CN112066967A - 一种芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明属于微传感器领域，具体涉及一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺。该陀螺将声表面行波模式敏感结构与谐振式微环谐振腔光学检测结构结合在一起应用于陀螺仪中，利用声光效应将一次声表面波与科氏力导致的二次声表面波振动引起器件晶体的机械应变转换成器件上刻蚀的光波导的折射率变化，使得在该波导中传输的光信号发生衍射，从而产生频率调制，同时利用谐振原理的微谐振腔剥离一次声表面波引入的频率变化，得到包含有外部角速度信息的输出信号。利用谐振式微环谐振腔的品质因数与检测分辨率成比例关系，提高接口检测分辨率的量级，在提升灵敏度、改善分辨率等多个方面同时优化陀螺仪的性能指标，实现其精度的提高。

Description

一种芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺

技术领域

本发明属于微传感器领域，具体涉及一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺。

背景技术

陀螺仪作为测量载体角速度信息的仪器，是惯性导航系统的重要组成部分，在军事领域及民用领域都具有重要的应用需求。其中，陀螺精度是影响导航系统性能的关键参数之一，对精准定位、姿态控制等起着决定性的作用。因此研发更高精度的陀螺仪是国内外研究学者开展惯性技术前沿基础研究的核心内容。

当前，MEMS固态波动陀螺因其全对称拓扑特征结构而使其具有体积小、动态范围宽以及抗冲击性和稳定性良好等优势成为国际研究热点。然而其精度明显弱于光纤陀螺的精度，其性能的提升会受到现有几何结构拓扑、精密加工修调、微弱信号测控等技术因素的诸多限制，因此，探索新型压电/光电/声光效应晶体材料基底、多物理场耦合敏感原理、固态波动敏感拓扑、光相位调制器结构等多种能够显著增强信号灵敏度的创新方法是提升片上固态波动陀螺精度的必然要求。

固态声光陀螺作为固态波动陀螺仪一种，利用声光效应将带有角速度信息的信号用光学方式进行检测。基于MEMS技术的片上固态声光陀螺在国外仅有卡内基梅隆大学于2018年通过驻波模式将声波敏感结构与光检测结构简单集成，初步获得了陀螺效应，但是驻波模式要求的叉指换能器、反射器等结构复杂繁琐、结构拓扑的几何约束关系及其敏感等特征导致微弱的结构/工艺误差会极大的衰减信号灵敏度；而行波模式具有的结构及几何关系简单等特征，适用于误差难以避免的MEMS器件，目前国内外均未见基于行波模式的芯片级固态声光耦合陀螺片上一体化报道，在国内更是未见公开的基于MEMS技术的固态声光陀螺片上集成一体化实施方案。因此本发明首次提出一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺实现方案，该方案具有两个显著的特色：第一，采用基于行波模式的MEMS固态声光陀螺片上一体化结构；第二，采用全谐振式MEMS声光陀螺敏感/检测实现方式。这两个方面的创新点使得基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺突破现有MEMS固态波动陀螺的精度极限成为可能。

发明内容

本发明提供了一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，首次将声表面行波模式敏感结构与谐振式微环谐振腔光学检测结构结合在一起应用于陀螺仪中，利用声光效应将一次声表面波与科氏力导致的二次声表面波振动引起器件晶体的机械应变转换成器件上刻蚀的光波导的折射率变化，使得在该波导中传输的光信号发生衍射，从而产生频率调制，同时利用谐振原理的微谐振腔剥离一次声表面波引入的频率变化，得到包含有外部角速度信息的输出信号。利用谐振式微环谐振腔的品质因数与检测分辨率成比例关系，提高接口检测分辨率的量级，在提升灵敏度、改善分辨率等多个方面同时优化陀螺仪的性能指标，实现其精度的提高。

参阅图1，本发明提出的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺包括基底及置于基底上表面的陀螺结构；

所述基底实现压电、光电及声光效应，其常见形式为：从上到下依次为铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-铌酸锂晶体层、铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-石英晶体层或铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-硅晶体层等。所述基底的最上薄膜层需要具有声光效应，将基底材料受到的机械应变转换为材料折射率的变化。

所述陀螺结构包含有声学敏感模块、光学检测模块及相位调制模块三部分，其特征在于：声学敏感模块位于陀螺仪中间部位，光学检测模块处于声学敏感模块四周，相位调制模块包括两个，分别基于声学敏感模块对称并放置于光学检测模块中两个光波导分支两侧。

具体的，声学敏感模块包括在基底的最上薄膜层表面上溅射金属形成的第一叉指1-1与第二叉指1-2组成的叉指换能器；第一叉指1-1侧面结构与第二叉指1-2侧面结构上分别均匀溅射金属电极层，形成第一金属电极层2-1和第二金属电极层2-2；在基底的最上薄膜层表面二次溅射金属形成的用于敏感角速度的第一金属质量点阵3-1和第二金属质量点阵3-2，其中第一金属质量点阵3-1由金属柱3-1-0n～3-1-nn(n＝1、2、3、……)组成，第二金属质量点阵3-2由金属柱3-2-0n～3-2-nn(n＝1、2、3、……)组成。

具体的，光学检测模块包括在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一光源输入端的第一光栅耦合器4-1和第二光源输入端的第二光栅耦合器4-2，信号输出端的第一光栅耦合器5-1、第二光栅耦合器5-2、第三光栅耦合器5-3和第四光栅耦合器5-4；在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一光源输入端的输入光波导6、第二光源输入端的输入光波导7、信号输出端第一光波导12-1、第二光波导12-2、第三光波导13-1和第四光波导13-2；及在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一谐振环11-1和第二谐振环11-2。

进一步的，第一光源输入端的输入光波导6采用耦合器8-1将波导分成结构相同的两个分支，分别为6-1和6-2；第二光源输入端的输入光波导7采用耦合器8-2将波导分成结构相同的两个分支，分别为7-1和7-2；此处耦合器8-1与8-2可以是Y型分支结构或多模干涉耦合结构，它们的作用是将波导分成结构相同的两个分支，使得在两个光波导分支中传输的光信号强度相等。

进一步的，光波导分支6-1和7-1采用第一耦合器9-1与第一谐振环11-1连接到一起；波导分支6-2和7-2采用第二耦合器9-2与第二谐振环11-2连接到一起；信号输出端第一光波导12-1和第二光波导12-2采用第三耦合器10-1与第一谐振环11-1连接到一起，信号输出端光波导第三光波导13-1和第四光波导13-2采用第四耦合器10-2与第二谐振环11-2连接到一起；此处第一耦合器9-1、第二耦合器9-2、第三耦合器10-1及第四耦合器10-2可以是定向耦合器、多模干涉耦合器或星型耦合器等，它们的作用是使得光波导中的光信号可以耦合进入谐振环进行传输，或让谐振环中的光信号从环中耦合出到信号输出端以便后续信号检测。

所述相位调制模块包括在基底的最上薄膜层表面上溅射金属形成位于光波导分支7-1两侧的第一相位调制电极14-1和14-2，及位于光波导分支6-2两侧的第二相位调制电极15-1和15-2。

由于本发明所设计的整体结构由具有对称特征的两部分组成，因此在说明其基本工作原理时以上半部分为例，具体的工作过程如下：

通过在叉指换能器上的金属电极上施加外部激励电信号从而产生交变电场，由于逆压电效应使得基底的最上薄膜层表面激发生成用于陀螺仪驱动模态的声表面波，并沿着X轴负方向传播过程中作用于第一金属质量点阵3-1及光波导分支6-1，其中金属点阵会受到声表面波分量——沿着面外方向的声表面波横波作用进行振动。当陀螺仪沿着Y轴有外部角速度作用时，第一金属质量点阵3-1会受到科氏力作用，从而沿着X轴方向进行波动，此波动方向与之前作用在光波导分支6-1上的驱动模态声波波动共同作用，从而使得基底的晶体内部产生应力而发生周期性的应变，该机械应变不断传递导致光波导分支6-1发生形变，使得其折射率发生变化。从激光光源发出的激光通过第一光源输入端的光栅耦合器4-1与第二光源输入端的光栅耦合器4-2分别进入到光波导6与光波导7中，通过Y型连接结构8-1与8-2分成了光强相等的两束光，其中在光波导分支6-1中的一束光信号1被含有上述驱动模态的频率及角速度共两项信号的波导折射率变化所调制，并和在光波导分支7-1中没有被调制的一束光信号2分别通过第一定向耦合器9-1进入到第一环形谐振腔11-1中，两束光在该环形谐振腔中分别沿着顺时针和逆时针方向传输，经过在环形谐振腔多圈传输后，两束光再分别经由第三定向耦合器10-1从环中输出，光信号1经过信号输出端第一光波导12-1进入到信号输出端的第一光栅耦合器5-1，光信号2经过信号输出端第二光波导12-2进入到信号输出端的第二光栅耦合器5-2，之后在光栅耦合器5-1与5-2中的两束光各自输入到第一光电探测器和第二光电探测器进行光电信号转换，其中第一光电探测器输出的信号与作用在第一相位调制电极14-1上的调制信号共同经过闭环控制后反馈到激光光源频率调谐端，使得光源的中心频率锁定在微环谐振腔的谐振频率，同时使得反馈信号的相位满足微环谐振腔的谐振条件，第二光电探测器输出的信号为陀螺仪的驱动频率与角速度信号。同理，结构下半部分对称于上半部分，其工作过程与控制方式类似，第四光电探测器输出的信号为陀螺仪的驱动频率与角速度信号，但是该角速度信号与第二光电探测器输出的信号中的角速度信号反相，因此后续采用鉴频差分电路消除共模性质的驱动频率信号，得到两倍角速度信号从而实现角速度信号的提取与检测。

为了提升陀螺仪的机械灵敏度与接口检测分辨率，突破现有MEMS固态波动陀螺的精度极限，本发明理论推导了陀螺仪精度的具体表达式，以上半部分为例，陀螺仪的机械灵敏度和接口检测分辨率与陀螺仪精度之间存在以下关系：

其中，B为带宽，h为普朗克常数；f₀为激光频率；Q_R为第一环形谐振腔11-1形成的光学谐振腔的品质因数；P为后续检测时从第二光栅耦合器5-2接收到的光功率；η为光电转换效率；R为第一环形谐振腔11-1的半径；L为声光相互作用的长度；H为声表面波传播的深度；n为陀螺仪波导材料，即基底的最上薄膜层的本征折射率；M₂为声光优值；P_a为总声功率；p_eff为声表面波传播方向的有效声光系数；M_p为第一金属质量点阵3-1的总质量；ρ为陀螺仪波导材料，即基底的最上薄膜层的密度；v_R为声表面波的相速；P_m为电功率；Q_D为声学敏感模块中第一叉指1-1与第二叉指1-2组成的叉指换能器与第一金属质量点阵3-1组成的声表面波谐振器的品质因数；M_r为第一叉指1-1与第二叉指1-2组成的叉指换能器的质量；ε为横波相对于纵波的系数；f₁为声表面波谐振频率。

由公式可知，陀螺仪精度δΩ与许多参数都具有一定关系，这些参数的变化对精度都会产生影响，因此分析这些参数对陀螺仪精度的影响趋势，对于后续突破现有MEMS固态波动陀螺的精度极限具有重要价值。参阅图2为声表面波谐振器的品质因数Q_D、光学谐振腔的品质因数Q_R与陀螺仪精度δΩ的趋势图。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的一种芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺设计整体由具有对称特征结构的两部分组成，可以实现结构差分功能；其工作原理采用行波模式，利用其所要求结构及几何关系简单等特征避免结构/工艺误差带来信号灵敏度衰减；设计基于微环拓扑结构的谐振式光检测接口，即采用光栅耦合器将环形谐振腔中的光信号提取出进行后续的信号处理，利用谐振式微环具有的高品质因数特征且与检测分辨率成比例关系，极大提高了接口检测分辨率；声学敏感模块与光学检测模块没有任何悬浮可动的特征结构，极大增强了器件的抗冲击能力，显著提升MEMS陀螺环境鲁棒性，因此声表面波谐振器的品质因数具有达到10⁵量级以上的能力，光学谐振腔的品质因数具有达到10⁹量级以上的能力，相比于真空封装要求的MEMS固态波动陀螺，品质因数提升了3～4个数量级，极大提升了敏感结构信号灵敏度，同时避免了复杂且不稳定漏率的真空封装。

综上所述，本发明可显著提升陀螺仪的机械灵敏度与接口检测分辨率，突破现有MEMS固态波动陀螺的精度极限。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；(a)为结构俯视图；(b)为结构主视图；(c)为结构三维示意图；

图2为本发明的精度极限趋势图；

其中：1-1.第一叉指；1-2.第二叉指；2-1.第一金属电极层；2-2.第二金属电极层；3-1.第一金属质量点振；3-2.第二金属质量点阵；4-1.第一光源输入端的第一光栅耦合器；4-2.第二光源输入端的第二光栅耦合器；5-1.信号输出端的第一光栅耦合器；5-2.信号输出端的第二光栅耦合器；5-3.信号输出端的第三光栅耦合器；5-4.信号输出端的第四光栅耦合器；6.第一光源输入端的输入光波导；7.第二光源输入端的输入光波导；8-1.第一Y型连接结构；8-2.第二Y型连接结构；9-1.第一定向耦合器；9-2.第二定向耦合器；10-1.第三定向耦合器；10-2.第四定向耦合器；11-1.第一谐振环；11-2.第二谐振环；12-1.信号输出端第一光波导；12-2.信号输出端第二光波导；13-1.输出端光波导第三光波导；13-2.输出端光波导第四光波导；14-1.第一相位调制电极1；14-2.第一相位调制电极2；15-1.第二相位调制电极1；15-2.第二相位调制电极2。

具体实施方式

参阅图1，本实施例中的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺所采用的基底材料为铌酸锂晶体—绝缘体(LNOI)，即从上到下依次为铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-铌酸锂晶体层，置于基底上表面的陀螺结构结构包含有声学敏感模块、光学检测模块及相位调制模块三部分，其中声学敏感模块与相位调制模块是通过在LNOI最上薄膜层表面上溅射金属形成，光学检测模块是通过在LNOI最上薄膜层表面刻蚀实现的。

LNOI最上薄膜层厚度为500nm；所述声学敏感模块中，由第一叉指1-1与第二叉指1-2组成的叉指换能器长度、宽度与厚度分别为390μm、380μm、500nm，叉指换能器两侧各有一个用于溅射金属电极层结构，其面积为100μm×100μm，上面溅射有第一金属电极层2-1和第二金属电极层2-2，它们的厚度为300nm；第一金属质量点阵3-1和第二金属质量点阵3-2为边长是230μm的正方形，两个点阵中各均匀排布有49个金属柱，其中第一金属质量点阵3-1由金属柱3-1-01～3-1-49组成，第二金属质量点阵3-2由金属柱3-2-01～3-2-49组成，各金属柱的长度、宽度与厚度分别为1μm、1μm、800nm；所述光学检测模块中，在LNOI最上薄膜层刻蚀深度为300nm以便形成光栅耦合器与光波导，采用第一Y型连接结构8-1与第二Y型连接结构8-2分别将输入光波导6与输入光波导7各分成结构相同的两个分支；波导分支6-1与7-1与第一谐振环11-1连接到一起时采用的第一耦合器9-1为定向耦合器；同样的第二耦合器9-2、第三耦合器10-1及第四耦合器10-2为定向耦合器，从而实现光波导中的光信号耦合进谐振环进行传输或从谐振环耦合出到信号输出端；环形谐振腔11-1与11-2的直径为300μm；所述相位调制模块中，第一相位调制电极14-1和14-2位于光波导分支7-1两侧，第二相位调制电极15-1和15-2位于光波导分支6-2两侧，它们的长度、宽度与厚度分别为50μm、200μm、800nm。

参阅图2为声表面波谐振器的品质因数Q_D、光学谐振腔的品质因数Q_R与陀螺仪精度δΩ的趋势图。在本实施例中不考虑其他参数对陀螺仪精度δΩ的影响，仅研究品质因数Q值对陀螺仪精度δΩ的影响趋势，其中声表面波谐振器的品质因数Q_D的取值范围为10₃～10₅，光学谐振腔的品质因数Q_R的取值范围为10₈～10₁₀。从图中可以看出，随着声表面波谐振器的品质因数Q_D值与光谐振腔的品质因数Q_R值不断增大，系统所得极限分辨率越小，陀螺仪精度越高。从图2中的局部放大图可以看出，当声表面波谐振器的品质因数Q_D达到10₅量级，光谐振腔的品质因数Q_R达到10₁₀量级时所发明的陀螺仪理论精度可以达到0.0187°/h。通过分析可以知道，虽然陀螺仪精度δΩ会受到很多参数的影响，但是本发明所设计的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺在仅考虑品质因数Q值对其的影响时理论精度就已可以近似达到0.01°/h，因此当对其他参数进行优化时有望使得陀螺仪理论精度更高，说明该陀螺仪具有高性能的潜力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，包括基底及置于基底上表面的陀螺结构；

所述基底实现压电、光电及声光效应，所述基底的最上薄膜层具有声光效应，将基底材料受到的机械应变转换为材料折射率的变化；

所述陀螺结构包含有声学敏感模块、光学检测模块及相位调制模块三部分，声学敏感模块位于陀螺仪中间部位，光学检测模块处于声学敏感模块四周，相位调制模块包括两个，分别基于声学敏感模块对称并放置于光学检测模块中两个光波导分支两侧。

2.一种如权利要求1所述的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，声学敏感模块包括在基底的最上薄膜层表面上溅射金属形成的第一叉指1-1与第二叉指1-2组成的叉指换能器；第一叉指1-1侧面结构与第二叉指1-2侧面结构上分别均匀溅射金属电极层，形成第一金属电极层2-1和第二金属电极层2-2；在基底的最上薄膜层表面二次溅射金属形成的用于敏感角速度的第一金属质量点阵3-1和第二金属质量点阵3-2，其中第一金属质量点阵3-1由金属柱3-1-0n～3-1-nn(n＝1、2、3、……)组成，第二金属质量点阵3-2由金属柱3-2-0n～3-2-nn(n＝1、2、3、……)组成。

3.一种如权利要求1所述的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，所述的光学检测模块包括在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一光源输入端的第一光栅耦合器4-1和第二光源输入端的第二光栅耦合器4-2，信号输出端的第一光栅耦合器5-1、第二光栅耦合器5-2、第三光栅耦合器5-3和第四光栅耦合器5-4；在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一光源输入端的输入光波导6、第二光源输入端的输入光波导7、信号输出端第一光波导12-1、第二光波导12-2、第三光波导13-1和第四光波导13-2；及在基底的最上薄膜层表面上刻蚀形成的第一谐振环11-1和第二谐振环11-2。

4.一种如权利要求3所述的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，所述的第一光源输入端的输入光波导6采用耦合器8-1将波导分成结构相同的两个分支，分别为6-1和6-2；第二光源输入端的输入光波导7采用耦合器8-2将波导分成结构相同的两个分支，分别为7-1和7-2；此处耦合器8-1与8-2可以是Y型分支结构或多模干涉耦合结构，它们的作用是将波导分成结构相同的两个分支，使得在两个光波导分支中传输的光信号强度相等；

所述的光波导分支6-1和7-1采用第一耦合器9-1与第一谐振环11-1连接到一起；波导分支6-2和7-2采用第二耦合器9-2与第二谐振环11-2连接到一起；信号输出端第一光波导12-1和第二光波导12-2采用第三耦合器10-1与第一谐振环11-1连接到一起，信号输出端光波导第三光波导13-1和第四光波导13-2采用第四耦合器10-2与第二谐振环11-2连接到一起。

5.一种如权利要求1所述的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，所述相位调制模块包括在基底的最上薄膜层表面上溅射金属形成位于光波导分支7-1两侧的第一相位调制电极14-1和14-2，及位于光波导分支6-2两侧的第二相位调制电极15-1和15-2。

6.一种如权利要求1所述的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，其特征在于，所述基底其从上到下依次为铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-铌酸锂晶体层、铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-石英晶体层或铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-硅晶体层。

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