第２の結合ポート及び第２の光出力ポートと、固定距離を有する第２のギャップによって第２の光出力ポートから分離される静的構造と、第２の光出力ポートに結合された第２の光検出器とを含み、光の一部は、第２のギャップを介して、第２の結合ポートから静的構造へ結合する。
【００４８】
[0055]例１６は、例１５のセンサを含み、第２の光検出器に結合されたドリフト誤差計算部であって、第２の光出力ポートから出る光の光強度の減衰に基づいて誤差を計算する、ドリフト誤差計算部をさらに備える。
【００４９】
[0056]例１７は、例１６のセンサを含み、電子回路がドリフト誤差に基づいて測定値を較正する。
【００５０】
[0057]例１８は、例１２〜１７のいずれかのセンサを含み、第２のガラス基板と、第２の基板内にモノリシックに作製され、第２の結合ポート及び第２の光出力ポートを含む、第２の集積導波路光ピックオフと、第２の結合ポートに隣接し、第２の結合ポートに対して垂直な方向の動きの自由度を有する、第２の可動センサコンポーネントとをさらに備え、レーザ光源は、さらに、第２のガラス基板に光を発射し、当該光の一部は、第２の結合ポートと第２の可動センサコンポーネントとの間の第２のギャップ距離に応じて、第２の結合ポートから第２の可動センサコンポーネントに結合する。
【００５１】
[0058]例１９は、例１８のセンサを含み、電子回路がさらに第２の光検出器に結合され、当該電子回路は、さらに、第２の光出力ポートから出る光の光強度の減衰に基づいて測定値を計算し、第２の光出力ポートから出る光強度の減衰は、少なくとも部分的に第２のギャップ距離の関数である。
【００５２】
[0059]例２０は、例１２〜１９のいずれかのセンサを含み、レーザ光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００５３】
[0060]具体的な実施形態を図示して説明したが、同じ目的を達成するためになされる任意の構成を、示された特定の実施形態の代わりに使用することができることが、当業者によって理解されるであろう。本願は、本発明のいかなる適応又は変形にも及ぶことを意図している。したがって、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【図１】
2016212093.tif 000003
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【外国語明細書】
2016212093000001.pdf