CN117091580A - 平面平台上的光机械陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陀螺仪的传感组件和一个包括该传感组件的光‑微机械陀螺仪，该传感组件包括：框架；质量块，可响应于施加在传感组件上的科里奥利力而相对于框架移动；光子晶体腔，包括耦合到质量块的第一光子晶体以及与耦合到框架的第二光子晶体；其中，第一光子晶体和第二光子晶体各自有在其上形成的孔阵列；其中，光子晶体腔可响应科里奥利力而产生光学输出，其中，传感组件可基于光学输出的变化测量科里奥利力。
Description
技术领域
本发明涉及一种陀螺仪的传感组件和一种陀螺仪，例如包含该传感组件的光学-微机械陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是安装在其他设备上的一种装置，用于测量该设备的角速度或方向。陀螺仪可用于各种系统，如摄影机稳定器、陀螺罗盘、方向指示器、导航系统和惯性测量单元。根据工作机制和技术规格的不同，陀螺仪可以划分成不同种类，如机械陀螺仪、光学陀螺仪和微机械陀螺仪。其中，光学陀螺仪包括环形激光陀螺仪(RLG)和光纤陀螺仪(FOG)，具有很高的性能，但其尺寸仍然比较大。除了精度和性能，目前对现代导航系统中的陀螺仪的要求还包括小尺寸、低成本和高功率。当陀螺仪较小时，导航设备能够与迷你化的自导系统兼容，比如无人机，而这种兼容曾被认为是无法实现的。由于其尚可的性能和市场对其的巨大需求，微机械陀螺在过去的几十年里迅速发展。
与传统的机械陀螺仪和光学陀螺仪相比，微机械陀螺仪在规模和成本方面有其独特的优势。一般来说，微机械陀螺仪可以同时满足消费者市场和工业市场的要求，其具有高可靠性，也针对不同的品级具有相应的高性能。在消费者市场，微机械陀螺仪已经装备在许多机器上，如汽车、智能手机和物联网(IoT)设备。在工业市场，大多数具有反馈控制的系统都嵌入了微机械陀螺仪，如机械臂和自动输送机。
微机械陀螺仪使用振动元件测量角速度。所有微机械陀螺仪的机制都是基于科里奥利效应以完成其振动驱动模式和感应模式之间的能量传递。
微机械陀螺仪在市场上取得了巨大的成功，但是它们在性能方面仍面临一些挑战。物联网设备和虚拟空间的高速互动需要高分辨率。而对微机械陀螺仪来说，位移或力的读出是决定其分辨率的重要因素。其主要运行机制为：微机械陀螺仪包含框架以及灵活安装于框架上的质量块，在框架旋转时，微机械陀螺仪通过其感应模式探测质量块受到的科里奥利力。传统的微机械陀螺仪中，位移或力的读出主要基于电容、压电、隧道效应和光学读出方法。基于压电效应的微机械陀螺仪通常拥有较大的动态测量范围，但较难将这类陀螺仪集成到芯片上。此外，基于隧道效应的微机械陀螺仪存在着动态范围窄和制造技术要求高的缺点，其技术要求包括在原子尺度上精确控制小针尖与表面的距离。基于电容法的微机械陀螺仪由于其易于制造、性质稳定和反馈控制简单而被广泛研究开发。然而，电容式微机械陀螺仪又存在寄生电容、卷曲效应和窄带宽等缺点。此外，基于电子的陀螺仪对电磁干扰敏感，从而限制了它们在复杂环境中的应用。
相比之下，光学陀螺仪具有卓越的位移分辨率，抗电磁干扰，也有较高的热稳定性。这些优势有利于开发具有高灵敏度、宽带宽和良好可靠性的光学陀螺仪。然而，传统的光学陀螺仪，如RLG和FOG，无法用于芯片级的集成。
业界正努力改善微机械陀螺仪的光学读出。然而至今该方向的研究成果仅为简单的法布里-珀罗腔或干涉仪，其光学品质因子小，导致其灵敏度较低；因此，需要一个大的质量块作为对低灵敏度的补偿；而大的质量块会导致较低的谐振频率；继而，由于谐振频率低，带宽也受到限制。此外，之前的设计通常需要额外的光纤或自由空间激光器，这阻碍了芯片集成和封装。因此，之前的设计的成本相对较高。
因此，需要一种陀螺仪的传感组件和陀螺仪，例如，包括该传感组件的光学-微机械陀螺仪，该传感组件寻求解决或缓解上述问题中的至少一个。
申请内容
本申请提供了一种陀螺仪的传感组件，该传感组件包括：框架；质量块，可响应于施加在传感组件上的科里奥利力而相对于框架移动；光子晶体腔，包括耦合到质量块的第一光子晶体以及与耦合到框架的第二光子晶体；其中，第一光子晶体和第二光子晶体各自包括在其上形成的孔阵列；其中，光子晶体腔可响应于科里奥利力而产生光学输出，其中，传感组件可基于光学输出测量科里奥利力。
光子晶体腔可以进一步包括处于第一光子晶体和第二光子晶体之间的间隙；所述间隙的间隙大小定义为第一光子晶体和第二光子晶体的两个相对表面之间的距离；光子晶体腔的光学输出通过间隙大小的变化进行调制。
第一光子晶体可与质量块同步移动；并且间隙大小可响应于第一光子晶体的移动而改变。
间隙大小的变化可导致光子晶体腔的边界条件和光学约束参数改变，继而导致光子晶体腔的光学输出被改变。
光子晶体腔可以进一步包括耦合到第一光子晶体和第二光子晶体的第三光子晶体；第三光子晶体位于第一光子晶体和第二光子晶体之间的光子晶体腔的中心位置；第三光子晶体可响应于由第一光子晶体施加的张量而变形。
第三光子晶体的变形可导致第三光子晶体的一个或多个光学特性被改变，继而导致光子晶体腔的光学输出被改变。
优选地，第三光子晶体的尺寸小于第一光子晶体和第二光子晶体的尺寸。
第二光子晶体的一个或多个光学特性可以包括介电常数。
光学输出可以包括光子晶体腔的光学谐振频率。
第一光子晶体和第二光子晶体可以相对于彼此对称地排列。
第一光子晶体和第二光子晶体中的孔阵列可以是周期性排列的孔。
第三光子晶体可包括具有周期性排列的孔阵列。
第一光子晶体可与质量块同步移动；并且第二光子晶体可相对于框架静止。
质量块、第一光子晶体和第二光子晶体可以由氮化硅制成。
质量块、第一光子晶体和第二光子晶体可以由硅制成。
本申请还提供了一种光学-微机械陀螺仪，包括用于探测陀螺仪的感应模式的传感组件，该传感组件包括：框架；质量块，可响应于施加在传感组件上的科里奥利力而相对于框架移动；光子晶体腔，包括耦合到质量块的第一光子晶体以及与耦合到框架的第二光子晶体；其中，第一光子晶体和第二光子晶体各自包括在其上形成的孔阵列；其中，光子晶体腔可响应科里奥利力而产生光学输出，其中，传感组件可基于光学输出测量科里奥利力。
光子晶体腔可以进一步包括处于第一光子晶体和第二光子晶体之间的间隙；所述间隙的间隙大小定义为第一光子晶体和第二光子晶体的两个相对表面之间的距离；光子晶体腔的光学输出通过间隙大小的变化进行调制。
光子晶体腔可以进一步包括耦合到第一光子晶体和第二光子晶体的第三光子晶体；第三光子晶体位于第一光子晶体和第二光子晶体之间的光子晶体腔的中心位置；第三光子晶体可响应于由第一光子晶体施加的张量而变形。
光学-微机械陀螺仪可以进一步包括：芯片；驱动框架；用于悬挂驱动框架的多个纳米系链；用于探测陀螺仪的驱动模式的驱动传感器；用于校准驱动框架的运动的校准传感器；以及，用于为驱动模式提供静电脉冲的驱动电容器。
光学-微机械陀螺仪可以基于由传感组件测量的科里奥利力来测量角速度。
附图说明
通过结合下列的示例性附图，本领域的普通技术人员可以更好地理解本申请的公开内容。
图1为根据本申请一实施例的基于科里奥利效应的陀螺仪的工作原理示意图。
图2为科里奥利力的示意图。
图3(a)和3(b)为根据本申请一实施例的驱动模式(a)和感应模式(b)的示意图。
图4为根据本申请一实施例的陀螺仪的传感组件的示意图。
图5为根据本申请一实施例的具有质量块和弹簧的传感组件的示意图。
图6(a)为根据本申请一实施例的光子晶体传感器的示意图。
图6(b)为根据本申请一实施例的基于移动边界的陀螺仪的传感组件的示意图。
图7为光弹性的示意图。
图8(a)为根据本申请一实施例的光子晶体传感器的示意图。
图8(b)为根据本申请一实施例的基于光弹性的陀螺仪的传感组件的示意图。
图9(a)为根据本申请一实施例的具有基于移动边界的光子晶体的陀螺仪的俯视图。
图9(b)为根据本申请一实施例的具有基于移动边界的光子晶体的陀螺仪的侧视图。
图10为根据本申请一实施例的具有基于光弹性的光子晶体的陀螺仪的俯视图。
具体实施方式
下面将描述本申请的一个或多个具体实施例。这些实施方案只是本申请的技术的例子，不用于限制本申请。此外，为了简明描述这些实施方案，这里可能不会描述实际实施方案的所有特征。应该理解的是，在实际实施方案的开发过程中，开发者可能会作出许多关于该实际实施方案的决定，以实现其具体目标，所述目标可能因不同的实施方案而不同。此外，应该理解的是，这样的开发工作虽然可能是复杂和耗时的，但对于本领域的普通技术人员来说，仍将是设计、制造和生产中的常规工作。
本申请提供了一种基于科里奥利效应和光-机械学的方法，通过使用光子晶体测量陀螺仪(例如，集成于芯片的片上陀螺仪)的感应模式的位移。通过结合光学-机械传感器的高分辨率和宽带宽，以及微机械技术的低成本优势，本申请中的陀螺仪的各种实施方案(例如，片上光学-微机械陀螺仪)可以实现更高的精度。理论上，其精度只受海森堡不确定性原理的限制，可在微米或亚微米级别的光机械器件中实现转导量子极限。
各实施例提供了一种陀螺仪，例如，基于光子晶体的平面片上光学-微机械陀螺仪。各种实施方案提供了一种平面平台上的光学-微机械陀螺仪。本申请的陀螺仪继承了微机械陀螺仪的优点，如低成本、小尺寸、低功耗和灵活配置。本申请的陀螺仪可以克服传统微机械陀螺仪的高噪声密度；这是由于光子晶体腔的超高光学品质因子和出色的光-机械相互作用。此外，通过为陀螺仪精心选择具有强拉应力的材料平台，可以进一步获得出色的机械品质因子本申请的陀螺仪能够进行具有高灵敏度、宽带宽和快速响应的测量，具有不亚于传统光学陀螺仪的性能。
参考图1。图1是本申请一个实施例的基于科里奥利效应的陀螺仪100的工作原理示意图。陀螺仪100包括质量块102和框架104；通过将质量块102装配到框架104中，实现陀螺仪100的两种机械模式的正交解耦。这两种机械模式包括驱动模式106和感应模式108。框架104可以为矩形框架，包含一个外部矩形边界和一个内部矩形边界。框架104的内部矩形的典型尺寸可为约50微米到约1000微米，框架104的外部矩形的典型尺寸可为约70微米到约2000微米。其具体尺寸取决于旋转所需的角速度的测量范围。驱动模式106中，框架104沿陀螺仪的驱动轴摆动以产生动量。感应模式108中，科里奥利力引起沿陀螺仪感应轴振荡110，用于测量旋转。在驱动模式106中，质量块102通过一个或多个弹簧(例如，具有弹簧常数kdrive的弹簧112)与框架104耦合。在感应模式108中，质量块102通过一个或多个弹簧(例如，具有弹簧常数ksense的弹簧114)耦合到框架104。
科里奥利加速度与相应的角速度成比例，是在旋转参考系中观察到的表观加速度。为了更好地理解科里奥利加速度这一概念，请参考图2。图2是根据本申请的一实施例的科里奥利力的示意图。如图2所示，一个质量块m以速度v在空间内运动。如果安装有质量块的外部框架以角速度Ω围绕z轴旋转，质量块m以科里奥利加速度沿y轴运动。科里奥利加速度为：
注意，这里并没有真正的力沿y轴施加到质量块m上。
相应的科里奥利力为：
一旦驱动模式的轴被确定，质量块m沿y轴的位移Δy仅与其角速度成正比，该角速度与位移的关系为：
如公式(3)所示，基于科里奥利力的陀螺仪的灵敏度可以通过匹配谐振频率ωx和ωy，以及提高品质因子Qx/y来优化。
图3为根据本申请一实施例的驱动模式(a)和感应模式(b)的示意图。
如图3(a)所示，驱动模式即包含质量块302的框架300沿着x方向的运动。
如图3(b)所示，感应模式是质量块302沿y方向的运动，由科里奥利力引起。
实施例1
图4为根据本申请的一个实施例中的陀螺仪的传感组件400的示意图。传感组件400包括：框架402；质量块404，可响应于施加到传感组件400的力(例如科里奥利力406)而相对于框架402移动；光子晶体腔408，包括耦合到质量块404的第一光子晶体410以及耦合到框架402的第二光子晶体412。第一光子晶体410和第二光子晶体412各自包括在其上形成的孔阵列414。光子晶体腔408可响应科里奥利力406而产生光学输出或光学信号，而传感组件400可基于光学输出而测量科里奥利力406。在一示例性实施例中，质量块404的科里奥利力406的测量由两个光子晶体构建的光子晶体腔408探测；第一光子晶体410连接到可活动的质量块404，第二光子晶体412锚定在框架402上并且相对框架402保持静止。
在一示例性实施例中，光学输出可包括光子晶体腔408的光学共振频率。第一光子晶体410和第二光子晶体412可以相对于彼此对称地排列。孔阵列414可以为周期性排列的孔阵列。在一示例性实施例中，质量块404、第一光子晶体410、第二光子晶体412可以由氮化硅和/或硅制成。
对质量块的科里奥利力的测量可以基于移动的电介质边界或光弹性。如图5所示，用于探测力(例如科里奥利力)的典型传感器500包括质量块502。当施加一个力504时，质量块502的惯性引起相对位移。
对于基于移动电介质边界的传感组件，光子晶体腔用于将位移转变成光信号，该转变基于边界条件和光约束条件的变化。边界条件与光子晶体腔的光学谐振频率密切相关，而该频率也因为边界的移动而改变。因此，位移可以通过光信号的变化来探测，然后通过校准可以得到质量块受到的科里奥利力。
实施例2
图6(a)是根据本申请的一个实施例的光子晶体传感器600的示意图。
图6(b)是根据本申请的一个实施例的基于移动边界的陀螺仪的传感组件602的示意图。
本实施例提供了基于移动边界的光子晶体传感器600和包括该传感器的陀螺仪的传感组件602。传感组件602包括传感器600、质量块、以及框架614。传感器600即光子晶体腔600。
如图6(a)和图6(b)所示，光子晶体腔600包括两个对称的光子晶体604、606，各自包括周期性排列的孔阵列608。光子晶体腔600包括在第一光子晶体604和第二光子晶体606之间的间隙610。间隙610位于两个对称的光子晶体604、606的几何中心，打破了阵列的周期性并限制了光学模式。第一光子晶体604连接到一个质量块612上，当施加科里奥利力时，它与质量块612一同移动。第二个光子晶体606是固定在框架614上，相对于框架614保持静止。请注意，在图6(b)中，虚线框616表示质量块612以及连接到质量块612的第一光子晶体604的可能的运动方式，箭头618代表光子晶体腔600的上部(即第一光子晶体604)的可能的运动方向。
间隙610的间隙大小被定义为，当光子晶体彼此对称地排列时，第一光子晶体604和第二光子晶体606的两个相对的表面之间的距离。间隙610的大小可以通过光子晶体腔600的上部的运动来改变，以达到定制光子晶体腔600的边界条件和光学约束的效果，并进一步调制光子晶体腔600的光学输出。
换句话说，光子晶体腔600的光学输出可由间隙大小的变化来调制。间隙大小可以响应于第一光子晶体604的移动而改变。间隙大小的变化导致光子晶体腔600的边界条件和光学约束参数改变，继而导致光子晶体腔600的光学输出改变。
在运行过程中，当框架614旋转时，陀螺仪的传感组件602(包括光子晶体腔600、质量块612和框架614)将被施加科里奥利力。因此，通过测量光学输出，可以获得运动的信息，并进一步获得质量块612的位移和其受到的科里奥利力。由于该陀螺仪是基于科里奥利力测量角速度的速率陀螺仪，在施加驱动力并测量感应模式的科里奥利力之后，可以从科里奥利力的值得到角速度。
实施例3
图7为根据本申请的一个实施例的光弹性的示意图。
图8(a)是根据本申请的一个实施例的光子晶体传感器800的示意图。
图8(b)是根据本申请的一个实施例的基于光弹性的陀螺仪的传感组件802的示意图。
本实施例提供了基于光弹性的光子晶体传感器800和包括该传感器800的陀螺仪的传感组件802。
测量质量块的科里奥利力的另一种方法是基于光子晶体腔的光弹性。如图7所示，当张量700被施加到材料702时，它将引起材料(例如光子晶体702)的变形。在图7中，由外力引起的张量700被施加到光子晶体702上，导致其变形并改变其光学特性，如介电常数。在本申请中，光子晶体702被选作传感器是因为它对张量700引起的应变很敏感。它的输出光信号与材料的介电常数密切相关。因此，通过测量输出的光信号，如共振频率的变化，可以得到光子晶体腔内的张量，从中进一步得到科里奥利力。
如图8(b)所示，质量块804，光子晶体腔800，以及框架816构成了基于光弹性的陀螺仪的传感组件802。如图8(a)所示，光子晶体腔800包括一个周期性排列的的孔阵列806，并进一步包括第一光子晶体808、第二光子晶体810、和第三光子晶体812。第三光子晶体812较小，它位于光子晶体腔800的中心，在第一光子晶体808和第二光子晶体810之间。第一光子晶体808和第二光子晶体810是对称的。第一光子晶体808与质量块804相连，在施加科里奥利力814时与质量块804一起移动。第二光子晶体810是固定的，相对于框架816保持静止。
在运行过程中，当框架816旋转时，陀螺仪的传感组件802将被施加科里奥利力。来自第一光子晶体808的上部的力引起张量，该张量被传导到质量块804，并集中在第三光子晶体812中引起变形。这种变形导致第三光子晶体812的光学特性，如介电常数，发生变化。因此，通过探测第三光子晶体812的共振频率的变化，可以得到来自质量块804的张量，从中可以得出施加的力。因此，可以在陀螺仪中应用驱动力来测量感应模式的科里奥利力，从中可以得出角速度。
实施例4
图9(a)是根据本申请的一个实施例的具有基于移动边界的光子晶体传感器的陀螺仪900的俯视图的示意图。陀螺仪(例如光学-微机械陀螺仪900)包括芯片910、多个纳米系链915、框架920、驱动传感器930、感应传感器940、校准传感器950和驱动电容960。
图9(a)中间的大面积板块代表框架920，其由纳米系链915悬挂。在图9(a)中，仅示出了四个纳米系链915，但是在实际实施过程中，纳米系链915的数量可以从几个到几万个不等，这取决于诸如机械品质因子和共振频率等要求。
在一些例子中，框架920相对于与其耦合的质量块941来说更厚。框架920可包括支撑层，如支撑硅层，或带有支撑硅层的埋藏氧化物(BOX)层。厚的框架有助于防止框架920上的张量释放，并增加悬挂在框架内的质量块941的机械品质因子。
对于感应传感器940，其质量块941也由纳米系链悬挂，这些纳米系链较小，安装在框架920的中心。感应传感器940的光子腔942的一部分被连接到质量块941上，该光子腔942的另一部分被牢固地固定在框架920上。感应传感器940的作用是探测陀螺仪900的感应模式的频率和科里奥利力。
类似地，陀螺仪的驱动模式由形成在框架920的左侧和芯片910之间的光子晶体传感器探测；该光子晶体传感器即探测陀螺仪900的驱动模式的驱动传感器930。
还有一个光子晶体传感器被配置在框架920的底部以及从芯片910突出的刚性平台之间，以校准框架920在y轴上的运动；光子晶体传感器即校准驱动框架920的运动的校准传感器950。
驱动电容960在框架920的右侧，为驱动模式提供静电脉冲(在图中放大显示，以便于观察)。
本实施例中的所有传感器都可具有与实施例2中的传感器类似的结构。
图9(b)是根据本申请一实施例的具有基于移动边界的光子晶体传感器的陀螺仪900的部分侧视图。图9(b)以感应传感器为例进行说明。如图9(b)所示，在一个例子中，框架920比质量块941厚。
在一个示例性实施例中，光学-微机械陀螺仪基于由感应传感器测量到的质量块的科里奥利力来测量角速度。
实施例5
图10是根据本申请一实施例的具有基于光弹性的光子晶体的陀螺仪1000的顶视图。图10中的陀螺仪与图9(a)中的陀螺仪不同之处在于，图10中的所有传感器是基于光弹性的光子晶体传感器，并且它们具有与实施例3中的传感器类似的结构。在其他一些实施例中，陀螺仪1000既包括基于光弹性的光子晶体传感器，也包括基于移动边界的光子晶体传感器。
实施例6
本申请还提供一种包括陀螺仪结构的平台。具体而言，该平台包括一个功能层和一个衬底。该功能层包括质量块、一个或多个光子晶体和多个纳米系链，其关系如上述实施例1至5中任何一个所述。
在一个例子中，衬底由硅Si制成，功能层由氮化硅Si3N4制成，从而得到硅上氮化硅平台(SiN-on-Si平台)。为了制造SiN-on-Si平台，可采用湿法刻蚀(使用例如氢氧化钾KOH)或干法刻蚀(使用例如二氟化氙XeF2)来刻蚀掉氮化硅下方的部分硅，从而悬空由氮化硅制成的功能元件(即质量块、光子晶体和纳米系链)。
在一个例子中，该平台是绝缘体上硅平台(SOI平台)，包括底部的支撑硅、中间的埋藏氧化物(BOX)层(简称埋氧层)和顶部硅层。顶部硅层形成功能层。底部的硅层和埋氧层形成衬底。为了制造SOI平台，可通过湿法蚀刻(例如氟化氢HF)或干法蚀刻(例如汽化HF)对埋氧层的一部分进行蚀刻，进而悬空由顶部硅制成的功能元件(即质量块、光子晶体和纳米系链)。
本申请的各种实施方案使用示意图或横截面图进行说明。因此，由于制造技术和/或公差可能不同，形状的变化是可以预期的。因此，本申请的实施方案不应局限于图示区域的特定形状，而应包括由制造偏差等因素导致的其他形状。例如，在图中边缘显示为矩形的区域也可以有圆形或弧形特征。因此，图中的形状是说明性的，并不用于限制区域的实际形状，也用于不限制本申请的范围。
本申请中，关于空间关系的术语(例如，“上”、“下”、“低”、“高”和“上部”、“下部”等)是为了便于描述而使用，以描述一个元素或特征与另一个元素或特征的关系。应该理解的是，除了图中所示的方向外，本申请所用的空间关系术语的意义范围应包括设备在使用和操作期间可能对应的不同朝向。例如，如果图中的设备被旋转，那么被描述为在“下部”的东西可能变成在“上部”。因此，术语“下部”可以同时包括“上部”和“下部”。此外，该设备还可以被以不同角度旋转(例如，旋转90度等)，此时本申请中使用的空间关系也可以相应地变化以涵盖旋转后的设备。
本申请使用的术语“耦合”或“连接”旨在涵盖直接连接或通过一个或多个中间手段连接，除非另有说明。
本申请的部分描述在实际实施中可以是对计算机存储器或电子电路内的数据进行操作的算法和/或功能操作。这些算法描述和/或功能操作通常被信息/数据处理技术领域的熟练人员用于有效描述。“算法”通常与导致所需结果的自我一致的步骤序列有关。算法步骤可以包括对物理量的物理操作，所述物理量包括能够被存储、传输、转移、组合、比较和其他操作的电、磁或光学信号等。
此外，除非特别说明，本领域的技术人员将理解到，在本说明书中，利用诸如“扫描”、“计算”、“确定”、“替换”、“生成”、“初始化”、“输出”等术语的描述指的是，指示处理器/计算机系统或类似的电子电路/设备/部件的动作和过程；上述动作和过程操纵/处理并将所述系统内表示为物理量的一些数据转换为所述系统内以类似方式表示为物理量的其他数据，或转化为其他信息存储、传输或显示设备内以类似方式表示为物理量的其他数据。
本申请还披露了用于执行所述方法的步骤的相关装置/设备。此类装置/设备可以专门为该方法而构建，也可以包括通用计算机/处理器或其他装置，其可以通过存储在存储件中的计算机程序选择性地激活或重新配置。这里的算法和显示与任何特定的计算机或其他装置没有内在联系。可以理解的是，通用的装置/机器可以根据本文的教导被使用于本申请。另外，可能需要建造一个专门的装置/设备来执行该方法步骤。
此外，本申请的部分内容可以涵盖相关的计算机程序，因为本文所述方法的步骤可以通过计算机代码付诸实施。可以理解的是，大量的编程语言和编码都可以用来实现本申请描述的教义。此外，如果适用，计算机程序不限于任何特定的控制流，并且可以使用不同的控制流而不偏离本申请的范围。
此外，如果适用的话，计算机程序的一个或多个步骤可以并行和/或串行地执行。上述计算机程序，如果适用，可以存储在任何计算机可读介质上。所述计算机可读介质可包括存储设备，例如磁盘或光磁盘、存储芯片、或其他适合与阅读器/通用计算机对接的存储设备。在这种情况下，所述计算机可读存储介质为非临时性的。这种存储介质还包括所有计算机可读介质，例如，仅在短时间内和/或仅在有电的情况下存储数据的介质，如寄存器存储器、处理器缓存和随机存取存储器(RAM)等。所述计算机可读介质也可以包括有线介质，如互联网系统中所涉及的，或无线介质，如蓝牙技术中所涉及的。当被加载并在合适的阅读器上执行时，该计算机程序可产生一个能够实现所述方法步骤的装置。
示例实施例也可以作为硬件模块来实现。本申请中，一个“模块”是为与其他组件或模块一起使用而设计的功能硬件单元。例如，模块可以使用数字或分立电子元件来实现，或者可以是整个电子电路的一部分，如特定应用集成电路(ASIC)。本领域的技术人员将理解，示例性实施方案也可以作为硬件和软件模块的组合来实现。
此外，在描述一些实施例时，本申请将方法和/或过程描述为特定的步骤序列。然而，除非另有要求，本申请的范围不应限于所公开的特定步骤序列。其他步骤的顺序也是可能的。此处披露的步骤的特定顺序不应理解为对本申请的限制。除非另有要求，本文所披露的方法和/或过程不应局限于按书面顺序进行的步骤。步骤的顺序可以改变，改变后仍应在本申请的公开范围内。
此外，在本申请的描述中，“基本上”一词应理解为包括但不限于“完全”或“全部”等。此外，诸如“包括”、“包含”等术语都是非限制性的描述性语言，它们可以包括在这些术语之后叙述的元素/成分，也可以包括未明确叙述的其他成分。例如，当使用“包括”时，“包括一个特征”可以涵盖“包括至少一个特征”。此外，诸如“大约”等术语，通常意味着合理的变化，例如公开值+/-5％的变化，或公开值+/-4％的变化，或公开值+/-3％的变化，公开值+/-2％的变化或公开值+/-1％的变化。
此外，在本申请中，某些数值可以以数值范围的形式公开。显示端点的值旨在说明优选范围。该公开的数值范围涵盖并教导所有可能的子范围以及该范围内的单个数值。例如，对1％至5％范围的描述，意在具体公开1％至2％、1％至3％、1％至4％、2％至3％等子范围，以及该范围内的个别数值，如1％、2％、3％、4％和5％。上述具体披露的意图适用于任何深度/广度的范围。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (20)
1.一种陀螺仪的传感组件，其特征在于，所述传感组件包括：
框架；
质量块，响应于施加在所述传感组件上的科里奥利力而相对于所述框架移动；以及
光子晶体腔，其中，所述光子晶体腔包括耦合到所述质量块的第一光子晶体和耦合到所述框架的第二光子晶体；
其中，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体各自包括在其上形成的孔阵列；
其中，所述光子晶体腔响应于所述科里奥利力而产生光学输出；
其中，所述传感组件根据所述光学输出来测量所述科里奥利力。
2.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，
所述光子晶体腔还包括处于所述第一光子晶体和所述第二光子晶体之间的间隙；
所述间隙的间隙大小定义为所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的两个相对表面之间的距离；
所述光子晶体腔的所述光学输出通过所述间隙大小的变化进行调制。
3.根据权利要求2所述的传感组件，其特征在于，
所述第一光子晶体与所述质量块同步移动；
所述间隙大小响应于所述第一光子晶体的移动而改变。
4.根据权利要求2或3所述的传感组件，其特征在于，
所述间隙大小的变化导致所述光子晶体腔的边界条件和光学约束参数的变化，继而导致所述光子晶体腔的所述光学输出被改变。
5.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，
所述光子晶体腔进一步包括与所述第一光子晶体和所述第二光子晶体耦合的第三光子晶体，所述第三光子晶体位于所述第一光子晶体和所述第二光子晶体之间，且位于所述光子晶体腔的中心位置；
所述第三光子晶体响应于所述第一光子晶体施加的张量而变形。
6.根据权利要求5所述的传感组件，其特征在于，
所述第三光子晶体的变形导致所述第三光子晶体的一个或多个光学特性被改变，继而导致所述光子晶体腔的所述光学输出被改变。
7.根据权利要求5所述的传感组件，其特征在于，所述第三光子晶体的尺寸小于所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的尺寸。
8.根据权利要求6或7所述的传感组件，其特征在于，所述第二光子晶体的一个或多个光学特性包括介电常数。
9.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，所述光学输出包括所述光子晶体腔的光学谐振频率。
10.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体相对于彼此对称地排列。
11.根据权利要求1所述的传感组件，其中所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的孔阵列为的周期性排列的孔。
12.根据权利要求5所述的传感组件，其特征在于，所述第三光子晶体包括周期性排列的孔阵列。
13.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，
所述第一光子晶体与所述质量块同步移动；
所述第二光子晶体相对于所述框架静止。
14.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，所述质量块、所述第一光子晶体和所述第二光子晶体由氮化硅制成。
15.根据权利要求1所述的传感组件，其特征在于，所述质量块、所述第一光子晶体和所述第二光子晶体由硅制成的。
16.一种光学-微机械陀螺仪，其特征在于，
所述光学-微机械陀螺仪包括：探测所述光学-微机械陀螺仪的感应模式的传感组件，其中，所述传感组件包括：
框架；
质量块，响应于施加在所述传感组件上的科里奥利力而相对于所述框架移动；以及
光子晶体腔，其中，所述光子晶体腔包括耦合到所述质量块的第一光子晶体和耦合到所述框架的第二光子晶体；
其中，所述第一光子晶体和所述第二光子晶体各自包括在其上形成的孔阵列；
其中，所述光子晶体腔响应于所述科里奥利力的作用产生光学输出；
其中，所述传感组件根据所述光学输出来测量所述科里奥利力。
17.根据权利要求16所述的光学-微机械陀螺仪，其特征在于，
所述光子晶体腔还包括处于所述第一光子晶体和所述第二光子晶体之间的间隙；
所述间隙的间隙大小定义为所述第一光子晶体和所述第二光子晶体的两个相对表面之间的距离；
所述光子晶体腔的所述光学输出通过所述间隙大小的变化进行调制。
18.根据权利要求16所述的光学-微机械陀螺仪，其特征在于，
所述光子晶体腔进一步包括与所述第一光子晶体和所述第二光子晶体耦合的第三光子晶体，所述第三光子晶体位于所述第一光子晶体和所述第二光子晶体之间，且位于所述光子晶体腔的中心位置；
所述第三光子晶体响应于所述第一光子晶体施加的张量而变形。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的光学-微机械陀螺仪，其特征在于，所述光学-微机械陀螺仪还包括：
芯片；
驱动框架；
多个纳米系链，用于悬挂所述驱动框架；
驱动传感器，用于探测所述光学-微机械陀螺仪的驱动模式；
校准传感器，用于校准所述驱动框架的运动；以及
驱动电容器，用于为所述驱动模式提供静电脉冲。
20.根据权利要求16所述的光学-微机械陀螺仪，其特征在于，所述光-微机械陀螺仪基于由所述传感组件测量的所述科里奥利力来测量角速度。
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