CN109946480B - 一种基于拉链式光子晶体微纳腔的高精度光力式加速度计 - Google Patents
一种基于拉链式光子晶体微纳腔的高精度光力式加速度计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，包括：布置于加速度计结构的左右两侧的激光入射及接收结构、位于加速度计中部的硅微机械结构、以及位于硅微机械结构底部的布置有电极的玻璃基底结构。激光入射结构布置在主体硅微结构的左侧入射凹槽处，接收结构布置在在主体硅微结构的右侧出射凹槽处。本发明采用光学信号作为微加速计的测量信号，具有较高的灵敏度和较低的不确定度，从而极大提高了微加速度计的检测极限能力，大大提高了检测灵敏度。由于采用了拉链式光子晶体微腔，比目前较普遍的平面平行谐振微纳腔的性能更加稳定，具备更高的光学精度，从而获得更高的加速度灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微光机电系统和微惯性测量技术领域，涉及一种加速度计，更为具体的说，是涉及一种可用于平面外水平轴加速度敏感的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计。
背景技术
微光机电系统(MOEMS)是近几年在微机电系统(MEMS)中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统，能够充分发挥三者的综合性能。微光机电系统与常规系统相比，具有体积小、重量轻、与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产，成本低等显著优点。同时，传感器、信号处理电路与微执行器的集成，可使微弱信号的放大，校正以及补偿等在同一芯片中进行，不需要经过较长距离的传输，这样可以极大地抑制噪声的干扰，提高输出信号的品质。因此，微光机电技术的应用已经深入到许多不同的应用领域。
加速度计的作用是用来检测其载体的加速度，是一种发展成熟、应用广泛的惯性器件。MOEMS加速度计将微光学技术与微机械加工技术相结合,不仅具有体积小、响应快、可在恶劣环境中工作等优点,还具有很高的测量精度和灵敏度,成为国防军事惯性导航与制导系统中最具应用前景的加速度传感器。
近年来，国内外的研究机构开始对MOEMS加速度计进行了一定的研究。美国马里兰大学的FelipeGuzmanCervantes和LeeKumanchik等人提出了一种基于光纤F-P微腔的光机加速度计，可以实现对外界输入加速度的敏感。但是，随着对微机械加速度计性能的要求不断提高，对于惯导级高精度的微加速度计的需求愈加迫切，而现有技术中的MOEMS加速度计探测灵敏度较低，尚无法满足需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，采用光子晶体微纳谐振腔，灵敏度高、动态范围大。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，包括：布置于加速度计结构的左右两侧的激光入射及接收结构、位于加速度计中部的硅微机械结构、以及位于加速度计底部布置有电极的玻璃基底结构；
所述激光入射及接受结构为两组对称布置的入射光纤及接收器，包括设置在加速度计左前侧的激光入射光纤及与左前侧激光入射光纤相对的右前侧激光接收器；设置在加速度计左后侧的激光入射光纤及与左后侧激光入射光纤相对的右后侧激光接收器；加速度左前侧的激光入射光纤和加速度计右前侧的激光接收器布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上，加速度左后侧的激光入射光纤和加速度计右后侧的激光接收器布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上；
所述硅微机械结构包括外围框架结构、左前侧凹槽、左后侧凹槽、右前侧凹槽、右后侧凹槽、外围框架前部光子晶体结构、外围框架后部光子晶体结构、右前侧弹性悬臂梁、右后侧弹性悬臂梁、左前侧弹性悬臂梁、左后侧弹性悬臂梁、质量块、质量块前部光子晶体结构、质量块后部光子晶体结构；质量块位于整个硅微机械结构的中心位置，通过右前侧弹性悬臂梁、右后侧弹性悬臂梁、左前侧弹性悬臂梁和右后侧弹性悬臂梁与外围框架结构相连，处于悬空状态；左前侧凹槽位于左前侧激光入射光纤的入射口处，左后侧凹槽位于左后侧激光入射光纤的入射口处，右前侧凹槽位于右前侧激光接收器激光入射口处，右后侧凹槽位于右后侧激光接收器激光入射口处；外围框架前部光子晶体结构和质量块前部光子晶体结构处于相对位置，外围框架后部光子晶体结构和质量块后部光子晶体结构处于相对位置；
当加速度计工作时，激光从左侧入射光纤射入硅微结构，当激光到达由光子晶体结构构成的光子晶体微腔时，激光在光子晶体微腔内发生了腔光机械耦合效应，特定频率的光无法被右侧的激光接收器接收。当有加速度输入时，质量块产生运动，光子晶体微腔的狭缝大小发生变化，导致光子晶体微腔内腔光机械耦合效应的光波频率发生变化，激光接收器接收到的光波频率发生改变，通过检测和比对两个激光接收器所接收到光谱信号的差异，从而进行加速度的测量。
所述玻璃基底结构包括玻璃基底，以及设置在玻璃基底上的左前侧反馈电极、右前侧反馈电极、左后侧反馈电极、右后侧反馈电极、左侧接地电极、右侧接地电极、左侧总电极、右侧总电极；左前侧反馈电极位于玻璃基底左前侧，右前侧反馈电极位于玻璃基底右前侧，左后侧反馈电极位于玻璃基底左后侧，右后侧反馈电极位于玻璃基底右后侧，左侧接地电极和左侧总电极位于玻璃基底左侧，右侧总电极和右侧接地电极位于玻璃基底右侧，前部两个反馈电极通过信号引线相连，后部两个反馈电极通过信号引线相连。
进一步的，质量块上的前部光子晶体结构和外围框架结构上的前部光子晶体结构构成了拉链式光子晶体微腔，质量块上的后部光子晶体结构和外围框架结构上的后部光子晶体结构分别构成了拉链式光子晶体微腔。
进一步的，左前侧的激光入射光纤用于将激光导入由质量块上的前部光子晶体结构和外围框架结构上的前部光子晶体结构构成的拉链式光子晶体微腔内；左后侧的激光入射光纤用于将激光导入质量块上的后部光子晶体结构和外围框架结构上的后部光子晶体结构分别构成的拉链式光子晶体微腔内。
进一步的，右前侧的激光接收器用于接收通过左前侧凹槽、右前侧凹槽、由质量块上的前部光子晶体结构和外围框架结构上的前部光子晶体结构构成的拉链式光子晶体微腔的由左前侧的激光入射光纤射出的激光；右后侧的激光接收器用于接收通过左后侧凹槽、右后侧凹槽、由质量块上的前部光子晶体结构和外围框架结构上的前部光子晶体结构构成的拉链式光子晶体微腔的由左后侧的激光入射光纤射出的激光。
进一步的，质量块在外界加速度输入时，在加速度的惯性力作用下偏离初始位置，反馈电极用于施加反向偏置电压，反馈电极上施加的反向偏置电压与外界输入加速度信号正相关，反馈电极和质量块之间的电压差产生相应的静电力，将质量块回归至初始平衡位置，以初始状态敏感下个加速度信号。
进一步的，质量块上的光子晶体结构和外围框架结构上的光子晶体结构通过硅微加工工艺形成。
进一步的，外围框架结构上的左前侧凹槽、左后侧凹槽、右前侧凹槽、右后侧凹槽通过硅微加工工艺形成。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明采用光学信号作为微加速计的测量信号，具有较高的灵敏度和较低的不确定度，从而极大提高了微加速度计的检测极限能力，大大提高了检测灵敏度。
2.由于采用了拉链式光子晶体微腔，比目前较普遍的平面平行谐振微纳腔的性能更加稳定，具备更高的光学精度，从而获得更高的加速度灵敏度。
3.反馈电极的设计，实现了系统的闭环反馈控制，提高了系统的精度和稳定性，同时有效增大了传感器的测量范围。
附图说明
图1为本发明提供的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计整体结构剖视图。
图2为本发明提供的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计整体结构俯视图。
图3为本发明提供的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计整体结构左视图。
图4为基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计底层结构俯视图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提出的基于拉链式光子晶体微腔机械光学耦合的高精度光力式加速度计包括入射光纤及接收器，主体硅微结构部分以及底部带有反馈电极的玻璃基座共同构成。其中主体硅微结构部分通过外围框架8的下端键合在底部玻璃基座上，玻璃基底通过固定锚点和外围框架结构相连。
如图2所示，主体硅微结构由外围框架结构8、质量块4、连接质量块和外围框架的弹性悬臂梁、加工在外围框架结构上的固定侧光子晶体结构，加工在质量块上的光子晶体结构共同构成。质量块4位于主体硅微结构的中心位置，质量块的左右两侧分别设置有弹性悬臂梁结构，质量块4通过弹性悬臂梁结构和外围框架8连接，保证质量块在整个主体硅微结构中处于一个悬空的状态。质量块4的前后两侧中间位置加工有光子晶体结构。外围框架结构8的前后两侧加工有光子晶体结构，两个光子晶体微腔对称分布。外围框架结构8上的光子晶体结构和质量块4上的光子晶体结构形成光子晶体微腔。质量块上光子晶体结构和外围框架上光子晶体结构间的光子晶体微腔通过硅微加工工艺形成。
具体的说，弹性悬臂梁结构具体包括右前侧弹性悬臂梁6、右后侧弹性悬臂梁7、左前侧弹性悬臂梁13和右后侧弹性悬臂梁14。左前侧悬臂梁14布置于质量块4的左前侧，左后侧悬臂梁13布置于质量块4的左后侧，右前侧悬臂梁6布置于质量块4的右前侧，左后侧悬臂梁7布置于质量块4的右后侧。外围框架结构8上设置有左前侧凹槽19、左后侧凹槽20、右前侧凹槽15、右后侧凹槽16，这些凹槽通过硅微工艺加工形成。左前侧凹槽19位于左前侧激光入射光纤1的入射口处，左后侧凹槽20位于左后侧激光入射光纤18的入射口处，右前侧凹槽位于右前侧激光接收器5激光入射口处，右后侧凹槽位于右后侧激光接收器5激光入射口处。外围硅微结构上开设的左前侧凹槽19、左后侧凹槽20，使微纳光纤的出射光能够射入光子晶体微腔内；右前侧凹槽15、右后侧凹槽16，使微纳光纤的出射光能够从硅微机械结构射出从而被右前侧激光接收器5和右后侧激光接收器17捕捉。
光子晶体结构包括外围框架前部光子晶体结构3、外围框架后部光子晶体结构23，质量块4上的光子晶体结构包括质量块前部光子晶体结构2、质量块后部光子晶体结构24。外围框架前部光子晶体结构3和质量块前部光子晶体结构2处于相对位置，外围框架后部光子晶体结构24和质量块后部光子晶体结构23处于相对位置。质量块4上的前部光子晶体结构2和外围框架结构8上的前部光子晶体结构3构成了拉链式光子晶体微腔，质量块4上的后部光子晶体结构24和外围框架结构8上的后部光子晶体结构23分别构成了拉链式光子晶体微腔。显然，质量块的前后两侧的光子晶体结构分别与外围框架结构前后两侧的光子晶体结构形成两个对称分布的光子晶体微腔。
入射光纤及接收器设置在加速度计结构的左右两侧，激光入射及接收结构包括加速度计左前侧的激光入射光纤1及与左前侧激光入射光纤相对的右前侧激光接收器5；加速度计左后侧的激光入射光纤18及与左后侧激光入射光纤相对的右后侧激光接收器17；加速度左前侧的激光入射光纤1和加速度计右前侧的激光接收器5布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上，加速度左后侧的激光入射光纤18和加速度计右后侧的激光接收器17布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上，两组入射光纤及接收器，对称布置。
两根激光入射光纤分别将入射光导入光学微腔内，两个激光接收器在另一侧捕捉到两个相关的信号。具体地说，左前侧的激光入射光纤1用于将激光导入由质量块4上的前部光子晶体结构2和外围框架结构8上的前部光子晶体结构3构成的拉链式光子晶体微腔内；左后侧的激光入射光纤18用于将激光导入质量块4上的后部光子晶体结构24和外围框架结构8上的后部光子晶体结构23分别构成的拉链式光子晶体微腔内。右前侧的激光接收器5负责接收通过左前侧凹槽19、右前侧凹槽15、由质量块4上的前部光子晶体结构2和外围框架结构8上的前部光子晶体结构3构成的拉链式光子晶体微腔的由左前侧的激光入射光纤1射出的激光；右后侧的激光接收器17负责接收通过左后侧凹槽20、右后侧凹槽16、由质量块4上的前部光子晶体结构24和外围框架结构8上的前部光子晶体结构23构成的拉链式光子晶体微腔的由左后侧的激光入射光纤18射出的激光。
如图2、3所示，两组激光入射光纤布置在主体硅微结构的左前侧凹槽19、左后侧凹槽20处，两组激光接收器布置在在主体硅微结构的右前侧凹槽15、右后侧凹槽16处。检测红外激光通过两组激光入射光纤经过左前侧凹槽19、左后侧凹槽20射入光子晶体微腔内。检测红外激光在主体硅微结构内经过质量块4上的光子晶体结构2、光子晶体结构24和外围框架结构8上的光子晶体结构3、光子晶体结构23，最终从外围框架结构8右前侧凹槽15、右后侧凹槽16射出到激光接收器。
底层结构由反馈电极信号引线以及玻璃衬底26组成。反馈电极均布置于玻璃衬底上表面上，相邻反馈电极或者间距调整电极的间隔为90度。
如图4所示，四个反馈电极布置于下层玻璃衬底的上表面上。其中，右前侧反馈电极9位于玻璃基底1上表面中心的右前侧，左前侧反馈电极10位于玻璃基底1上表面中心的左前侧，右后侧反馈电极11位于玻璃基底1上表面中心的右后侧，左后侧反馈电极12位于玻璃基底1上表面中心的左后侧。相邻反馈电极的间隔为90度，前部两个反馈电极通过信号引线相连，后部两个反馈电极通过信号引线相连。玻璃衬底上还设置有左侧接地电极20、右侧接地电极22、左侧总电极21、右侧总电极25。侧接地电极20和左侧总电极21位于玻璃基底左侧，右侧总电极25和右侧接地电极22位于玻璃基底右侧。
两侧加工有光子晶体结构的质量块在外界加速度输入时，在加速度的惯性力作用下所述反馈电极上用于施加反向偏置电压，反馈电极上施加的反向偏置电压与外界输入加速度信号正相关，反馈电极和质量块之间的电压差产生相应的静电力，将质量块回归至初始平衡位置，以初始状态敏感下个加速度信号。
在主体硅微结构中，质量块4上的光子晶体结构2、光子晶体结构24和外围框架上的光子晶体结构3、光子晶体结构23构成光学微腔。当光力式加速度计收到平面外垂直轴加速度时，硅微结构中的质量块4在外界输入加速度的惯性力作用下会沿着垂直轴运动，从而使得一侧的光学微腔狭缝变宽，另一侧的光学微腔狭缝变窄。当光子晶体的微腔狭缝变化后，微腔的谐振频率发生变化。
激光器的出射光通过两组激光入射光纤入射到光子晶体微腔内，对激光器的出射光进行扫频控制，当出射的激光频率和光学微纳腔的谐振频率一致时，光学微纳腔内会形成驻波并使探测光源的强度增大到足够透过光学微纳腔从而被光电探测器检测到。布置于右侧的两个接收器对接收到的信号进行差分检测，从而实现对外界加速度的测量。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于，包括：布置于加速度计结构的左右两侧的激光入射及接收结构、位于加速度计中部的硅微机械结构、以及位于加速度计底部布置有电极的玻璃基底结构；
所述激光入射及接受结构为两组对称布置的入射光纤及接收器，包括设置在加速度计左前侧的激光入射光纤(1)及与左前侧激光入射光纤相对的右前侧激光接收器(5)；设置在加速度计左后侧的激光入射光纤(18)及与左后侧激光入射光纤相对的右后侧激光接收器(17)；加速度左前侧的激光入射光纤(1)和加速度计右前侧的激光接收器(5)布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上，加速度左后侧的激光入射光纤(18)和加速度计右后侧的激光接收器(17)布置于硅微机械结构左右两侧的同一中心轴线上；
所述硅微机械结构包括外围框架结构(8)、左前侧凹槽(19)、左后侧凹槽(20)、右前侧凹槽(15)、右后侧凹槽(16)、外围框架前部光子晶体结构(3)、外围框架后部光子晶体结构(23)、右前侧弹性悬臂梁(6)、右后侧弹性悬臂梁(7)、左前侧弹性悬臂梁(13)、左后侧弹性悬臂梁(14)、质量块(4)、质量块前部光子晶体结构(2)、质量块后部光子晶体结构(24)；质量块(4)位于整个硅微机械结构的中心位置，通过右前侧弹性悬臂梁(6)、右后侧弹性悬臂梁(7)、左前侧弹性悬臂梁(13)和右后侧弹性悬臂梁(14)与外围框架结构(8)相连，处于悬空状态；左前侧凹槽(19)位于左前侧激光入射光纤(1)的入射口处，左后侧凹槽(20)位于左后侧激光入射光纤(18)的入射口处，右前侧凹槽位于右前侧激光接收器(5)激光入射口处，右后侧凹槽位于右后侧激光接收器(5)激光入射口处；外围框架前部光子晶体结构(3)和质量块前部光子晶体结构(2)处于相对位置，外围框架后部光子晶体结构(24)和质量块后部光子晶体结构(23)处于相对位置；
所述玻璃基底结构包括玻璃基底(26)，以及设置在玻璃基底(26)上的左前侧反馈电极(10)、右前侧反馈电极(9)、左后侧反馈电极(12)、右后侧反馈电极(11)、左侧接地电极(20)、右侧接地电极(22)、左侧总电极(21)、右侧总电极(25)；左前侧反馈电极(10)位于玻璃基底(26)左前侧，右前侧反馈电极(9)位于玻璃基底(26)右前侧，左后侧反馈电极(12)位于玻璃基底(26)左后侧，右后侧反馈电极(11)位于玻璃基底(26)右后侧，左侧接地电极(20)和左侧总电极(21)位于玻璃基底左侧，右侧总电极(25)和右侧接地电极(22)位于玻璃基底右侧，前部两个反馈电极通过信号引线相连，后部两个反馈电极通过信号引线相连。
2.根据权利要求1所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：质量块(4)上的前部光子晶体结构(2)和外围框架结构(8)上的前部光子晶体结构(3)构成了拉链式光子晶体微腔，质量块(4)上的后部光子晶体结构(24)和外围框架结构(8)上的后部光子晶体结构(23)分别构成了拉链式光子晶体微腔。
3.根据权利要求2所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：左前侧的激光入射光纤(1)用于将激光导入由质量块(4)上的前部光子晶体结构(2)和外围框架结构(8)上的前部光子晶体结构(3)构成的拉链式光子晶体微腔内；左后侧的激光入射光纤(18)用于将激光导入质量块(4)上的后部光子晶体结构(24)和外围框架结构(8)上的后部光子晶体结构(23)分别构成的拉链式光子晶体微腔内。
4.根据权利要求3所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：右前侧的激光接收器(5)用于接收通过左前侧凹槽(19)、右前侧凹槽(15)、由质量块(4)上的前部光子晶体结构(2)和外围框架结构(8)上的前部光子晶体结构(3)构成的拉链式光子晶体微腔的由左前侧的激光入射光纤(1)射出的激光；右后侧的激光接收器(17)用于接收通过左后侧凹槽(20)、右后侧凹槽(16)、由质量块(4)上的前部光子晶体结构(24)和外围框架结构(8)上的前部光子晶体结构(23)构成的拉链式光子晶体微腔的由左后侧的激光入射光纤(18)射出的激光。
5.根据权利要求1所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：质量块(4)在外界加速度输入时，在加速度的惯性力作用下偏离初始位置，反馈电极用于施加反向偏置电压，反馈电极上施加的反向偏置电压与外界输入加速度信号正相关，反馈电极和质量块(4)之间的电压差产生相应的静电力，将质量块(4)回归至初始平衡位置，以初始状态敏感下个加速度信号。
6.根据权利要求1所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：质量块(4)上的光子晶体结构和外围框架结构(8)上的光子晶体结构通过硅微加工工艺形成。
7.根据权利要求1所述的基于拉链式光子晶体微腔的高精度光力式加速度计，其特征在于：外围框架结构上的左前侧凹槽(19)、左后侧凹槽(20)、右前侧凹槽(15)、右后侧凹槽(16)通过硅微加工工艺形成。
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