CN110133322A - 基于电光效应的单片集成光学加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电光效应的单片集成光学加速度计。包括位于封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、马赫曾德干涉仪结构、光电探测器、上电极、下电极、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、弹簧振子结构、静电力反馈模块和制冷片，马赫曾德干涉仪结构由1:2型Y波导、2:1型Y波导构成；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，最后直接耦合进入耦合进入光电探测器中。本发明相比分立器件而言降低了加速度计传感器的体积，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。
Description
技术领域
本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于电光效应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。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，本发明提供了一种集成度高、精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作、制备工艺简单、易于封装的基于电光效应的光学加速度计。
本发明的光学加速度计采用马赫曾德干涉仪和弹簧振子结构，当受到外界加速度时，下电极位置变化，导致电光效应产生的光学相位发生的变化，通过静电力反馈模块提供的反馈力，使下电极位置回复到初始平衡位置。检测静电力反馈模块的反馈电压来得到外界加速度信息，不受光源光强波动的影响，探测精度高。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括制冷片、静电力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层、下电极、铌酸锂单晶薄膜、宽谱光源、光电探测器、上电极和封装外壳；宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、上电极、下电极、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、静电力反馈模块、制冷片均位于封装外壳内。
静电力反馈模块位于制冷片上表面，硅衬底位于静电力反馈模块上表面；硅衬底中间刻蚀形成弹簧振子结构，弹簧振子结构包括质量块和两根微梁，质量块位于硅衬底中间位置且底部与制冷片不接触，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硅衬底相连；下电极位于质量块上表面；未经刻蚀的硅衬底上表面覆盖有二氧化硅缓冲层。
二氧化硅缓冲层上表面涂覆有铌酸锂单晶薄膜，铌酸锂单晶薄膜上表面依次刻蚀形成模斑转换器、1:2型Y波导和2:1型Y波导；1:2型Y波导和2:1型Y波导共同构成马赫曾德干涉仪结构；模斑转换器一端与1:2型Y波导的合束端相连，1:2型Y波导的两分支端分别与2:1型Y波导的两分支端相连；铌酸锂单晶薄膜两端分别布置有宽谱光源和光电探测器，宽谱光源与模斑转换器另一端正对并接触，2:1型Y波导的合束端正对光电探测器的光敏面并接触；1:2型Y波导与2:1型Y波导其中一个分支的上端面布置有与下电极位置相对的上电极。
所述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波导的两分支端进入2:1型Y波导的两分支端，最后经2:1型Y波导的合束端耦合进入光电探测器中。
所述宽谱光源、模斑转换器、马赫曾德干涉仪结构、光电探测器沿光路方向依次布置。
所述弹簧振子结构的两根微梁和质量块均采用硅材料构成，两根微梁的尺寸相同，两根微梁厚度均小于质量块厚度。
所述铌酸锂单晶薄膜下表面与下电极不接触。
所述弹簧振子结构上方区域的二氧化硅缓冲层通过氢氟酸去除后被挖空。
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；器件单片集成在同一衬底上，集成度高，体积小，制作工艺简单，适于批量生产，且具有高可靠性和环境适应性。
2)本发明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，探测精度高。
3)本发明存在闭环反馈回路，使加速度计同时具有大量程和高线性度的优点。
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。
5)本发明提出的基于电光效应的单片集成光学加速度计的结构采用对称设计，从原理上消除了加速度计的轴间耦合误差。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-B的截面示意图；
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X方向加速度的关系。
图中：1、宽谱光源，2、模斑转换器，3、1:2型Y波导，4、2:1型Y波导，5、上电极，6、光电探测器，7、封装外壳，8、弹簧振子结构，9、下电极，10、铌酸锂单晶薄膜，11、二氧化硅缓冲层，12、硅衬底，13、静电力反馈模块，14、制冷片，15、微梁，16、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，本发明包括制冷片14、静电力反馈模块13、硅衬底12、二氧化硅缓冲层11、下电极9、铌酸锂单晶薄膜10、宽谱光源1、光电探测器6、上电极5和封装外壳7；宽谱光源1、模斑转换器2、光电探测器6、上电极5、下电极9、铌酸锂单晶薄膜层10、二氧化硅缓冲层11、硅衬底12、静电力反馈模块13、制冷片14均位于封装外壳7内；静电力反馈模块13位于制冷片14上表面，硅衬底12位于静电力反馈模块13上表面；硅衬底12中间刻蚀形成弹簧振子结构8；下电极9位于质量块16上表面；未经刻蚀的硅衬底12上表面覆盖有二氧化硅缓冲层11；二氧化硅缓冲层11上表面涂覆有铌酸锂单晶薄膜10。
如图1所示，铌酸锂单晶薄膜10上表面依次刻蚀形成模斑转换器2、1:2型Y波导3和2:1型Y波导4；1:2型Y波导3和2:1型Y波导4共同构成马赫曾德干涉仪结构；模斑转换器2一端与1:2型Y波导3的合束端相连，1:2型Y波导3的两分支端分别与2:1型Y波导4的两分支端相连；铌酸锂单晶薄膜10两端分别布置有宽谱光源1和光电探测器6，宽谱光源1与模斑转换器2另一端正对并接触，2:1型Y波导4的合束端正对光电探测器6的光敏面并接触；1:2型Y波导3与2:1型Y波导4其中一个分支的上端面布置有与下电极9位置相对的上电极5。
如图3所示，弹簧振子结构8包括质量块16和两根微梁15，质量块16位于硅衬底12中间位置且底部与制冷片14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硅衬底12相连；弹簧振子结构8的两根微梁15和质量块16均采用硅材料构成，两根微梁15的尺寸相同，两根微梁15厚度均小于质量块16厚度。
模斑转换器6与宽谱光源1相对布置，光电探测器6的光敏面正对2:1型Y波导4的单独分支端。模斑转换器为锥形波导，直接集成在1:2型Y波导3的输入端。宽谱光源1的光通过模斑转换器2耦合进入1:2型Y波导3后被分为两束光，两束光经1:2型Y波导3的两个分支端进入2:1型Y波导4的两个分支端，最后经2:1型Y波导4的合束端耦合进入光电探测器6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16的尺寸为1×1×0.3～4×4×1立方毫米，微梁15的尺寸为1×0.001×0.001～4×0.02×0.02立方毫米，硅衬底12厚度为0.3～1毫米；二氧化硅缓冲层11厚度为1～10微米，铌酸锂单晶薄膜10厚度为0.5～2微米。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3和2：1型Y波导4为脊波导，波导宽度为0.5～2微米，脊高0.3～1微米。上电极5和下电极9的长度为1～4毫米，上电极5和下电极9的间距为1.5～12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。制冷片14材料为TEC半导体，硅衬底12厚度为0.5毫米、二氧化硅缓冲层11厚度为1微米、铌酸锂单晶薄膜10厚度为0.6微米。1:2型Y波导3和2：1型Y波导4为脊波导，波导宽度为0.8微米，脊高0.3微米。质量块16的尺寸为1×1×0.5立方毫米，微梁15的尺寸为1×0.01×0.01立方毫米。上电极5和下电极9的长度为1毫米，上电极5和下电极9的间距为1.6微米。
如图2所示，当光学加速度计受到X方向的加速度时，由于惯性作用，质量块16会产生X方向的位移，使上电极5和下电极9的间距发生变化，由于在上电极5和下电极9所加的电压值不变，从而导致电极间的电场发生变化，产生电光效应导致折射率发生变化，最终导致马赫曾德干涉仪两干涉臂的相位差发生变化。由于外界加速度产生的相位变化为3.24rad/g，相位变化与X方向加速度关系如图4所示。光电探测器6探测2:1型Y波导4输出端的干涉信号，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3.1×10-8g，探测灵敏度高。
Claims (7)
1.一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：包括制冷片(14)、静电力反馈模块(13)、硅衬底(12)、二氧化硅缓冲层(11)、下电极(9)、铌酸锂单晶薄膜(10)、宽谱光源(1)、光电探测器(6)、上电极(5)和封装外壳(7)；宽谱光源(1)、模斑转换器(2)、光电探测器(6)、上电极(5)、下电极(9)、铌酸锂单晶薄膜层(10)、二氧化硅缓冲层(11)、硅衬底(12)、静电力反馈模块(13)、制冷片(14)均位于封装外壳(7)内；
静电力反馈模块(13)位于制冷片(14)上表面，硅衬底(12)位于静电力反馈模块(13)上表面；硅衬底(12)中间刻蚀形成弹簧振子结构(8)，弹簧振子结构(8)包括质量块(16)和两根微梁(15)，质量块(16)位于硅衬底(12)中间位置且底部与制冷片(14)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硅衬底(12)相连；下电极(9)位于质量块(16)上表面；未经刻蚀的硅衬底(12)上表面覆盖有二氧化硅缓冲层(11)；
二氧化硅缓冲层(11)上表面涂覆有铌酸锂单晶薄膜(10)，铌酸锂单晶薄膜(10)上表面依次刻蚀形成模斑转换器(2)、1:2型Y波导(3)和2:1型Y波导(4)；1:2型Y波导(3)和2:1型Y波导(4)共同构成马赫曾德干涉仪结构；模斑转换器(2)一端与1:2型Y波导(3)的合束端相连，1:2型Y波导(3)的两分支端分别与2:1型Y波导(4)的两分支端相连；铌酸锂单晶薄膜(10)两端分别布置有宽谱光源(1)和光电探测器(6)，宽谱光源(1)与模斑转换器(2)另一端正对并接触，2:1型Y波导(4)的合束端正对光电探测器(6)的光敏面并接触；1:2型Y波导(3)与2:1型Y波导(4)其中一个分支的上端面布置有与下电极(9)位置相对的上电极(5)。
2.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述宽谱光源(1)的光通过模斑转换器(2)耦合进入1:2型Y波导(3)后被分为两束光，两束光经1:2型Y波导(3)的两分支端进入2:1型Y波导(4)的两分支端，最后经2:1型Y波导(4)的合束端耦合进入光电探测器(6)中。
3.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述宽谱光源(1)、模斑转换器(2)、马赫曾德干涉仪结构、光电探测器(6)沿光路方向依次布置。
4.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述弹簧振子结构(8)的两根微梁(15)和质量块(16)均采用硅材料构成，两根微梁(15)的尺寸相同，两根微梁(15)厚度均小于质量块(16)厚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：铌酸锂单晶薄膜(10)下表面与下电极(9)不接触。
6.根据权利要求1所述的一种基于电光效应的单片集成光学加速度计，其特征在于：所述弹簧振子结构(8)上方区域的二氧化硅缓冲层(11)通过氢氟酸去除后被挖空。
7.根据权利要求1所述的一种基于电光效应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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- 2019-05-13 CN CN201910391747.7A patent/CN110133322B/zh not_active Expired - Fee Related
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