CN110133321A - 基于相位检测的单片集成光学加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位检测的单片集成光学加速度计。包括宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、单向隔离器、2:1型和1:2型Y波导、弹簧振子结构、上中下电极、波导反射镜、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、制冷片、磁力反馈模块、封装外壳；弹簧振子结构位于1:2型Y波导的两分支端之间，上电极和下电极位于1:2型Y波导两分支外侧，中电极位于弹簧振子结构的质量块的上表面；光经过模斑转换器耦合进2:1型Y波导后经单向隔离器进入1:2型Y波导实现分光，两束光由波导反射镜反射，耦合进入2:1型Y波导分支后直接耦合进入光电探测器中。本发明探测精度高，体积小，制作工艺简单，具有高的可靠性和环境适应性。

Description

基于相位检测的单片集成光学加速度计

技术领域

本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于相位检测的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。与MEMS加速度传感器相比，采用光学传感的光学加速度计具有更高的精度，且抗电磁干扰能力更强，能在恶劣环境下工作。

根据加速度的测量原理以及光信号的调制方式，光学加速度计主要分为光强敏感型、波长敏感型、相位敏感型三种。光强敏感型加速度计的结构一般比较简单，检测光路也易于实现，但精度受到加速度计中光源功率稳定性的影响，精度较低。波长敏感型加速度计可以排除各种光强起伏引起的干扰，具有很高的可靠性和稳定性，包括光栅式、谐振腔式和光隧穿式等，但检测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。相位敏感型加速度计以波导中光的相位变化来表示被测物理量，微小的相位变化即可获得较大的干涉光强变化，检测精度高，特别适合要求高性能加速度传感的领域。

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，微纳集成光学技术如新型光学材料、微纳加工技术、光有源无源集成等技术为MOEMS加速度传感器的发展注入了强大动力，使得高精度的基于相位检测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，本发明提出了一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，结合了新型光学材料和微纳加工技术将器件单片集成在同一硅衬底上，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。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括均位于封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、单向隔离器、2:1型Y波导、1:2型Y波导、弹簧振子结构、上电极、中电极、下电极、波导反射镜、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、制冷片和磁力反馈模块。

制冷片、磁力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层由下至上依次层叠，铌酸锂单晶薄膜层上表面通过刻蚀形成2:1型Y波导和1:2型Y波导，2:1型Y波导和1:2型Y波导通过各自的合束端口相连，2:1型Y波导两个分支中其中一个分支经单向隔离器、模斑转换器与宽谱光源相连，2:1型Y波导两个分支中另一个分支与光电探测器相连，1:2型Y波导的两个分支端均与波导反射镜相连。

宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器、2:1型Y波导、1:2型Y波导和波导反射镜沿光路方向依次布置，宽谱光源与光电探测器以光路方向为对称轴对称布置；单向隔离器、模斑转换器与宽谱光源均位于二氧化硅缓冲层上表面，制冷片、磁力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层远离宽谱光源的一端均与波导反射镜接触。

硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层共同刻蚀形成弹簧振子结构，弹簧振子结构位于1:2型Y波导的两个分支端之间，弹簧振子结构包括质量块和两根微梁，质量块位于1:2型Y波导的两个分支端的正中间位置且底部与磁力反馈模块不接触，两根微梁的一端对称布置于质量块两侧，两根微梁的另一端与未经刻蚀的铌酸锂单晶薄膜层相连。

上电极、中电极和下电极均位于铌酸锂单晶薄膜上表面，弹簧振子结构的质量块上表面设置有上电极，1:2型Y波导的两个分支外侧分别布置有与上电极位置相对的上电极和下电极。

所述宽谱光源的光经过模斑转换器耦合进入2:1型Y波导的其中一个分支后，经单向隔离器进入1:2型Y波导实现3dB分光，两束光由波导反射镜反射，耦合进入2:1型Y波导的另一个分支，最后直接耦合进入光电探测器中。

所述单向隔离器用于隔离从2:1型Y波导的合束端口进入2:1型Y波导两分支中其中一个分支的光。

所述弹簧振子结构的质量块形成于铌酸锂单晶薄膜、二氧化硅缓冲层和硅衬底三者所处层；两个微梁形成于铌酸锂单晶薄膜所处层；两个微梁的尺寸相同且厚度均小于质量块的厚度。

所述的宽谱光源采用SLD光源或ASE光源，1:2型Y波导的两个分支等长。

所述宽谱光源与2:1型Y波导的两个分支中其中一个分支端正对，光电探测器的光敏面与2:1型Y波导的两个分支中另一个分支端正对并接触。

本发明的有益效果：

1)本发明相比分立器件而言降低了加速度计传感器的体积，并提升了加速度计传感器的可靠性；集成度高、精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作，且体积小、制作成本低、制作工艺简单、易于封装，适于批量生产。

2)本发明采用相位检测的方法，可以排除各种光强起伏引起的干扰，具有高可靠性和稳定性。

3)本发明的结构采用对称结构设计，从原理上消除了加速度计的轴间耦合误差。

4)本发明的光源采用宽谱光源，有效避免光学系统中寄生效应引起的误差，光学噪声小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A-B截面示意图；

图3是本发明中弹簧振子的结构示意图；

图4是本发明中相位变化与Z方向加速度的关系。

图中：1、宽谱光源，2、模斑转换器，3、光电探测器，4、单向隔离器，5、2:1型Y波导，6、1:2型Y波导，7、弹簧振子结构，8、上电极，9、中电极，10、下电极，11、波导反射镜，12、封装外壳，13、制冷片，14、铌酸锂单晶薄膜，15、二氧化硅缓冲层，16、硅衬底，17、磁力反馈模块，18、微梁，19、质量块。

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2所示，本发明包括均位于封装外壳12内的宽谱光源1、模斑转换器2、光电探测器3、单向隔离器4、2:1型Y波导5、1:2型Y波导6、弹簧振子结构7、上电极8、中电极9、下电极10、波导反射镜11、铌酸锂单晶薄膜层14、二氧化硅缓冲层15、硅衬底16、制冷片13和磁力反馈模块17；制冷片13、磁力反馈模块17、硅衬底16、二氧化硅缓冲层15和铌酸锂单晶薄膜层14由下至上依次层叠；宽谱光源1、模斑转换器2、单向隔离器4、2:1型Y波导5、1:2型Y波导6和波导反射镜11沿光路方向依次布置，宽谱光源1与光电探测器3以光路方向为对称轴对称布置；单向隔离器4、模斑转换器2与宽谱光源1均位于二氧化硅缓冲层15上表面，制冷片13、磁力反馈模块17、硅衬底16、二氧化硅缓冲层15和铌酸锂单晶薄膜层14远离宽谱光源1的一端均与波导反射镜11接触。

如图1所示，铌酸锂单晶薄膜层14上表面通过刻蚀形成2:1型Y波导5和1:2型Y波导6，2:1型Y波导5和1:2型Y波导6通过各自的合束端口相连，2:1型Y波导5两个分支中其中一个分支经单向隔离器4、模斑转换器2与宽谱光源1相连，2:1型Y波导5两个分支中另一个分支与光电探测器3相连，1:2型Y波导6的两个分支端均与波导反射镜11相连；硅衬底16、二氧化硅缓冲层15和铌酸锂单晶薄膜层14共同刻蚀形成弹簧振子结构7，弹簧振子结构7位于1:2型Y波导6的两个分支端之间；上电极8、中电极9和下电极10均位于铌酸锂单晶薄膜14上表面，弹簧振子结构7的质量块19上表面设置有上电极8，1:2型Y波导6的两个分支外侧分别布置有与上电极8位置相对的上电极8和下电极10。

如图3所示，弹簧振子结构7包括质量块19和两根微梁18，质量块19位于1:2型Y波导6的两个分支端的正中间位置且底部与磁力反馈模块17不接触，两根微梁15的一端对称布置于质量块16两侧，两根微梁15的另一端与未经刻蚀的铌酸锂单晶薄膜层14相连。

宽谱光源1与2:1型Y波导5的两个分支中其中一个分支端正对，光电探测器3的光敏面与2:1型Y波导5的两个分支中另一个分支端正对并接触。宽谱光源1的光经过模斑转换器2耦合进入2:1型Y波导5的其中一个分支后，经单向隔离器4进入1:2型Y波导6实现3dB分光，两束光由波导反射镜11反射，耦合进入2:1型Y波导5的另一个分支，最后直接耦合进入光电探测器3中。

具体实施例中，光学加速度计的整体尺寸为3×3×0.3～12×12×1立方毫米，质量块的尺寸为1×1×0.3～4×4×1立方毫米，微梁18的尺寸为1×0.001×0.001～4×0.02×0.02立方毫米，硅衬底16厚度为0.3～1毫米；二氧化硅缓冲层15厚度为1～10微米，铌酸锂单晶薄膜14厚度0.5～2微米。宽谱光源1采用SLD光源或ASE光源。2:1型Y波导5和1:2型Y波导6为脊波导，波导宽度为0.5～2微米，脊高0.3～1微米。上电极8和中电极9、中电极9和下电极10的间距均为2～20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800微瓦。制冷片材料13为TEC半导体，硅衬底16厚度为0.5毫米、二氧化硅缓冲层15厚度为2微米、铌酸锂单晶薄膜14厚度为0.6微米。2:1型Y波导5和1:2型Y波导6为脊波导，波导宽度为0.8微米，脊高0.3微米，电极长度为2毫米，电极与脊波导的间距为2微米。质量块19的尺寸为2×0.5×0.5立方毫米，微梁18的尺寸为2×0.02×0.02立方毫米。

如图2所示，当光学加速度计受到Z方向的加速度时，由于惯性作用，质量块19会产生Z方向的位移，中电极9的位置产生变化，从而使上电极8和中电极9的间距、下电极10和中电极9的间距发生变化，由于在上电极8和下电极10所加的电压值不变，使得电极间的电场发生变化，从而导致光的折射率发生变化，最终导致1:2型Y波导6两个分支的相位差发生变化。由于外界加速度产生的相位变化为13.07rad/g，相位变化与Z方向加速度关系如图4所示。光电探测器3探测2:1型Y波导6下分支端的输出干涉信号，探测精度为0.1μrad，所以该基于电光效应的光学加速度计的灵敏度为7.65×10^-9g，探测灵敏度高。

本发明的光学加速度计检测由外界加速度引起的1:2型Y波导的两个分支的相位差，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硅衬底上，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。

Claims (6)

1.一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，其特征在于：包括均位于封装外壳(12)内的宽谱光源(1)、模斑转换器(2)、光电探测器(3)、单向隔离器(4)、2:1型Y波导(5)、1:2型Y波导(6)、弹簧振子结构(7)、上电极(8)、中电极(9)、下电极(10)、波导反射镜(11)、铌酸锂单晶薄膜层(14)、二氧化硅缓冲层(15)、硅衬底(16)、制冷片(13)和磁力反馈模块(17)；

制冷片(13)、磁力反馈模块(17)、硅衬底(16)、二氧化硅缓冲层(15)和铌酸锂单晶薄膜层(14)由下至上依次层叠，铌酸锂单晶薄膜层(14)上表面通过刻蚀形成2:1型Y波导(5)和1:2型Y波导(6)，2:1型Y波导(5)和1:2型Y波导(6)通过各自的合束端口相连，2:1型Y波导(5)两个分支中其中一个分支经单向隔离器(4)、模斑转换器(2)与宽谱光源(1)相连，2:1型Y波导(5)两个分支中另一个分支与光电探测器(3)相连，1:2型Y波导(6)的两个分支端均与波导反射镜(11)相连；

宽谱光源(1)、模斑转换器(2)、单向隔离器(4)、2:1型Y波导(5)、1:2型Y波导(6)和波导反射镜(11)沿光路方向依次布置，宽谱光源(1)与光电探测器(3)以光路方向为对称轴对称布置；单向隔离器(4)、模斑转换器(2)与宽谱光源(1)均位于二氧化硅缓冲层(15)上表面，制冷片(13)、磁力反馈模块(17)、硅衬底(16)、二氧化硅缓冲层(15)和铌酸锂单晶薄膜层(14)远离宽谱光源(1)的一端均与波导反射镜(11)接触；

硅衬底(16)、二氧化硅缓冲层(15)和铌酸锂单晶薄膜层(14)共同刻蚀形成弹簧振子结构(7)，弹簧振子结构(7)位于1:2型Y波导(6)的两个分支端之间，弹簧振子结构(7)包括质量块(19)和两根微梁(18)，质量块(19)位于1:2型Y波导(6)的两个分支端的正中间位置且底部与磁力反馈模块(17)不接触，两根微梁(15)的一端对称布置于质量块(16)两侧，两根微梁(15)的另一端与未经刻蚀的铌酸锂单晶薄膜层(14)相连；

上电极(8)、中电极(9)和下电极(10)均位于铌酸锂单晶薄膜(14)上表面，上电极(8)布置于弹簧振子结构(7)的质量块(19)上表面且位于1:2型Y波导(6)两分支中间位置，1:2型Y波导(6)的两分支外侧分别布置有与上电极(8)位置相对的上电极(8)和下电极(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述宽谱光源(1)的光经过模斑转换器(2)耦合进入2:1型Y波导(5)的其中一个分支后，经单向隔离器(4)进入1:2型Y波导(6)实现3dB分光，两束光由波导反射镜(11)反射，耦合进入2:1型Y波导(5)的另一个分支，最后直接耦合进入光电探测器(3)中。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述单向隔离器(4)用于隔离从2:1型Y波导(5)的合束端口进入2:1型Y波导(5)两分支中其中一个分支的光。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述弹簧振子结构(7)的质量块(19)形成于铌酸锂单晶薄膜(14)、二氧化硅缓冲层(15)和硅衬底(16)三者所处层；两个微梁(18)形成于铌酸锂单晶薄膜(14)所处层；两个微梁(18)的尺寸相同且厚度均小于质量块(18)的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位检测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，1:2型Y波导(6)的两个分支等长。

6.根据权利要求1所述的一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述宽谱光源(1)与2:1型Y波导(5)的两个分支中其中一个分支端正对，光电探测器(3)的光敏面与2:1型Y波导(5)的两个分支中另一个分支端正对并接触。