CN113884703B - 一种三轴光纤加速度计 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种三轴光纤加速度计，包括：波导入口、波导出口、波导、X轴加速结构、Y轴加速结构以及Z轴加速结构，波导入口、波导出口、波导、X轴加速结构、Y轴加速结构以及Z轴加速结构均设置在基层上；其中，波导的起始端连接波导入口，波导的截止端连接波导出口；X轴加速结构和Z轴加速结构均设置在波导入口、波导以及波导出口围成的“U型”区域内。本申请中的三轴光纤加速度计结构紧凑，只需一根波导单进单出串接传感器，用于检测X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度，即可实现三轴加速度传感。该三轴光纤加速度计极大地简化了封装难度，减小了传感器的尺度，降低了光纤加速度计的制造成本。
Description
技术领域
本申请涉及光学领域和微机电系统领域，具体而言，涉及一种三轴光纤加速度计。
背景技术
近年来，建立在绝缘体上硅(SOI)平台上的光学系统和微机电系统(MEMS)引起了人们极大的兴趣，主要由于其CMOS兼容性，在许多紧凑型系统的设计和大批量制造中具有广阔的应用前景。
在MEMS技术的各类传感器中，基于电容的加速度计由于其简单和直接的制造工艺最受欢迎。然而，这些MEMS器件也显示出一些缺点，如卷曲效应和寄生电容。克服这些缺点的一种方法是使用光学传感技术。一般来说，与电容式传感器相比，这些光学传感器的灵敏度和分辨率更高。
现有的光学传感器中，一种应用最为广泛的是基于光纤传感的传感器。然而，基于光纤传感的加速度计通常需要将3个独立的单轴加速度计通过封装组合起来，这会带来3轴之间正交性的封装装配困难和复杂的光路(通常需要3根或6根光纤)或较大的封装体积。这种对封装有较大的要求并且具有较大的体积严重制约了光纤加速度计的发展。目前商用光纤加速度计的体积往往较大，并且价格在数万元左右，因此通常只会用于特殊EMC环境，而无法体现出光纤传感器无源且长期可靠的优势。
发明内容
本申请的目的是提供一种三轴光纤加速度计，该加速度计只需要一根光纤单进单出串接传感器，实现三轴加速度传感，降低光纤加速度计的体积和制造成本。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请提供一种三轴光纤加速度计，包括：波导入口、波导出口、波导、X轴加速结构、Y轴加速结构以及Z轴加速结构，波导入口、波导出口、波导、X轴加速结构、Y轴加速结构以及Z轴加速结构均设置在基层上；
其中，波导的起始端连接波导入口，波导的截止端连接波导出口；
X轴加速结构和Z轴加速结构均设置在波导入口、波导以及波导出口围成的“U型”区域内。
于一实施例中，Y轴加速结构设置在远离波导入口以及波导出口的一端。
于一实施例中，三轴光纤加速度计还包括：
布拉格光栅，设于靠近波导入口一侧的波导上。
于一实施例中，X轴加速结构包括：
X轴质量块；
第一微环-椭圆盘谐振结构，设于X轴质量块上；以及
至少一个X轴弹簧梁，与X轴质量块连接。
于一实施例中，Y轴加速结构包括：
Y轴质量块；
第二微环-椭圆盘谐振结构，设于Y轴质量块上；以及
至少一个Y轴弹簧梁，与Y轴质量块连接。
于一实施例中，Z轴加速结构包括：
Z轴质量块；
至少一个Z轴弹簧梁，与Z轴质量块连接；以及
第三跑道型谐振结构，第三跑道型谐振结构的其中一条直边分别穿过Z轴弹簧梁和Z轴质量块，将Z轴质量块的部分以及Z轴弹簧梁的部分圈入到第三跑道型谐振结构内。
于一实施例中，第一微环-椭圆盘谐振结构设为两个，且对称设于X轴质量块上。
于一实施例中，第二微环-椭圆盘谐振结构设为两个，且对称设于Y轴质量块上。
于一实施例中，Z轴弹簧梁设为四个，且分别与Z轴质量块的四个边连接。
于一实施例中，Z轴质量块上刻蚀形成多个凹形通孔，四个Z轴弹簧梁均设于Z轴质量块的四个边的正中部。
本申请与现有技术相比的有益效果是：
本申请中的三轴光纤加速度计结构紧凑，只需一根波导单进单出串接传感器，用于检测X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度，即可实现三轴加速度传感。该三轴光纤加速度计极大地简化了封装难度，减小了传感器的尺度，降低了光纤加速度计的制造成本。
本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例示出的三轴光纤加速度计的结构示意图；
图2为本申请一实施例示出的光谱仪调节信号示意图。
图标：
1-三轴光纤加速度计；100-波导入口；200-波导；300-波导出口；400-X轴加速结构；410-X轴质量块；420-第一微环-椭圆盘谐振结构；421-第一微环；422-第一椭圆盘；430-X轴弹簧梁；500-Y轴加速结构；510-Y轴质量块；520-第二微环-椭圆盘谐振结构；521-第二微环；522-第二椭圆盘；530-Y轴弹簧梁；600-Z轴加速结构；610-Z轴质量块；611-凹形通孔；620-Z轴弹簧梁；630-第三跑道型谐振结构；700-基层；800-“U型”区域；900-布拉格光栅。
具体实施方式
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参照图1，其为本申请提供一种三轴光纤加速度计1的结构示意图。一种三轴光纤加速度计1，包括：波导入口100、波导200、波导出口300、X轴加速结构400、Y轴加速结构500以及Z轴加速结构600。波导入口100、波导200、波导出口300、X轴加速结构400、Y轴加速结构500以及Z轴加速结构600均设置在基层700上。本实施例中，基层700可由硅材料制成。波导200优选硅波导。
其中，波导200的起始端连接波导入口100，波导200的截止端连接波导出口300。X轴加速结构400和Z轴加速结构600均设置在波导入口100、波导200以及波导出口300围成的“U型”区域800内。Y轴加速结构500设置在远离波导入口100以及波导出口300的一端。
于一实施例中，三轴光纤加速度计1还包括：布拉格光栅900。布拉格光栅900设于靠近波导入口100一侧的波导200上。布拉格光栅900是光栅栅距均匀一致的一种光纤光栅,反射波长非常小,布拉格光栅900的反射点之间的距离总是相等的。这种光栅包括了无数个可反射特定波长反射点。因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数，所以布拉格光栅900可以被生产为具有不同的布拉格波长，这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅900来反射特定波长的光波。本实施例中，布拉格光栅900具有温度敏感性，可用来测量三轴光纤加速度计1的环境温度。
于一实施例中，X轴加速结构400包括：X轴质量块410、第一微环-椭圆盘谐振结构420以及X轴弹簧梁430；其中，第一微环-椭圆盘谐振结构420包含了第一微环421，以及设置于第一微环421内的第一椭圆盘422，第一微环-椭圆盘谐振结构420设于X轴质量块410上，至少一个X轴弹簧梁430与X轴质量块410连接。本实施例中，第一微环-椭圆盘谐振结构420设为两个，且对称设于X轴质量块410上；X轴弹簧梁430也设为两个，分别连接在X轴质量块410的两端，其中，X轴弹簧梁430优选为弹簧形。
于一实施例中，Y轴加速结构500包括：Y轴质量块510、第二微环-椭圆盘谐振结构520以及Y轴质量块510；其中，第二微环-椭圆盘谐振结构520包含了第二微环521，以及设置于第二微环521内的第二椭圆盘522，第二微环-椭圆盘谐振结构520设于Y轴质量块510上；至少一个Y轴弹簧梁530与Y轴质量块510连接。本实施例中，第二微环-椭圆盘谐振结构520设为两个，且对称设于Y轴质量块510上；Y轴弹簧梁530也设为两个，分别连接在Y轴质量块510的两端，其中，Y轴弹簧梁530优选为弹簧形。
于一实施例中，X轴加速结构400和Y轴加速结构500的整体形态可以一致，在基层700的平面上，两者可互为垂直。
于一实施例中，Z轴加速结构600包括：Z轴质量块610、Z轴弹簧梁620以及第三跑道型谐振结构630；其中，至少一个Z轴弹簧梁620与Z轴质量块610连接；第三跑道型谐振结构630的其中一条直边分别穿过Z轴弹簧梁620和Z轴质量块610，将Z轴质量块610的部分以及Z轴弹簧梁620的部分圈入到第三跑道型谐振结构630内。本实施例中，Z轴弹簧梁620设为四个，且分别与Z轴质量块610的四个边连接。Z轴质量块610上刻蚀形成多个凹形通孔611，四个Z轴弹簧梁620均设于Z轴质量块610的四个边的正中部。第三跑道型谐振结构630为封闭的跑道型环结构。
本申请的三轴光纤加速度计1的工作原理是：宽带光源从波导入口100耦合进入到波导200，经过布拉格光栅900的反射，宽带光源形成窄带滤波，布拉格光栅900将特定波长λ1反射回波导入口100的位置，剩余波长沿着波导200透射过去。窄带滤波继续透射，经过第一微环-椭圆盘谐振结构420，形成限波滤波器，波长λ2被第一微环-椭圆盘谐振结构420吸收滤除，剩余波长继续沿着“U型”波导200透射，经过第二微环-椭圆盘谐振结构520，波长λ3被吸收滤除，剩余波长继续沿着“U型”波导200透射过去。最后经过第三跑道型谐振结构630，波长λ4经过第三跑道型谐振结构630的吸收滤除，剩余波长最终沿着“U型”波导200的截止端进入到波导出口300，经波导出口300传送到解调装置。解调装置可以为光谱仪。
请参照图2，为本申请一实施例示出的光谱仪调节信号示意图。由于从波导入口100进入的是宽带光源，三轴光纤加速度计1的环境温度信息包含在图2所示的透射光谱中，经过光谱仪设备即可调解出信号。图2中横坐标表示波长λ，单位nm，纵坐标T表示透射谱。
结合三轴光纤加速度计1的工作原理可知，在X轴加速结构400，由于X轴质量块410的惯性作用产生平动位移，第一微环-椭圆盘谐振结构420伴随X轴质量块410的运动，会改变第一微环421和第一椭圆盘422之间的距离，从而导致波长λ2的偏移(如图2中波长λ2处的箭头，表示波长λ2的左右偏移)；在Y轴加速结构500中，Y轴质量块510的惯性作用产生平动位移，第二微环-椭圆盘谐振结构520伴随Y轴质量块510，会改变第二微环521和第二椭圆盘522之间的距离，从而导致波长λ3的偏移(如图2中波长λ3处的箭头，表示波长λ3的左右偏移)。对于Z轴加速结构600中，第三跑道型谐振结构630落在Z轴弹簧梁620区域内因为应力产生光弹效应，导致有效折射率改变从而引起波长λ4偏移(如图2中波长λ4处的箭头，表示波长λ4的左右偏移)。而对于具有温度补偿作用的布拉格光栅900，可根据布拉格光栅900的温度敏感性获得波长λ1的偏移(如图2中波长λ1处的箭头，表示波长λ1的左右偏移)。图2中，波长λ2、λ3、λ4的左右偏移量分别表示X方向、Y方向、Z方向这三个方向上不同的波长位移量与每个方向上质量块的加速度之间关系。
由于硅波导200的温度敏感性，可测试不同温度下的三轴光纤加速度计1的信号获得数据表并存储在寄存器中，当实际使用时通过读取当前温度来选取波长偏移量和加速度的对应数据来实现温度补充。
本申请中的三轴光纤加速度计1结构紧凑，只需一根波导200单进单出串接传感器，用于检测X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度，即可实现三轴加速度传感。三轴光纤加速度计1可采用CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺制作；或者，采用MEMS(Microfabrication Process)工艺制作，上述两种工艺制作方法易于批量制造，极大地简化了封装难度，减小了传感器的尺度。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三轴光纤加速度计，其特征在于，包括：波导入口、波导出口、波导、X轴加速结构、Y轴加速结构以及Z轴加速结构，所述波导入口、所述波导出口、所述波导、所述X轴加速结构、所述Y轴加速结构以及所述Z轴加速结构均设置在基层上；
其中，所述波导的起始端连接所述波导入口，所述波导的截止端连接所述波导出口；
所述X轴加速结构和所述Z轴加速结构均设置在所述波导入口、所述波导以及所述波导出口围成的“U型”区域内；
所述Y轴加速结构设置在远离所述波导入口以及所述波导出口的一端；
所述X轴加速结构包括：
X轴质量块；
第一微环-椭圆盘谐振结构，设于所述X轴质量块上；以及
至少一个X轴弹簧梁，与所述X轴质量块连接；
所述Y轴加速结构包括：
Y轴质量块；
第二微环-椭圆盘谐振结构，设于所述Y轴质量块上；以及
至少一个Y轴弹簧梁，与所述Y轴质量块连接；
所述Z轴加速结构包括：
Z轴质量块；
至少一个Z轴弹簧梁，与所述Z轴质量块连接；以及
第三跑道型谐振结构，所述第三跑道型谐振结构的其中一条直边分别穿过所述Z轴弹簧梁和所述Z轴质量块，将所述Z轴质量块的部分以及所述Z轴弹簧梁的部分圈入到所述第三跑道型谐振结构内。
2.根据权利要求1所述的三轴光纤加速度计，其特征在于，还包括：
布拉格光栅，设于靠近所述波导入口一侧的所述波导上。
3.根据权利要求1所述的三轴光纤加速度计，其特征在于，所述第一微环-椭圆盘谐振结构设为两个，且对称设于所述X轴质量块上。
4.根据权利要求1所述的三轴光纤加速度计，其特征在于，第二微环-椭圆盘谐振结构设为两个，且对称设于所述Y轴质量块上。
5.根据权利要求1所述的三轴光纤加速度计，其特征在于，所述Z轴弹簧梁设为四个，且分别与所述Z轴质量块的四个边连接。
6.根据权利要求5所述的三轴光纤加速度计，其特征在于，所述Z轴质量块上刻蚀形成多个凹形通孔，四个所述Z轴弹簧梁均设于所述Z轴质量块的四个边的正中部。
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