CN1278124C - 平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于精密仪器和精密测量领域的平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法，传感器中的探测质量块通过悬臂梁同外框架固定，外层金属膜沉积在光学玻璃板上，光学玻璃板通过螺丝固定在外框架侧面，内层金属膜沉积在探测质量块上，外层金属膜背向内层金属膜，并且中间保持有空气隙。测量方法为：将激光器发射的激光入射到光学玻璃板上的外层金属膜，当满足耦合条件后，光耦合进入由外层金属膜、光学玻璃板、空气隙、内层金属膜构成的光波导结构中，从外层金属膜与空气分界面上反射的光强随着探测质量块与外层金属膜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量探测质量块相对光学玻璃板位置的改变，从而实时测得加速度的大小。

Description

平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种加速度传感器及测量方法，特别是一种平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法。用于精密仪器和精密测量领域。

背景技术

加速度传感器作为惯性器件最早应用于宇航、汽车的导航中，最早实现商品化的产品之一的微加速度传感器的研究开始于八十年代。加速度传感器主要有下面几种类型：电容式、压阻式、压电式、谐振式、温敏式和隧穿式加速度传感器等。压阻式加速度传感器主要采用梁—质量块结构，中间梁上通过离子注入技术形成压敏电阻。当有垂直器件平面方向的加速度时，惯性力将造成探测质量块产生位移，中间梁上产生应力，压敏电阻由于压阻效应而发生变化，通过外电路检测这一变化可感知加速度的大小。压阻式加速度传感器的优点是：动态响应特性好，输出线性度高，成本低，工艺简单。但器件存在较大的温度漂移，另外工艺过程的残余应力亦会对压敏电阻产生影响，严重影响器件的性能。电容式加速度传感器是目前应用最为广泛的一种加速度传感器。经文献检索发现：V.Iafolla等人在《Planetary and Space Science》Vol.49(2001)pp 1609-1617上发表的“Italianspring accelerometer(ISA)a high sensitive accelerometer for“BepiColombo”ESACORNERSTONE”(一项用于BEPICOLOMBO ESA奠基石的高灵敏加速度计：意大利弹簧加速度计ISA，行星和空间科学)一文中，首次提出并实现了将电容式加速度传感器搭载在卫星上，实现空间微重力场的探测。该加速度计机械结构采用的也是梁—质量块结构，作为可动电容极板的探测质量块由两个柔性很高的悬臂梁支撑，并与两边的固定电容极板分别构成差分电容。当加速度计受到一个垂直于电容极板平面的加速度时，探测质量块受惯性力作用引起位移，探测质量块与上下固定电容极板之间的电容间隙将发生变化，通过检测该器件的差分电容改变，即可感知加速度的大小。虽然该电容式加速度传感器具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好，并可通过静电回复力工作在力平衡模式等优点，但是其信号处理电路较复杂，易受周围环境寄生电容的干扰，并且由于电容是一个与极板面积相关的物理量，因此对大都以电容间隙的变化来感测加速度的电容加速度传感器而言，这类传感器的输出存在本质上的非线性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电容式加速度传感器的以上不足，提出一种基于自由空间耦合平面光波导的微重力加速度传感器及测量方法，使其采用光波导对导波层厚度变化异常敏感的特性作为传感手段，利用自由空间耦合方式摆脱了对棱镜耦合器件的要求，大大减小器件的尺寸和制造成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，平面光波导的微重力加速度传感器包括：外框架、探测质量块、悬臂梁、光学玻璃板、外层金属膜、空气隙、内层金属膜，其连接关系为：探测质量块通过悬臂梁同外框架固定，外层金属膜沉积在光学玻璃板上，光学玻璃板通过螺丝固定在外框架的侧面，内层金属膜沉积在探测质量块上，光学玻璃板上的外层金属膜背向探测质量块上的内层金属膜，并且中间保持有空气隙。本发明使用时，固定在光学旋转平台上，光学旋转平台支撑整个传感器。外层金属膜、光学玻璃板、空气隙、内层金属膜构成一个双面金属包覆波导结构。

基于以上的加速度传感器，本发明微重力加速度的测量方法为：将激光器发射的激光入射到沉积在光学玻璃板上的外层金属膜上，当满足耦合条件后，光耦合进入由外层金属膜、光学玻璃板、空气隙、探测质量块上的内层金属膜构成的平面光波导结构中，利用反射光随导波层(外层金属膜和内层金属膜之间的：光学玻璃板和空气隙)厚度的改变而变化极为敏感的特性，从外层金属膜与空气分界面上反射的光强随着外层金属膜与探测质量块上的内层金属膜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，可以得到探测质量块上沉积的内层金属膜相对光学玻璃板上沉积的外层金属膜位置的改变，从而实时测得加速度大小。

以下对本发明方法用步骤作进一步的限定，具体如下：

第一步：加工微重力加速度传感器，选用合适的材料和相应的参数，形成外层金属膜(沉积在光学玻璃板上)—光学玻璃板—空气隙—内层金属膜(沉积在探测质量块上)的双面金属包覆波导结构。外框架、探测质量块、悬臂梁是一体化的结构，通常可选用合金铝等硬度较高的材料，将其加工成探测质量块通过悬臂梁与外框架连接的结构，悬臂梁可通过框架和探测质量块之间线切割方式得到，探测质量块的厚度略小于外框架的厚度(两者厚度相差0.1～1mm)，然后将探测质量块表面利用光学研磨的方法抛光，将厚度为5mm～10mm的光学玻璃板加工成同外框架半径相同的圆形，并也用光学研磨的方法对其表面进行抛光。在抛光后的探测质量块和光学玻璃板上溅射镀膜，金属膜可选用金或银，镀膜的厚度要求严格控制，光学玻璃板表面金属膜的厚度为20～50nm，探测质量块的表面金属膜厚度大于30nm。将镀膜后的光学玻璃板与外框架、探测质量块—悬臂梁等结构组装起来，确保中间空气隙厚度约为0.1mm～1mm的双面包覆金属波导。

第二步：将光波导微重力加速度传感器固定在光学旋转平台的上转盘，并使得外层金属膜层的底面经过旋转平台的中心，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电探测器与加速度传感器等高，并且它们关于加速度传感器中间轴对称。

第三步：选择合适的激光波长、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～890nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到外层金属膜(沉积在光学玻璃板上)，入射角的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式可以根据实际需要旋转偏振片选择TE模或者TM模，通常选择横电波入射，同时调节狭缝使得入射光束的光斑较小。

第四步：当光波导微重力加速度传感器响应外力时，测量从外层金属膜和空气分界面上反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到外界加速度大小。

本发明中，利用衰减全反射导模吸收峰随探测质量块相对外层金属膜的距离变化非常敏感的特点，将激光器入射角选在导模吸收峰的线性区域，利用光电探测器对反射光光强的连续测量，就可以实时得到探测质量块相对外层金属膜的微小位移，从而可以得到外界加速度信号的大小。

与现有技术相比，本发明光直接入射光波导的外层金属膜表面，当外界有加速度信号时，探测质量块将相对框架发生位移从而引起光波导的导波层的厚度改变，当确定激光相对与加速度传感器的外层金属膜以某个固定的角度入射后，此时加速度传感器的工作点就确定了，通过探测自外层金属膜表面反射的光强变化可以知道探测质量块相对与框架的位移，从而可以反演外界加速度信号的大小。本发明结构设计简单，没有电容传感的复杂外部探测电路，可以实现高灵敏度、快速的实时测量，同时保证仪器具有制造工艺简单、易于实现、小型化、便于携带等高技术性能。

附图说明

图1本发明传感器结构示意图(一)

图2本发明传感器结构示意图(二)

图3本发明光学玻璃板及外层金属膜结构示意图(一)

图4本发明光学玻璃板及外层金属膜结构示意图(二)

图5本发明传感器使用时的装配示意图

具体实施方式

如图1到图5所示，本发明传感器包括：外框架1、探测质量块2、悬臂梁3、光学玻璃板4、外层金属膜5、空气隙6、内层金属膜7，其连接关系为：探测质量块2通过悬臂梁3同外框架1固定，外层金属膜5沉积在光学玻璃板4上，光学玻璃板4通过螺丝固定在外框架1的侧面，内层金属膜7沉积在探测质量块2上，光学玻璃板4上的外层金属膜5背向探测质量块2上的内层金属膜7，并且中间保持有空气隙6。

外层金属膜5、光学玻璃板4、空气隙6、内层金属膜7构成一个双面金属包覆波导结构。

本发明传感器使用时，固定在光学旋转平台8上，光学旋转平台8支撑整个传感器。

以下结合本发明方法的内容进一步提供实例：

实施例1：

第一步：制作微重力加速度传感器。探测质量块外径为R＝60.0mm，厚度h＝9.8mm，悬臂梁长b＝0.2mm，悬臂梁的宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间探测质量块与外玻璃板上金属膜表面的间距为d＝0.1mm。在厚度为2mm，折射率为1.5的玻璃板上镀上厚度为30nm的金膜，中间探测质量块上的镀膜厚度大于30nm的金膜。

第二步：将微重力加速度传感器安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导加速度传感器的中间轴对称。

第三步：入射激光的波长为650.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-14.4+i1.2。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射光学玻璃板的入射角约为0.65°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当微重力加速度传感器响应外界加速度时，接收并测量反射激光的光强变化，数据处理得到探测质量块相对外层金属膜的位移变化，实时测量外界加速度大小。

外界加速度幅值(米每秒平方)	质量块位移量(米)	反射光强变化的幅值(百分比)
			1.0×10-72.0×10-73.0×10-74.0×10-75.0×10-7	1.0×10-82.0×10-83.0×10-84.0×10-85.0×10-8	2.9％5.5％9.0％13.7％23.0％

实施例2：

第一步：制作光波导加速度传感器。摆锤外径为R＝60.0mm，厚度h＝9.8mm，悬臂梁长b＝0.2mm，悬臂梁的宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间探测质量块与外玻璃板上金属膜表面的间距为d＝0.1mm。在厚度为2mm，折射率为1.5的玻璃板上镀上厚度为23nm的金膜，中间探测质量块上的镀膜厚度大于30nm的金膜。

第二步：将微重力加速度传感器安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导加速度传感器的中间轴对称。

第三步：入射激光的波长为832.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-31.32+i2.016。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射光学玻璃板的入射角约为1.317°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当微重力加速度传感器响应外界加速度时，接收并测量反射激光的光强，数据处理得到探测质量块相对外层金属膜的位移变化，实时测量外界加速度大小。

外界加速度幅值(米每秒平方)	质量块位移量(米)	反射光强变化的幅值(百分比)
			1.0×10-75.0×10-83.0×10-82.0×10-81.0×10-8	1.0×10-85.0×10-93.0×10-92.0×10-91.0×10-9	6.9％3.25％1.9％1.25％0.6％

实施例3：

第一步：制作光波导加速度传感器。摆锤外径为R＝60.0mm，厚度h＝9.8mm，悬臂梁长b＝0.2mm，悬臂梁的宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间探测质量块与外玻璃板上金属膜表面的间距为d＝0.1mm。在厚度为2mm，折射率为1.5的玻璃板上镀上厚度为20nm的金膜，中间探测质量块上的镀膜厚度大于30nm的金膜。

第二步：将光波导加速度传感器安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导加速度传感器的中间轴对称。

第三步：入射激光的波长为780.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-23.3895+i1.84。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射光学玻璃板的入射角约为0.34°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当光波导加速度传感器响应外界加速度时，接收并测量反射激光的光强，数据处理得到探测质量块相对外层金属膜的位移变化，实时测量外界加速度大小。

外界加速度幅值(米每秒平方)	质量块位移量(米)	反射光强变化的幅值(百分比)
			1.0×10-75.0×10-83.0×10-82.0×10-81.0×10-8	1.0×10-85.0×10-93.0×10-92.0×10-91.0×10-9	3.25％1.6％0.95％0.6％0.3％

Claims (6)

1、一种平面光波导的微重力加速度传感器，包括：外框架(1)、探测质量块(2)、悬臂梁(3)、光学玻璃板(4)、外层金属膜(5)、空气隙(6)、内层金属膜(7)，其结构特征在于，探测质量块(2)通过悬臂梁(3)同外框架(1)固定，外层金属膜(5)沉积在光学玻璃板(4)上，光学玻璃板(4)通过螺丝固定在外框架(1)的侧面，内层金属膜(7)沉积在探测质量块(2)上，光学玻璃板(4)上的外层金属膜(5)背向探测质量块(2)上的内层金属膜(7)，并且两者中间保持有空气隙(6)，该微重力加速度传感器的技术特点是，外层金属膜(5)、光学玻璃板(4)、空气隙(6)、内层金属膜(7)构成一个双面金属包覆波导结构，其中光学玻璃板(4)和空气隙(6)是导波层。

2、根据权利要求1所述的平面光波导的微重力加速度传感器，其特征是，使用时，固定在光学旋转平台(8)上，光学旋转平台(8)支撑整个传感器。

3、根据权利要求1所述的微重力加速度传感器的平面光波导的微重力加速度测量方法，其特征在于，将激光器发射的激光入射到光学玻璃板上的外层金属膜，当满足耦合条件后，光耦合进入由外层金属膜、光学玻璃板、空气隙、探测质量块上的内层金属膜构成的平面光波导结构中，利用反射光随导波层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从外层金属膜与空气分界面上反射的光强随着外层金属膜与探测质量块上的内层金属膜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，得到探测质量块上沉积的内层金属膜相对光学玻璃板沉积的外层金属膜位置的改变，从而实时测得加速度大小。

4、根据权利要求3所述的平面光波导的微重力加速度测量方法，其特征是，以下对所述的方法作进一步的限定：

第一步：选用材料和参数，形成外层金属膜—光学玻璃板—空气隙—内层金属膜的双面金属包覆波导结构，探测质量块结构选用高硬度的材料，将其加工成探测质量块通过悬臂梁与外框架连接的结构，外框架和探测质量块之间通过线切割方式保持一连接悬臂梁，探测质量块的厚度略小于外框架的厚度，然后将探测质量块表面用光学研磨的方法抛光，将光学玻璃板加工成同框架半径相同的圆形，并用光学研磨的方法对其表面进行抛光，在抛光后的探测质量块和光学玻璃板上溅射镀膜，将镀膜后的光学玻璃板同探测质量块组装起来；

第二步：将光波导加速度传感器固定在光学旋转平台的上转盘，并使得光波导加速度传感器的外层金属膜经过旋转平台的中心，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电探测器与光波导加速度传感器等高，并且它们关于光波导加速度传感器的中间轴对称；

第三步：选择激光波长、入射角度以及偏振方法，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到光学玻璃板上，入射角的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式选择TE模或者TM模，通常选择横电波入射，同时调节光学小孔使得入射光束的光斑较小；

第四步：当光波导加速度传感器响应外界加速度信号时，测量从外层金属膜和空气分界面上反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到外界加速度大小。

5、根据权利要求3所述的平面光波导的微重力加速度测量方法，其特征是，传感器的中间导波层为光学玻璃板和空气隙，其中空气隙厚度为0.1mm～1mm。

6、根据权利要求3所述的平面光波导的微重力加速度测量方法，其特征是，激光器的出射激光波长在560nm～890nm范围内。

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