CN101403763A - 基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计。解决了现有高灵敏度加速度计加工工艺相对复杂的问题，基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计包括硅基框架、悬臂梁、以及通过悬臂梁支悬于硅基框架中央的质量块，悬臂梁上设有平面环形微腔，硅基框架上沿与对应悬臂梁垂直的方向设置有与对应悬臂梁上平面环形微腔构成平面环形微腔耦合系统的光波导。本发明结构合理、紧凑，加工方便，灵敏度高，完全可以替代现有各类加速度计而应用于各领域当中进行加速度的测量。

Description

基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计

技术领域

本发明涉及微机械电子技术，具体是一种基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计。

背景技术

加速度计广泛应用于航空、电子、汽车和机械领域的振动和冲击测量。随着微机电MEMS产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。由于微加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，因此广泛应用于军事和民用领域。其中，压阻式加速度计由于具有尺寸小、灵敏度高、线性度好、外围电路简单、抗过载能力强等优点而广泛应用于冲击环境的加速度测量。其结构包括硅基框架、通过悬臂梁支悬于硅基框架中间的质量块，悬臂梁上应力最大且线性变化的区域用离子注入的方式(扩散)形成压敏电阻，压敏电阻连接构成测量电桥，在惯性力作用下质量块上下运动，悬臂梁上压敏电阻的阻值随应力的作用发生变化，引起测量电桥输出电压的变化，以此实现对加速度的测量。而在悬臂梁上设置的压敏电阻、以及压敏电阻在连接构成测量电桥时的连接引线皆是以离子注入工艺实现的，工艺要求相对较高，因而导致压阻式加速度计整个加工工艺相对复杂。

光学微腔是指由SiO2等介电材料制成的尺寸可与光波波长相比拟、线度约为5μm至500μm的微型光学介电谐振器，是近年来在凝聚态介观物理研究中非常活跃的一个领域。目前，“回音壁模式”(whispering gallery mode)平面环形微腔是一种相当成功的高Q值微型腔，即光波在腔内弯曲界面传播时，会发生全反射，所形成的沿界面半波长范围内传播的高Q值的模式。也正因为如此，平面环形微腔内的能量只有很小的一部分会泄露出腔体之外造成损失。

一般平面环形微腔与设置于腔体附近的由SiO2等介电材料制成的光波导构成平面环形微腔耦合系统，如图2所示。进入光波导中的光波在到达光波导和平面环形微腔相隔最近(临界耦合点)的地方耦合进入平面环形微腔，耦合到平面环形微腔的光波通过在平面环形微腔的传播又耦合到光波导中去，由光波导输出期间，平面环形微腔对光波的散射和吸收会产生较大的影响。影响的大小明显依赖于光波的波长和平面环形微腔的尺寸。当固定平面环形微腔的尺寸、而光波波长取一系列固定值时，影响就会更加明显甚至出现共振现象。在具体应用时，为了激发平面环形微腔高Q值的共振现象，也就是说要在腔内表面形成全反射，必须将光波通过光波导以大于临界角的入射角耦合进入平面环形微腔，然后根据光波相位、强度等参数的变化我们可以探测与其环境相关的物理量。因此，光学微腔可以应用于许多领域当中，比如：高灵敏度加速度传感器、高灵敏度温度传感器、低阈值激光器和激光陀螺等等。

发明内容

本发明为了解决现有高灵敏度加速度计(例如：压阻式加速度计)加工工艺相对复杂的问题，提供了一种基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计。

本发明是采取如下技术方案实现的：基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计，包括硅基框架、悬臂梁、以及通过悬臂梁支悬于硅基框架中央的质量块，悬臂梁上设有平面环形微腔，硅基框架上沿与对应悬臂梁垂直的方向设置有与对应悬臂梁上平面环形微腔构成平面环形微腔耦合系统的光波导。

当受到外力作用和质量块的带动下，悬臂梁从平衡状态发生弯曲形变，该弯曲形变导致悬臂梁表面的应力发生变化，在应力的作用下，引起平面环形微腔有效折射率的改变，导致平面环形微腔中光程的变化。这个过程引起光波导的透射谱的共振频率偏移(如图7)，通过快速光电转换器将光信号转换电信号，电信号的变化即可求得悬臂梁的受力变化(加速度变化)。

具体理论分析如下：

悬臂梁在底线(即悬臂梁与硅基框架的连接处)受到的应力σ_max变化可以用以下方程式表示：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{3\mathrm{Et}}{2l^2}z---\left(1\right)$

其中：E是悬臂梁材料的杨氏模量，t是悬臂梁的厚度，1是悬臂梁的长度，z为悬臂梁尖端(即悬臂梁与质量块的连接处)在加速度方向的形变位移。在发生形变时，悬臂梁表面在底线的应力最大，且悬臂梁上的应力σ大小沿着悬臂梁直线下降。而平面环形微腔受到的应力与其实际所在悬臂梁上的位置处的应力一致。

因此，根据光弹效应，平面环形微腔的有效折射率n_eff和应力σ之间的关系可以通过下面方程式表示：

n_eff＝n₀+∑C_Iσ_I                    (2)

其中，C_I是平面环形微腔的光弹性常量，σ_I是平面环形微腔的局部应力，n₀是平面环形微腔的折射率常数，C_I与n₀由平面环形微腔的材料决定。对于由SiO2制成的平面环形微腔而言，纵向的光弹性系数比横向的光弹性系数大，纵向应力比横向应力大很多，因此，横向的应力可以忽略。所以，平面环形微腔有效折射率的变化量可以通过下面的方程式表示：

$\mathrm{\Δn}\≈C_I{\mathrm{\σ}}_I\≈\frac{3C_I\mathrm{Et}}{2l^2}z---\left(3\right)$

因为由应力导致的折射率的改变在平面环形微腔上不是均匀分布的，所以平面环形微腔上最终累加的微小相位可以通过以下式子表示：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\underset{\mathrm{ring}}{\∫}\mathrm{\Δndl}\≈\frac{2\mathrm{\π}{C}_I}{\mathrm{\λ}}\underset{\mathrm{ring}}{\∫}{\mathrm{\σ}}_I\mathrm{dl}---\left(4\right)$

其中λ是波长，由(4)式可知，平面环形微腔有效折射率的改变主要依赖悬臂梁的几何形状特性和材料的光弹性常量。为了获得较大的共振频率的相位偏移，环的总长度要尽量大(平面环形微腔的周长的微小变化)，悬臂梁的材料也要尽可能选取光弹性系数大的材料(比如二氧化硅、砷化镓等材料)。

同时，为了充分说明本发明所述加速度计的原理和效果，利用时域有限分析方法仿真悬臂梁分别在平衡状态和弯曲状态下的状况、以及两种状态下平面环形微腔耦合系统的光学耦合仿真图，如图3-6所示。由图中可知：当平面环形微腔的半径变化时，平面环形微腔内的光强发生明显的变化。所以，平面环形微腔对悬臂梁的微弱变化非常敏感，因此本发明所述加速度计可以以高灵敏度、高分辨率测量加速度的值，进而广泛应用于研究物体飞行姿态、深空探测等领域中。

与现有技术相比，本发明所述加速度计基于平面环形微腔耦合系统制作而成的，以由加速度引起的悬臂梁形变来改变平面环形微腔耦合系统中平面环形微腔的有效折射率、甚至微腔与光波导的耦合距离等参数，最终导致平面环形微腔耦合系统共振光波波长的改变，引起平面环形微腔耦合系统输出光谱的明显变化，进而由光谱的变化通过光电转换求得加速度的大小。另外，本发明中悬臂梁上的平面环形微腔、以及硅基框架上的光波导是采用现有光刻、干法腐蚀等微机械加工工艺加工而成，光刻、干法腐蚀等微机械加工工艺相较于离子注入工艺而言，控制精确，有利于批量生产和集成；而且由于光波传输的特殊性，使得光波导可以交叉设置，整个硅基框架表面相较于压阻式加速度计要简洁的多。

本发明结构合理、紧凑，加工方便，灵敏度高，完全可以替代现有各类加速度计而应用于各领域当中进行加速度的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为平面环形微腔耦合系统的结构示意图；箭头表示光波传输方向

图3为以时域有限分析方法仿真得到的悬臂梁处于平衡状态时的状态图；

图4为悬臂梁处于平衡状态时平面环形微腔耦合系统的光学耦合仿真图；

图5为以时域有限分析方法仿真得到的悬臂梁处于弯曲状态时的状态图；

图6为悬臂梁处于弯曲状态时平面环形微腔耦合系统的光学耦合仿真图；

图7为悬臂梁平衡状态与弯曲状态下平面环形微腔的透射光谱图；

图中：1-硅基框架；2-悬臂梁；3-质量块；4-平面环形微腔；5-光波导；图7中v1为悬臂梁平衡状态时平面环形微腔的共振频率，v2为悬臂梁弯曲状态时平面环形微腔的共振频率。

具体实施方式

如图1所示，基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计，包括硅基框架1、悬臂梁2、以及通过悬臂梁2支悬于硅基框架1中央的质量块3，悬臂梁2上设有平面环形微腔4，硅基框架1上沿与对应悬臂梁2垂直的方向设置有与对应悬臂梁2上平面环形微腔4构成平面环形微腔耦合系统的光波导5。

Claims (1)

1、一种基于平面环形微腔的悬臂梁式加速度计，包括硅基框架(1)、悬臂梁(2)、以及通过悬臂梁(2)支悬于硅基框架(1)中央的质量块(3)，其特征在于：悬臂梁(2)上设有平面环形微腔(4)，硅基框架(1)上沿与对应悬臂梁(2)垂直的方向设置有与对应悬臂梁(2)上平面环形微腔(4)构成平面环形微腔耦合系统的光波导(5)。

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