CN109470885A - 一种单片集成光学加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成光学加速度计。本发明包括宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器、基底、制冷片、封装外壳，加速度敏感单元集成了模斑转换器、1:2型Y波导、2:1型Y波导调制器、金属电极；宽谱光源的光经过模斑转换器耦合进1:2型Y波导中，实现3dB分光，两束光经过1:2型Y波导的上下两个分支后进入2:1型Y波导调制器，最后直接耦合进入光电探测器中。本发明的光学加速度计采用马赫曾德干涉仪结构，检测由外界加速度引起的两干涉臂的相位差，不受光源光强波动的影响，探测精度高，器件单片集成在同一基底上，集成度高，体积小，制作工艺简单，具有高的可靠性和环境适应性。
Description
技术领域
本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种单片集成光学加速度计。
背景技术
近年来，MEMS加速度计广泛应用于汽车，航空航天和消费电子。其中基于电容的加速度计制造方式简单且成熟，使其成为广泛使用的加速度计之一。然而，基于电容式传感机制有一些缺点，如卷曲效应，寄生电容和加速引起的小电容变化等。使采用电容式的加速度计精度有限，且不适于强电磁干扰的环境。而采用光学传感的光学加速度计能克服以上缺点，具有精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作等优点。
目前光学加速度计主要分为波长敏感型、光强敏感型、相位敏感型三种。其中波长敏感型要借助高精度光谱仪进行光波长变化检测，不适合加速度计的小型化和商用，主要处于实验室阶段。光强敏感型加速度计的精度受到加速度计中光源功率稳定性的影响，精度较低。相位敏感型光学加速度计，主要采用分立的光学器件组成，通过检测相位变化，不受光源功率波动影响，理论精度高，但是其体积大、集成度低，不适于商用。
随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的精度、体积、重量要求越来越高，高精度、集成化、小型化、低成本和高稳定性的光学加速度计的设计成为必然。近年来，随着微纳光子集成及光学材料的发展，使得高精度的单片集成光学加速度计成为可能。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种集成度高、精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作、制备工艺简单、易于封装的单片集成光学加速度计。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器、基底、制冷片、封装外壳；宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器、基底、制冷片均位于封装外壳内，基底位于制冷片上表面，基底上表面沿光路方向依次布置有宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器；
所述加速度敏感单元包括固定块、第一微梁、第二微梁、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块；固定块与质量块的侧面中部之间通过主梁相连，第一微梁和第二微梁分别对称布置在主梁两侧，第一质量腿和第二质量腿分别对称布置在主梁两侧，第一微梁、第二微梁的一端均与固定块相连，第一微梁、第二微梁的另一端分别与第一质量腿、第二质量腿的一端相连，第一微梁、第二微梁均连接到各自质量腿位于靠近主梁一侧的顶部边缘处的端面，第一质量腿、第二质量腿的另一端均与质量块固定连接；所述固定块底部与基底相连，第一微梁、第二微梁、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块均未与基底相连，处于悬空状态；
所述的加速度敏感单元集成有模斑转换器、1:2型Y波导、2:1型Y波导调制器以及金属电极；模斑转换器布置于固定块靠近宽谱光源一侧的顶面边缘处，1:2型Y波导单独分支端布置于固定块顶面内并与模斑转换器相连，1:2型Y波导的两个分支端分别经第一、第二微梁延伸到第一、第二质量腿，且1:2型Y波导的两个分支端均布置于第一、第二微梁、第一、第二质量腿的顶面内；2:1型Y波导调制器单独分支端布置于质量块顶面内，2:1型Y波导调制器的两个分支端分别布置于第一、第二质量腿顶面内；1:2型Y波导的两分支端分别与2:1型Y波导调制器的两分支端在第一、第二质量腿处相连；质量块表面布置有三个金属电极，其中一个金属电极在2:1型Y波导调制器的两分支端之间，另外两个金属电极分别在2:1型Y波导调制器的两分支端的外侧；
宽谱光源的光通过模斑转换器耦合进入1:2型Y波导后被分为两束光，两束光经1:2型Y波导的两个分支端进入2:1型Y波导调制器的两个分支端，最后经2:1型Y波导调制器的单独分支端耦合进入光电探测器中。
所述加速度敏感单元的固定块、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块均主要由从上之下的铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅缓冲层、硅衬底依次组成；第一微梁、第二微梁主要由铌酸锂单晶薄膜构成。
所述的模斑转换器、1:2型Y波导、2:1型Y波导调制器均是在加速度敏感单元的固定块、主梁、第一微梁、第二微梁、第一质量腿、第二质量腿和质量块的铌酸锂单晶薄膜表面上形成。其中，硅衬底厚度为0.3～1毫米；二氧化硅缓冲层厚度为2～5微米，铌酸锂单晶薄膜厚度1～20微米。
所述宽谱光源、光电探测器与加速度敏感单元均不接触，模斑转换器与宽谱光源相对，光电探测器的光敏面正对2:1型Y波导调制器的单独分支端。
所述第一微梁和第二微梁的尺寸相同，第一质量腿和第二质量腿的尺寸相同。
所述第一微梁、第一质量腿与主梁的长度比为1:2:3。
所述主梁、第一质量腿、质量块的厚度均相同，第一微梁的厚度小于第一质量腿。
所述的宽谱光源采用SLD光源或ASE光源，整体光路采用马赫曾德干涉仪的对称结构，两干涉臂等长。
本发明的有益效果：
1)本发明提出的单片集成光学加速度计在一个基底上集成了光源、加速度敏感单元、光电探测器，相比分立器件而言提高了光学加速度计系统的集成度，使光学加速度计整体结构更加紧凑，从而提高光学加速度计的可靠性和环境适应性。
2)本发明采用宽谱光源，整体光路采用马赫曾德干涉仪结构，检测由外界加速度引起的两干涉臂的相位差，不受光源光强波动的影响，有效避免光学系统中寄生效应引起的误差，光学噪声小。加速度敏感单元的结构为采用对称结构设计，降低了轴间的耦合误差。本发明的探测灵敏度高、体积小、制作成本低、制作工艺简单，适于批量生产。
附图说明
图1是本发明除去封装外壳后的结构示意图；
图2是本发明加速度敏感单元的结构示意图；
图3是本发明的俯视图；
图4是第一微梁由于形变产生的相位变化与Z方向加速度的关系；
图5是第一微梁由于应力产生的相位变化与Z方向加速度的关系；
图6是第二微梁由于形变产生的相位变化与Z方向加速度的关系；
图7是第二微梁由于应力产生的相位变化与Z方向加速度的关系；
图8是第一、第二微梁总的相位差与Z方向加速度的关系。
以上图中：1、宽谱光源，2、基底，3、制冷片，4、加速度敏感单元，5、光电探测器，6、封装外壳，7、固定块，8、第一微梁，9、第二微梁，10、第一质量腿，11、第二质量腿，12、主梁，13、质量块，14、模斑转换器，15、1:2型Y波导，16、2:1型Y波导调制器，17、金属电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器、基底、制冷片、封装外壳；宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器、基底、制冷片均位于封装外壳内，基底位于制冷片上表面，基底上表面沿光路方向依次布置有宽谱光源、加速度敏感单元、光电探测器；固定块底部与基底相连，第一微梁、第二微梁、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块均未与基底相连，处于悬空状态。
如图2所示，加速度敏感单元包括固定块、第一微梁、第二微梁、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块；固定块与质量块的侧面中部之间通过主梁相连，第一微梁和第二微梁分别对称布置在主梁两侧，第一质量腿和第二质量腿分别对称布置在主梁两侧，第一微梁、第二微梁的一端均与固定块相连，第一微梁、第二微梁的另一端分别与第一质量腿、第二质量腿的一端相连，第一微梁、第二微梁均连接到各自质量腿位于靠近主梁一侧的顶部边缘处的端面，第一质量腿、第二质量腿的另一端均与质量块固定连接。
如图3所示，加速度敏感单元集成有模斑转换器、1:2型Y波导、2:1型Y波导调制器以及金属电极；模斑转换器布置于固定块靠近宽谱光源一侧的顶面边缘处，1:2型Y波导布置于固定块、第一、第二微梁、第一、第二质量腿顶面内，1:2型Y波导单独分支端布置于固定块顶面内并与模斑转换器相连，1:2型Y波导的两个分支端分别经第一、第二微梁延伸到第一、第二质量腿，且1:2型Y波导的两个分支端均布置于第一、第二微梁、第一、第二质量腿的顶面内；2:1型Y波导调制器布置于第一、第二质量腿、质量块顶面内，2:1型Y波导调制器单独分支端布置于质量块顶面内，2:1型Y波导调制器的两个分支端分别布置于第一、第二质量腿顶面内；1:2型Y波导的两分支端分别与2:1型Y波导调制器的两分支端在第一、第二质量腿处相连；质量块表面布置有三个金属电极，其中一个金属电极在2:1型Y波导调制器的两分支端之间，另外两个金属电极分别在2:1型Y波导调制器的两分支端的外侧，三个金属电极分别通过2:1型Y波导调制器的两个分支相隔离。
加速度敏感单元的固定块、主梁、第一质量腿、第二质量腿、质量块均主要由从上之下的铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅缓冲层、硅衬底依次组成；第一微梁、第二微梁主要由铌酸锂单晶薄膜构成；模斑转换器、1:2型Y波导、2:1型Y波导调制器均是在加速度敏感单元的固定块、主梁、第一微梁、第二微梁、第一质量腿、第二质量腿和质量块的铌酸锂单晶薄膜表面上形成；其中，硅衬底厚度为0.3～1毫米；二氧化硅缓冲层厚度为2～5微米，铌酸锂单晶薄膜厚度1～20微米。
宽谱光源、光电探测器与加速度敏感单元均不接触，模斑转换器14为锥形波导，直接集成在1:2型Y波导15的输入端。模斑转换器与宽谱光源相对，光电探测器的光敏面正对2:1型Y波导调制器的单独分支端。宽谱光源的光通过模斑转换器耦合进入1:2型Y波导后实现3dB分光，两束光经1:2型Y波导的两个分支端进入2:1型Y波导调制器的两个分支端，最后经2:1型Y波导调制器的单独分支端耦合进入光电探测器中。
具体实施例中，固定块7的尺寸为1×2×0.2～5×10×1毫米，第一微梁8和第二微梁9的尺寸为1×0.01×0.01～5×0.05×0.05毫米，第一质量腿10和第二质量腿11尺寸为2×0.2×0.2～10×1×1毫米，主梁12的尺寸为3×0.1×0.2～15×0.5×1毫米，质量块13的尺寸为6×3×0.2～30×15×1毫米。宽谱光源1采用SLD光源或ASE光源，整体光路采用马赫曾德干涉仪的对称结构，两干涉臂等长。1:2型Y波导15和2:1型Y波导调制器16为铌酸锂质子交换型波导，波导宽度为1-10微米。
本发明的实施例如下：
本实例中宽谱光源1采用SLD光源，中心波长为1310纳米，输出功率为700微瓦。基底2材料为硅，制冷片3材料为TEC半导体，加速度敏感单元4的硅衬底厚度为0.5毫米、二氧化硅缓冲层厚度为2微米、铌酸锂单晶薄膜厚度为20微米。1:2型Y波导15和2:1型Y波导调制器16为铌酸锂质子交换型波导，波导线宽为6微米。固定块7的尺寸为2.5×5×0.5毫米，第一微梁8和第二微梁9的尺寸为2×0.02×0.02毫米，第一质量腿10和第二质量腿11尺寸为4×0.4×0.5毫米，主梁12的尺寸为6×0.2×0.5毫米，质量块13的尺寸为12×6×0.5毫米。
如图3所示，加速度引起的两干涉臂的相位差由两部分组成：(一)第一、第二微梁8、9的铌酸锂单晶薄膜受到应力作用，产生光弹效应导致折射率的变化从而引起两个干涉臂的相位差；(二)第一、第二微梁8、9被拉伸或压缩形变导致长度变化从而引起两个干涉臂的相位差。当受到正Z方向的加速度a时，固定块7不动，由于惯性作用，质量块13和第一质量腿10带动第一微梁8被拉伸，由于形变产生的相位变化为1.23rad/g，相位变化与Z方向加速度关系如图4所示；第一微梁8受到沿负Y方向的应力，产生光弹效应导致折射率变大，由于折射率变化产生的相位变化为0.57rad/g，相位变化与Z方向加速度关系如图5所示。质量块13和第二质量腿11带动第二微梁9被压缩，由于形变产生的相位变化为-1.23rad/g，相位变化与Z方向加速度关系如图6所示；第二微梁9受到沿正Y方向的应力，产生光弹效应导致折射率变小，由于折射率变化产生的相位变化为-0.57rad/g，相位变化与Z方向加速度关系如图7所示。两干涉臂与与Z方向加速度关系为3.60rad/g，总的相位与变化Z方向加速度关系如图8所示。光电探测器5探测2:1型Y波导调制器16输出端的干涉信号，探测精度为0.1μrad，所以该单片集成光学加速度计的灵敏度为2.8×10-8g，探测灵敏度高。
Claims (8)
1.一种单片集成光学加速度计，其特征在于：包括宽谱光源(1)、加速度敏感单元(4)、光电探测器(5)、基底(2)、制冷片(3)、封装外壳(6)；宽谱光源(1)、加速度敏感单元(4)、光电探测器(5)、基底(2)、制冷片(3)均位于封装外壳(6)内，基底(2)位于制冷片(3)上表面，基底(2)上表面沿光路方向依次布置有宽谱光源(1)、加速度敏感单元(4)和光电探测器(5)；所述加速度敏感单元(4)包括固定块(7)、第一微梁(8)、第二微梁(9)、主梁(12)、第一质量腿(10)、第二质量腿(11)、质量块(13)；固定块(7)与质量块(13)的侧面中部之间通过主梁(12)相连，第一微梁(8)和第二微梁(9)分别对称布置在主梁(12)两侧，第一质量腿(10)和第二质量腿(11)分别对称布置在主梁(12)两侧，第一微梁(8)、第二微梁(9)的一端均与固定块(7)相连，第一微梁(8)、第二微梁(9)的另一端分别与第一质量腿(10)、第二质量腿(11)的一端相连，第一微梁(8)、第二微梁(9)均连接到各自质量腿位于靠近主梁一侧的顶部边缘处的端面，第一质量腿(10)、第二质量腿(11)的另一端均与质量块(13)固定连接；所述固定块(7)底部与基底(2)相连，第一微梁(8)、第二微梁(9)、主梁(12)、第一质量腿(10)、第二质量腿(11)、质量块(13)均未与基底(2)相连，处于悬空状态；
所述的加速度敏感单元(4)集成有模斑转换器(14)、1:2型Y波导(15)、2:1型Y波导调制器(16)以及金属电极(17)；模斑转换器(14)布置于固定块(7)靠近宽谱光源(1)一侧的顶面边缘处，1:2型Y波导(15)单独分支端布置于固定块(7)顶面内并与模斑转换器(14)相连，1:2型Y波导(15)的两个分支端分别经第一、第二微梁(8、9)延伸到第一、第二质量腿(10、11)，且1:2型Y波导(15)的两个分支端均布置于第一、第二微梁(8、9)、第一、第二质量腿(10、11)的顶面内；2:1型Y波导调制器(16)单独分支端布置于质量块(13)顶面内，2:1型Y波导调制器(16)的两个分支端分别布置于第一、第二质量腿(10、11)顶面内；1:2型Y波导(15)的两分支端分别与2:1型Y波导调制器(16)的两分支端在第一、第二质量腿(10、11)处相连；质量块(13)表面布置有三个金属电极(17)，其中一个金属电极(17)在2:1型Y波导调制器(16)的两分支端之间，另外两个金属电极(17)分别在2:1型Y波导调制器(16)的两分支端的外侧；宽谱光源(1)的光通过模斑转换器(14)耦合进入1:2型Y波导(15)后被分为两束光，两束光经1:2型Y波导(15)的两个分支端进入2:1型Y波导调制器(16)的两个分支端，最后经2:1型Y波导调制器(16)的单独分支端耦合进入光电探测器(5)中。
2.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述加速度敏感单元(4)的固定块(7)、主梁(12)、第一质量腿(10)、第二质量腿(11)、质量块(13)均主要由从上之下的铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅缓冲层、硅衬底依次组成；第一微梁(8)、第二微梁(9)主要由铌酸锂单晶薄膜构成。
3.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述的模斑转换器(14)、1:2型Y波导(15)、2:1型Y波导调制器(16)均是在加速度敏感单元(4)的固定块(7)、主梁(12)、第一微梁(8)、第二微梁(9)、第一质量腿(10)、第二质量腿(11)和质量块(13)的铌酸锂单晶薄膜表面上形成。
4.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述宽谱光源(1)、光电探测器(5)与加速度敏感单元(4)均不接触，模斑转换器(14)与宽谱光源(1)相对，光电探测器(5)的光敏面正对2:1型Y波导调制器(16)的单独分支端。
5.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述第一微梁(8)和第二微梁(9)的尺寸相同，第一质量腿(10)和第二质量腿(11)的尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述第一微梁(8)、第一质量腿(10)与主梁(12)的长度比为1:2:3。
7.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述主梁(12)、第一质量腿(10)、质量块(13)的厚度均相同，第一微梁(8)的厚度小于第一质量腿(10)。
8.根据权利要求1所述的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述的宽谱光源(1)采用SLD光源或ASE光源，整体光路采用马赫曾德干涉仪的对称结构，两干涉臂等长。
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