KR20180099452A - 내비게이션 등급 환경에서 사용하기 위한 공진 광학 기계식 가속도계 - Google Patents

내비게이션 등급 환경에서 사용하기 위한 공진 광학 기계식 가속도계 Download PDF

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KR20180099452A
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세르게이 알렉산드로비치 조토브
앤자스 마티아스 카스텐
이젠 린
제이슨 해리스 카프
윌리엄 앨버트 챌레너
애론 제이 노블로치
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제네럴 일렉트릭 컴퍼니
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Abstract

가속기(102)는 제어기(108), 제어기(108)에 작동식으로 결합된 광원(110), 및 광원(110)에 결합되고 광원(110)에 의해 출력된 광을 수신하도록 구성된 분기된 도파관(112)을 포함한다. 분기된 도파관(112)은 제1 도파관 부분(114) 및 제2 도파관 부분(116)을 포함한다. 가속도계(102)는 또한 제어기(108)에 작동식으로 결합되고 제1 도파관 부분(114)으로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 공진기(126), 및 제어기(108)에 작동식으로 결합되고 제2 도파관 부분(116)으로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 공진기(128)를 포함한다. 제1 공진기(126)는 제1 검증 질량(210)을 포함하고, 제2 공진기(128)는 제2 검증 질량(212)을 포함한다.

Description

내비게이션 등급 환경에서 사용하기 위한 공진 광학 기계식 가속도계 {RESONANT OPTO-MECHANICAL ACCELEROMETER FOR USE IN NAVIGATION GRADE ENVIRONMENTS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 2월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/464,626호의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에 그 전체가 참고로 포함된다.
연방 후원 연구 및 개발에 관한 진술
본 발명은 국방 고등 연구 계획국(National Advanced Research Projects Agency)이 수여한 계약 번호 N66001-16-C-4015에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가지고 있다.
본 명세서에 개시된 주제(subject matter)는 공진 광학 기계식 가속도계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내비게이션 등급 환경에서 사용하기 위한 공진 광학 기계식 가속도계에 관한 것이다.
적어도 몇몇 알려진 가속도계가 미세 전자 기계 시스템(micro-electro-mechanical systems, "MEMS") 구조에서 개발되었다. 이들 가속도계 중 일부는 압전 기판 상에 장착된 검증 질량(proof mass)을 포함할 수 있다. 검증 질량이 가속도의 변화를 경험할 때, 검증 질량은 검증 질량의 가속도에 비례하는 출력 전류를 생성하기 위해 압전 기판을 압축한다. 다른 공지된 가속도계는 광 공진기에 결합된 검증 질량이 가속도의 변화를 경험할 때, 압전 기판처럼, 압축된 변형 가능한 광 공진기를 포함할 수 있다.
많은 그러한 가속도계는 약 1μg의 가속도에서 온도 사후 보상(temperature postcompression)의 사용을 통해 표적화 및 관성 응용에 대해 높은 성능을 나타내었으며, 여기서 1 "g"는 지구 표면에서의 중력으로 인한 가속도에 상응하고, 약 9.806m/s2이다. 그러나, 이러한 가속도계는 특정 환경 조건 하에서의 서비스에 적합하지 않을 수 있으며 일부 관성 내비게이션 시스템과 함께 사용하기에 적합한 동적 범위의 동작을 나타내지 않을 수 있다.
일 양태에서, 가속도계가 제공된다. 가속도계는 제어기, 제어기에 작동식으로 결합된 광원, 및 광원에 결합되고 광원에 의해 출력된 광을 수신하도록 구성된 분기된 도파관(bifurcated waveguide)을 포함한다. 분기된 도파관은 제1 도파관 부분 및 제2 도파관 부분을 포함한다. 가속도계는 또한 제어기에 작동식으로 결합되고 제1 도파관 부분으로부터 광을 수신하도록 구성된 제1 공진기, 및 제어기에 작동식으로 결합되고 제2 도파관 부분으로부터 광을 수신하도록 구성된 제2 공진기를 포함한다. 제1 공진기는 제1 검증 질량을 포함하고, 제2 공진기는 제2 검증 질량을 포함한다.
또 다른 양태에서, 가속도계에 사용하기 위한 공진기가 제공된다. 공진기는 기판, 투명 커버 및 기판과 투명 커버 사이에 장착된 검증 질량을 포함한다. 검증 질량은 중심 부분, 제1 스프링, 제1 스프링에 의해 중심 부분에 결합된 제1 부분, 제2 스프링 및 제2 스프링에 의해 중심 부분에 결합된 제2 부분을 포함한다.
또 다른 양태에서, 가속도계가 제공된다. 가속도계는 광원, 광원에 의해 출력된 광을 수신하도록 구성된 광원에 결합된 도파관, 및 공진기를 포함하고, 공진기는 검증 질량을 포함하고 도파관으로부터 광을 수신하도록 구성된다.
본 개시의 이들 및 다른 특징, 양태 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명이 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 유사한 문자는 도면 전반에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다:
도 1은 예시적인 공진 광학 기계식 가속도계의 사시도이다;
도 2는 도 1에 도시된 공진 광학 기계식 가속도계의 예시적인 공진기 쌍의 분해도이다;
도 3은 도 1에 도시된 공진 광학 기계식 가속도계의 예시적인 공진기의 개략도이다.
다른 설명이 없는 한, 본 명세서에 제공된 도면은 본 개시의 실시 예의 특징을 설명하기 위한 것이다. 이러한 특징들은 본 개시의 하나 이상의 실시 예를 포함하는 다양한 시스템들에 적용 가능하다고 믿어진다. 이와 같이, 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예의 실시를 위해 요구되는 당업자에게 알려진 모든 종래의 특징을 포함하는 것을 의미하지 않는다.
하기의 명세서 및 청구범위에서, 다수의 용어가 언급될 것이며, 이는 다음의 의미를 갖는 것으로 정의되어야 한다.
단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백히 다르게 지시하지 않는 한 복수 언급을 포함한다.
"선택적(optional)" 또는 "선택적으로(optionally)"는 추후에 기술된 사건(event) 또는 상황이 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있음을 의미하며, 설명은 사건이 발생하는 경우 및 사건이 발생하지 않는 경우를 포함한다.
본 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 사용되는 근사적 언어(approximating language)는 그것이 관련되어 있는 기본 기능의 변화를 초래하지 않으면서 허용 가능한 정도로 변할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약(about)" 및 "실질적으로(substantially)"와 같은 용어 또는 용어들로 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않아야 한다. 적어도 일부 경우, 근사적 언어는 값을 측정하는 도구의 정밀도와 일치할 수 있다. 여기 및 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐, 범위 제한이 결합 및/또는 상호 교환될 수 있으며, 그러한 범위는 식별될 수 있고, 문맥 또는 언어가 다른 것을 나타내지 않는 한, 그 안에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "프로세서" 및 "컴퓨터" 및 관련 용어, 예를 들어 "프로세싱 디바이스", "컴퓨팅 디바이스" 및 "제어기"는 당업계에서 컴퓨터라 칭하는 집적 회로에만 국한되는 것은 아니고, 대략 마이크로 컨트롤러, 마이크로 컴퓨터, PLC(programmable logic controller), 주문형 집적 회로 및 기타 프로그램 가능한 회로를 지칭하며, 이들 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용된다. 여기에 설명된 실시 예에서, 메모리는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)와 같은 컴퓨터 판독 가능 매체, 및 플래시 메모리와 같은 컴퓨터 판독 가능 비-휘발성 매체를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 대안적으로, 플로피 디스크, CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory), MOD(Magneto-Optical Disk) 및/또는 DVD(Digital Versatile Disk)가 또한 사용될 수도 있다. 또한, 여기에 설명된 실시 예에서, 추가 입력 채널은 마우스 및 키보드와 같은 사용자 인터페이스와 관련된 컴퓨터 주변 장치일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 대안적으로, 예를 들어 스캐너를 포함할 수 있는(이에 국한되지는 않음) 다른 컴퓨터 주변 장치가 또한 사용될 수 있다. 또한, 예시적인 실시 예에서, 추가 출력 채널은 사용자 인터페이스 모니터를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 사용된 "소프트웨어" 및 "펌웨어"라는 용어는 상호 교환 가능하며, 퍼스널 컴퓨터, 워크 스테이션, 클라이언트 및 서버에 의한 실행을 위해 메모리에 저장된 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다.
본 명세서에 사용된 "비-일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 컴퓨터 판독 가능 명령어들, 데이터 구조, 프로그램 모듈 및 서브 모듈, 또는 임의의 디바이스 내의 다른 데이터와 같은, 정보의 단기간 및 장기간 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 임의의 유형의(tangible) 컴퓨터 기반 디바이스를 나타내는 것으로 의도된다. 따라서, 여기에 설명된 방법들은 저장 디바이스 및/또는 메모리 디바이스를 비제한적으로 포함하는 유형의 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 구현된 실행 가능 명령어들로서 인코딩될 수 있다. 그러한 명령어들은 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 여기에 설명된 방법들 중 적어도 일부를 수행하게 한다. 또한, 본 명세서에 사용된 "비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체"라는 용어는 앞으로 개발될 디지털 수단뿐 아니라, 휘발성 및 비휘발성 매체, 및 펌웨어, 물리적 스토리지 및 가상 스토리지, CD-ROM, DVD 및 네트워크 또는 인터넷과 같은 임의의 다른 디지털 소스와 같은 탈착식 및 비탈착식 매체를 비제한적으로 포함하는 비-일시적 컴퓨터 저장 디바이스를 비제한적으로 포함하는 모든 유형의(tangible) 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하지만, 일시적 전파(transitory, propagating) 신호는 유일하게 제외한다.
본 명세서에 사용된 "g-포스(g-force)" 가속도는 가속도계와 같이, 물체를 지지하고 물체가 자유 낙하하는 것을 방지하는 표면에 의한 방향으로 신체에 가해지는 기계적 힘에 의해 야기되는 가속도의 측정치이다. 유사하게, 여기에서 사용된 가속도 측정 단위는 국제 단위계에서 m/s2에 해당하는 "g"로 표현될 수 있다. 따라서, 1 g는 지구 표면의 중력으로 인한 가속도이며, 9.806m/s2와 거의 같다.
본 개시의 실시 예는 공진 광학 기계식 가속도계에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 내비게이션 등급 환경에서 사용하기 위한 공진 광학 기계식 가속도계에 관한 것이다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 내비게이션 등급 환경은 예를 들어 항공기 시스템, 해양 시스템, 지상 시스템 및/또는 미사일 및 기타 탄도 시스템과 같은 군수 시스템과 같은 다양한 내비게이션 시스템과 관련되고/되거나 탑재된 환경을 포함한다. 따라서 내비게이션 등급 환경은 공진 광학 기계식 가속도계를 극한의 환경 조건은 물론 급격히 변동하는 g-포스에 노출시킬 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 공진 광학 기계식 가속도계는 공진기 평면에 수직인 가속도를 측정하도록 구성된 단일 축 가속도계(예를 들어, z-축 가속도계)일 수 있다. 그러나, 공진 광학 기계식 가속도계는 또한 (예를 들어, 가속도계의 배향에 따라) 다른 축들에 대한 가속도를 측정할 수 있으며, 또한 복수의 축에 대한 가속도를 측정할 수 있다(예를 들어, 이 경우 복수의 공진기 및/또는 공진기 쌍이 이용됨).
공진 광학 기계식 가속도계는 레이저, 제1 공진기 및 제2 공진기와 같은 광원을 포함한다. 각 공진기의 공진 주파수는 가속도에 반응하고, 광원은 각 공진기에서 광빔을 비춘다. 공진기는 광을 공진 주파수에 대응하는 주파수로 변조하고, 변조된 광은 대응하는 광 검출기에 의해 각 공진기에서 감지된다. 광 검출기는 이에 응답하여 제1 및 제2 전기 출력 신호를 생성하고, 이들 전기 출력 신호는 온도에 무관한(temperature independent) 가속도 측정치를 생성하는데 사용된다. 더욱 구체적으로, 제1 및 제2 공진기는 온도 드리프트(drift)와 같은 공통 모드 에러에 대한 견고성을 제공하기 위해, 각각 반대 스케일 팩터(scale factor)를 갖는 한 쌍으로서 동작된다. 또한, 각각의 공진기와 관련된 하나 이상의 검증 질량이 동적으로 밸런싱될 수 있고/있거나 변조된 광과 관련된 스케일 팩터가 가속도의 함수로서 증가 또는 감소할 수 있도록 복수의 전극이 각 공진기에 대해 배치된다.
도 1은 예시적인 공진 광학 기계식 가속도계(resonant opto-mechanical accelerometer,"ROMA")(102)의 사시도이다. ROMA(102)는 인쇄 회로 기판(printed circuit board, "PCB")(104)을 포함한다. 제어기(108)는 PCB(104) 상에 장착된다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 제어기(108)는 ROMA(102)의 동작을 조정한다. 예시적인 실시 예에서, 제어기(108)는 하나 이상의 유형의(tangible) 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 메모리에 통신 가능하게 결합된 하나 이상의 프로세서를 포함한다.
광원(110)은 또한 PCB(104) 상에 장착된다. 광원(110)은 단색광의 빔 및/또는 임의의 다른 방사선 빔을 생성할 수 있는 임의의 광원이다. 예시적인 실시 예에서, 광원(110)은 연속파 레이저 및/또는 펄스 동작 레이저와 같은 레이저이다. 광원(110)은 또한, 일부 실시 예에서, 10 밀리와트 내지 50 밀리와트 범위의 출력 전력을 갖는 레이저와 같은 저출력 레이저일 수 있다. 또한, 다양한 실시 예에서, 하나보다 많은 광원이 ROMA(102)로 구현될 수 있다. 광원(110)은 제어기(108)에 작동식으로 결합될 수 있어서, 제어기(108)는 광원(110)의 동작을 위하여 하나 이상의 제어 명령어들 또는 제어 신호를 광원(110)에 제공한다.
광 도파관(112)은 광원(110)에 결합되어, 광 도파관(112)은 광원(110)에 의해 생성된 광빔을 수신하고 안내할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 광 도파관(112)은 두 갈래로 나뉘어, 제1 분기부(branch) 또는 제1 부분 및 제2 분기부 또는 제2 부분으로 분기된다. 광 도파관(112)은 임의의 광 가이드, 임의의 광섬유 도파관 구조, ROMA(102)의 커버 상에 패터닝된 임의의 일체형 도파관 구조(후술함) 등과 같은 광 투과에 적합한 임의의 도파관을 포함한다.
제1 광 검출기(122)는 제1 부분(114)의 제1 출력 커플러(output coupler) 또는 제1 단부(118)에 배치된다. 유사하게, 제2 광 검출기(124)는 제2 부분(116)의 제2 출력 커플러 또는 제2 단부(120)에 배치된다. 제1 단부(118)는 광 도파관(112)의 제1 부분(114) 내에서 진행하는 광빔을 제 1 공진기(126)를 향해 재지향(redirect)하도록 구성된 거울, 프리즘 반사기 또는 격자 커플러(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 단부(120)는 광 도파관(112)의 제2 부분(116) 내에서 진행하는 광빔을 제2 공진기(128)를 향해 재지향하도록 구성된 거울, 프리즘 반사기 또는 격자 커플러(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128)는 PCB(104) 상에 장착되고 공진기 패키지 또는 공진기 쌍을 형성한다. 다른 실시 예에서, 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)는 PCB(104) 상에 장착되지 않으며, PCB(104), 제어기(108) 및/또는 다른 제어 전자 장치와 떨어져서 위치하거나 장착될 수 있다.
제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)가 제어기(108)에 작동식으로 결합되어, 제어기(108)는 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)의 동작을 위하여 하나 이상의 제어 명령어 또는 제어 신호를 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(12)에 제공한다. 예를 들어, 일부 실시 예에서, 제어기(108)는 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)에 하나 이상의 제어 신호를 제공하여, 각 공진기(126 및/또는 128)에 결합된 하나 이상의 전극에 의해 생성된 전압을 제어한다(아래 설명 참조). 유사하게, 다양한 실시 예에서, 제어기(108)는 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)에 하나 이상의 제어 신호를 제공하여 광원(110)의 출력 전력을 제어한다.
또한, ROMA(102)는 공기 및 습기로부터 ROMA(102)를 보호하기에 적합한 환경 엔클로져로서 기능할 수 있는 하우징(106) 내에 둘러싸일 수 있다. 일부 실시 예에서, 하우징(106)은 또한 내열성이며, ROMA(102)가 장착 또는 결합되는 내비게이션 또는 추진 시스템에 의해 발생된 열로부터 ROMA(102)를 보호하는데 적합한 열 차폐물(heat shield)로서 기능한다.
도 2는 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128)의 분해도이다. 도시된 바와 같이, 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128)는 실질적으로 동일하다. 또한 기판(202)과 커버(204) 사이에는 제1 공진기(126)와 제2 공진기(128)가 장착된다. 기판(202)과 커버(204)는 SOI(silicon-on-insulator, "SOI") 웨이퍼와 같은 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 웨이퍼로서 제조된다. 예를 들어, 기판(202) 및 커버(204)는 SOI 웨이퍼 및/또는 플로팅된 보로실리케이트 유리(예를 들어, PYREX) 웨이퍼로서 제조될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 기판(202)은 SOI 웨이퍼로서 제조되고, 커버(204)는 파이렉스(PYREX) 웨이퍼로서 제조된다.
그러나, 다양한 실시 예에서, 커버(204)는 SOI 웨이퍼로서 제조되며, 대략 1300 나노미터의 파장을 갖는 광과 같은 광은 실질적으로 흡수하지 않는다. 그 결과, 커버(204)는 빛을 투과 및 반사시켜, 예를 들어 제1 광빔(206) 및 제2 광빔(208)과 같은 하나 이상의 여기 신호가 커버(204)를 통과할 수 있다. 예를 들어, 1300 나노미터의 파장에서 광은 커버(204)에 의해 20% 반사되고 80%는 투과될 수 있다. 따라서, 커버(204)는 일부 광을 흡수할 수 있지만, 일부 실시 예에서는 흡수가 최소화되어야 한다. 예를 들어, 일부 실시 예에서, 흡수는 10% 미만이다. 커버(204)가 실질적인 양의 광을 반사시키지 않도록 유리와 같은 투명한 재료로 커버(204)를 만들고자 한다면, 별도의 박막층(도시되지 않음)이 커버(204) 상에 증착되어 원하는 반사율을 얻을 수 있다 . 예를 들어, 약 20% 내지 25%의 반사율을 얻기 위해 100 및 250 나노미터 사이의 두께를 갖는 Ta2O5 층이 유리 커버(204) 상에 증착될 수 있다. 따라서, 여기에서 사용된 바와 같이, "투명(transparent)"은 광이 적어도 부분적으로, 그리고 커버(204)를 통해 약간의 감쇠를 가지거나 가지지 않고 투과될 수 있음을 의미한다.
광원(110)에 의한 여기는 진폭 자체 안정화 발진 주파수를 초래할 수 있고 주파수 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 광학 상호 작용은 종래의 품질 요인 및 이득 검출 절충을 분리(decouple)하는 역할을 할 수 있으며, 고 종횡비 에칭 단계에서 미크론 크기의 전극 간격과는 대조적으로 균일하고 큰 간격의 레이아웃을 용이하게 함으로써 디바이스 제조를 단순화할 수 있다. 또한, 여기에 기술된 광학 드라이브 및 판독 특징은 종래의 정전기 MEMS 디바이스에 인가된 AC 및/또는 DC 구동 신호의 결과로서 도입된 에러와 같은 종래의 에러 소스를 감소시키거나 제거할 수 있다.
제1 공진기(126)는 제1 검증 질량(210)을 포함한다. 제1 검증 질량(210)은 제1 장착 둘레(214), 중심 부분(216), 제1 리프(leaf) 또는 제1 부분(218), 제1 스프링(220), 제2 리프 또는 제2 부분(222), 및 제2 스프링(224)을 포함한다. 제1 부분(218)은 제1 스프링(220)에 의해 중심 부분(216)에 결합되고, 제2 부분(222)은 제2 스프링(224)에 의해 중심 부분(216)에 결합된다. 따라서, 제1 공진기(126)는 "튜닝 포크(tuning pork)" 또는 "나비 패턴(butterfly pattern)" 공진기로서 지칭될 수 있다. 일부 실시 예에서, 제1 공진기(126)는 또한 평면 외 선형 진동 발진을 사용하는 다중 빔 광학 기계식 공진기일 수 있다. 보다 일반적으로, 제1 공진기(126)는 임의의 적합한 공진기 기하학적 구조 또는 폼 팩터(form factor)를 포함할 수 있다. 중심 부분(216)은 커버(204)에 가장 가까운 제1 공진기(126)의 표면 상에 증착될 수 있는 제1 반사 및 흡수 표면 또는 코팅(225)을 포함할 수 있다. 제1 공진기(126)가 비-흡수(non-absorbing)인 경우, 제1 반사 코팅(225)은 또한 커버(204)로부터 가장 먼 제1 공진기(126)의 표면에 증착될 수 있다. 그러나, 다양한 실시 예에서, 제1 반사 코팅(225)은 완벽한 반사기일 수 없고, 그 표면에서 빛나는 제1 광빔(206)의 일부가 흡수를 위해 중심 부분(216) 내로 통과할 수 있게 해야 한다.
마찬가지로, 제2 공진기(128)는 제2 검증 질량(212)을 포함한다. 제2 검증 질량(212)은 제1 장착 둘레(226), 중심 부분(228), 제1 리프 또는 제1 부분(230), 제1 스프링(232), 제2 리프 또는 제2 부분(234) 및 제2 스프링(236)을 포함한다. 제1 부분(230)은 제1 스프링(232)에 의해 중심 부분(228)에 결합되고, 제2 부분(234)은 제2 스프링(236)에 의해 중심 부분(228)에 결합된다. 따라서, 제2 공진기(128)는 "튜닝 포크(tuning pork)" 또는 "나비 패턴(butterfly pattern)" 공진기로서 지칭될 수 있다. 중심 부분(228)은 커버(204)에 가장 가까운 제2 공진기(128)의 표면 상에 증착될 수 있는 제2 반사 표면 또는 코팅(237)을 포함할 수 있다. 제2 공진기(126)가 비-흡수(non-absorbing)인 경우, 제2 반사 코팅(237)은 또한 커버(204)로부터 가장 먼 제2 공진기(128)의 표면에 증착될 수 있다. 그러나, 일부 실시 예에서, 제2 반사 코팅(237)은 완벽한 반사기일 수 없고, 그 표면에서 빛나는 제2 광빔(208)의 일부가 흡수를 위해 중심 부분(216) 내로 통과할 수 있게 해야 한다.
제조 중에, 제1 검증 질량(210) 및 제2 검증 질량(212)은 기판(202)과 커버(204) 사이에 본딩(bond)되거나 장착된다. 특히, 제1 검증 질량(210)의 제1 장착 둘레(214)는 기판(202)의 기판 장착 표면(238)과 커버(204)의 커버 장착 표면(240) 사이에 본딩되거나 장착되어, 제1 검증 질량(210)이 기판(202)과 커버(204) 사이에 한정된 제1 공동(cavity)(242) 내에서 기판(202)과 커버(204) 사이에 걸려 있다(suspended). 유사하게, 제2 검증 질량(212)의 제1 장착 둘레(226)는 기판(202)의 기판 장착 표면(238)과 커버(204)의 커버 장착 표면(240) 사이에 본딩되거나 장착되어, 제2 검증 질량(212)이 기판(202)과 커버(204) 사이에 한정된 제2 공동(cavity)(244) 내에서 기판(202)과 커버(204) 사이에 걸려 있다. 제1 공동(242) 및 제2 공동(244)은 밀봉되어 가스 또는 가스 혼합물로 충전(充塡)될 수 있고, 진공하에 밀봉되고/되거나, 가스 또는 가스 혼합물이 디바이스로 유입되거나 디바이스로부터 배출될 수 있는 애퍼처(aperture) 또는 개구(opening)(도시되지 않음)를 포함하도록 제조될 수 있다.
또한, 예시적인 실시 예에서, 제1 전극(246) 및 제2 전극(248)은 기판(202)의 내부 표면(250) 상에 본딩되거나 장착되어서, 제1 전극(246)은 제1 검증 질량(210)의 제1 부분(218)에 실질적으로 근접하거나 그 아래에 배치되고, 제2 전극(248)은 제1 검증 질량(210)의 제2 부분(222)에 실질적으로 근접하거나 그 아래에 배치된다. 또한, 제3 전극(252) 및 제4 전극(254)은 커버(204)의 내부 표면(257) 상에 본딩되거나 장착되어서, 제3 전극(252)은 제2 검증 질량(212)의 제1 부분(230)에 실질적으로 근접하거나 그 아래에 배치되고, 제4 전극(254)은 제2 검증 질량(212)의 제2 부분(234)에 실질적으로 근접하거나 그 아래에 배치된다.
동작시에, 그리고 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 제1 광빔(206)은 광 도파관(112)에 의해 커버(204)를 통해 제1 검증 질량(210)의 중심 부분(216) 상으로 지향되고, 제2 광빔(208)은 광 도파관(112)에 의해 커버(204)를 통해 제2 검증 질량(212)의 중심 부분(228) 상으로 지향된다. 각 검증 질량(210 및 212)은 인가된 가속도(또는 g 포스)의 영향 하에서 (이하 상세히 설명되는 바와 같이) 특정 공진 주파수에서 발진하거나 진동한다.
제1 광빔(206)이 제1 검증 질량(210)의 중심 부분(216)과 접촉함에 따라, 제1 광빔(206)의 반사된 부분(256)은 제1 반사 코팅(225)에 의해 반사되고, 제1 광빔(206)의 흡수된 부분은 중심 부분(216)에 의해 열 에너지로서 흡수된다. 반사된 부분(256)은 제1 검증 질량(210)의 중심 부분(216)으로부터 반사됨에 따라 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수로 변조된다.
이러한 변조는 다양하게 달성될 수 있다. 예를 들어, 제1 공진기(126)와 관련하여, 커버(204)의 표면은, 예를 들어 제1 검증 질량(210)의 중심 부분(216)과 같은 제1 공진기(126)와 같이 일부 광을 반사한다. 이러한 표면들은 길이 L을 가지는 광학 공동(310)을 형성하고, 이들 표면으로부터 반사된 광은, 제1 광 검출기(122)에서 재결합하여, 제1 광 검출기(122)에서의 전체 반사된 광의 세기가 커버(204)와 중심 부분(216) 사이의 광학 공동(310)의 길이 L에 따라 변하게 할 때 간섭한다. 변화는 거리에 따라 주기적이고, 주기는 광학 공동(310) 내의 광의 파장의 절반과 동일하다. 따라서, 공진기(126)가 진동할 때 광학 공동(310)의 길이 L을 변화시킴에 따라, 광 검출기(122)상의 광 세기는 또한 공진기(126)의 진동과 동기적으로 변할 수 있다. 제1 공진기(126)가 진동할 때 제1 광빔(206)의 안팎으로 이동하는 공진기(126)의 일부에 반사 거울(도시되지 않음)을 증착하는 것, 및/또는 제1 광빔(206)이 제1 공진기(126)에 부딪히는 것을 부분적으로 섀도우하거나(shadow) 방지하는 구조를 ROMA(102) 내에 제작하는 것과 같은 다른 기술이 광 검출기(122) 상에 발진 광 세기를 생성하기 위해 또한 사용될 수 있으며, 섀도우 양은 공진기(126)가 진동함에 따라 변할 수 있다. 이러한 변조 기술은 유사한 방식으로 제2 공진기(128)에 적용될 수 있다.
마찬가지로, 제2 광 빔(208)이 제2 검증 질량(212)의 중심 부분(228)과 접촉할 때, 제2 광빔(208)의 반사된 부분(258)은 제2 반사 코팅(237)에 의해 반사되고 제2 광빔(208)의 흡수된 부분은 중심 부분(228)에 의해 열 에너지로서 흡수된다. 반사된 부분(258)은 제2 검증 질량(212)의 중심 부분(228)으로부터 반사됨에 따라 제2 검증 질량(212)의 공진 주파수로 변조된다.
따라서, 반사된 부분들(256 및 258)과 관련된 주파수는, ROMA(102)의 가속도 뿐만 아니라 각각의 검증 질량(210 및 212)의 전기 기계적 강성(stiffness)에 좌우되는 제1 검증 질량(210) 및 제2 검증 질량(212)의 공진 주파수에 각각 대응한다.
반사된 부분(256)이 커버(204)를 통해 다시 반사될 때, 반사된 부분(256)은 제1 광 검출기(122)에 의해 수신된다. 유사하게, 반사된 부분(258)이 커버(204)를 통해 다시 반사될 때, 반사된 부분(258)은 제2 광 검출기(124)에 의해 수신된다. 이에 응답하여, 제1 광 검출기(122)는 수신 반사 부분(256)의 주파수에 비례하는 제1 전기 출력 신호(260)를 생성하고, 제2 광 검출기(124)는 수신 반사 부분(258)의 주파수에 비례하는 제2 전기 출력 신호(262)를 생성한다.
제1 전기 출력 신호(260) 및 제2 전기 출력 신호(262)는 주파수 카운터 또는 위상 동기 루프(phase-locked-loop, "PLL")와 같은 전기 회로(264)로 (예를 들어, 하나 이상의 전기 와이어를 통해) 송신되고, 전기 회로(264)는 제1 전기 출력 신호(260) 및 제2 전기 출력 신호(262)를 분석하고, 분석에 기초하여 공진기(126 및 128)의 발진 주파수와 관련된 디지털 또는 아날로그 신호를 출력하도록 구성되고, 일부 실시 예에서는 공진기(126 및 128)의 온도와 같은 다른 파라미터와 관련된 디지털 또는 아날로그 신호를 출력하도록 구성된다. 공진기(126 및 128)로부터의 디지털 신호는 차례로 아날로그 또는 디지털 전자 장치로 서로 공제(subtract)되어 ROMA(102)에 의해 측정된 가속도를 나타내는 가속 신호(266)를 제공할 수 있다. 구체적으로, 예시적인 실시 예에서, 전기 회로(264)는 제1 전기 출력 신호(260) 및 제2 전기 출력 신호(262) 중 하나를 나머지로부터 공제하도록 구성된다. 2개의 신호들(260 및 262) 사이의 차이는 ROMA(102) 상의 가속도에 대응하고 가속 신호(266)로서 제공된다. 더욱이, 후술하는 바와 같이, 가속 신호(266)는 온도에 독립적이다.
도 3은 (도 1에 도시된) ROMA(102)의 공진기(126)의 개략도이다. 공진기(126)가 도 3과 관련하여 기술되었지만, 동일한 설명이 공진기(128)에 적용된다.
따라서, 공진기(126)는 전술한 요소들 이외에, 캡(cap)(302) 및 윈도우(304)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 도파관(112)은 캡(302) 또는 윈도우(304) 상에 구성된 제1 단부(118)(예를 들어, 출력 커플러)에서 종단한다. 도파관(112)은 SiN 또는 Si 코어 층과 같은 고 굴절률 코어 층(high refractive index core layer)(320)으로 구성될 수 있으며, 이는 위에서 제1 저 굴절률 층(first low index layer)(322)에 의해, 아래에서 제2 저 굴절률 층(second low index layer)(324)에 의해 둘러싸일 수 있다. 제1 저 굴절률 층(322)과 제2 저 굴절률 층(324)은 예를 들어 SiO2로 제조될 수 있다. 도파관(112)은 커버(204)에 직접 부착될 수 있기 때문에, 코어 층(320)과 커버(204) 사이의 클래딩 재료는 코어 층(320)으로부터 커버(204)로의 레이저 광 누설을 실질적으로 방지하기에 충분히 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 제1 저 굴절률 층(322)과 제2 저 굴절률 층은 두께가 약 2미크론일 수 있으며, 이는 일반적으로 코어 층(320)으로부터 커버(204)로의 실질적인 광 누설을 방지하기에 충분하다. 또한, 그리고 다양한 실시 예에서, 제1 광 검출기(122)는 윈도우(304)의 외부 표면(306) 상에 장착된다.
전술한 바와 같이, 제1 공진기(126)의 중심 부분(216)은 광 검출기(122) 쪽으로 광을 부분적으로 반사시키기 위해 양 표면 또는 어느 한 표면 상에 제1 반사 표면 코팅(225)과 같은 반사 표면 코팅을 포함할 수 있고, 따라서 변조된 광 세기를 생성하기 위한 광학 공동(310)을 형성할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 반사된 광의 세기는 약 20%이어야 하지만, 적어도 일부 실시 예에서는 바람직하게는 50% 미만이다. 더욱이, 제1 반사 코팅(225)과 같은 반사 코팅은 상당한 양의 레이저 광을 흡수해서는 안 된다. 예를 들어, 흡수는 일부 실시 예에서는 5% 미만이어야 하고, 다른 실시 예에서는 바람직하게는 1%보다 훨씬 적다.
예시적인 실시 예에서, 광학 공동(310)은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공동이며, 단일의 일정한 전력 광원(예를 들어, 광원(110))을 사용함으로써 광학 자려-발진(self-oscillation) 및 검출을 가능하게 하는 지속적인(standing) 광파 간섭 흡수 및 반사 패턴을 생성하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 광학 공동(310)의 반사율은 제1 공진기(126)의 중심 부분(216)과 커버(204) 사이의 광학 공동(310)의 길이 L에 따라 변하고, 이것은 광 검출기(122)에 의해 측정되는 광학 신호를 생성한다. 예를 들어, 반사된 광의 세기가 큰 경우, 제1 공진기(126)(및/또는 제1 공진기(126) 상의 박막)에 흡수되는 광량은 작고, 그 반대도 마찬가지이다. 따라서, 제1 공진기(126)가 진동할 때, 흡수하는 광 량은 또한 동기적으로 진동한다. 흡수된 광은 제1 공진기(126)의 중심 부분(216)을 가열하고 그 기계적 특성을 변화시킬 수 있다(아래에서 보다 상세히 설명됨).
예를 들어, 인가된 응력의 함수로서 제1 공진기(126)에서의 변형량(amount of strain)을 설명하기 위해 영률(Young's modulus)이 적용될 수 있다. 구체적으로, 영률은 온도에 따라 달라질 수 있고, 따라서, 제1 공진기(126)의 진동에 따라 달라질 수 있다. 영률의 변화는 제1 공진기(126)의 공진 주파수에 직접 영향을 주는 제1 스프링(220) 및 제2 스프링(224)의 강성을 변화시킨다. 또한, 제1 공진기(126)의 치수(dimension)는 제1 공진기(126)의 열팽창 계수 때문에 달라질 수 있다. 예를 들어, 제1 공진기(126)를 가열하면, 제1 공진기(126)가 팽창하여, 결과적으로 제1 공진기(126)는 광학 공동(310)의 길이 L을 구부려 변화시킬 것이다. 제1 공진기(1026)가 고 흡수의 위치에 위치될 때, 적절하게 설계된 ROMA(102)에 의해, 흡수된 광이 제1 공진기(126)를 가열하고, 광학 공동(310)의 길이 L을 변화시킴으로써 더 낮은 흡수 위치로 이동하게 한다. 흡수된 광이 더 적으면, 제1 공진기(126)는 그 후 약간 냉각되어 보다 큰 흡수 위치로 되돌아간다. 이 공정이 자체로 반복되어 제1 공진기(126)가 고유 주파수로 발진하게 된다.
예를 들어, 제1 스프링(220) 및 제2 스프링(224)의 온도가 상승함에 따라, 제1 스프링(220) 및 제2 스프링(224)의 강성이 감소하였기 때문에, 제1 부분(218) 및 제2 부분(222)은 ROMA(102)의 가속의 결과로서 z-축에 대해 증가된 기계적 변위를 겪을 수 있다. 반대로, 제1 스프링(220) 및 제2 스프링(224)의 온도가 감소함에 따라, 제1 스프링(220) 및 제2 스프링(224)의 강성이 감소하였기 때문에, 제1 부분(218) 및 제2 부분(222)은 ROMA(102)의 가속의 결과로서 z-축에 대해 감소된 기계적 변위를 겪을 수 있다. 따라서, 공진기(126)의 온도가 변함에 따라, 제1 검증 질량(210) 및 제2 검증 질량(212)은 증가 및/또는 감소하는 공진 주파수와 함께 z-축에 대해 진동할 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 제1 전압은 제1 전극(246)에 인가될 수 있고, 제2 전압은 제2 전극(248)에 인가될 수 있어서, 온도의 변화를 보상하고/하거나 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(246)에 의해 발생된 전압이 조정됨에 따라, 제1 전극(246)과 제1 검증 질량(210)의 제1 부분(218) 사이의 정전기력은 변화될 수 있어서, 스프링(220)에 의해 중심 부분(216)으로부터 걸려 있는 제1 부분(218)의 전기 기계적 강성은 전압의 대응하는 증가 및 감소에 따라 증가 및 감소한다. 유사하게, 제2 전극(248)에 의해 생성된 전압이 조정됨에 따라, 제2 전극(248)과 제1 검증 질량(210)의 제2 부분(222) 사이의 정전기력은 변화될 수 있어서, 스프링(224)에 의해 중심 부분(216)으로부터 걸려 있는 제2 부분(222)의 전기 기계적 강성은 전압의 대응하는 증가 및 감소에 따라 증가 및 감소한다.
전기 기계적 강성의 이러한 변화는 동작 중에 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수에 영향을 미친다. 예를 들어, 제1 검증 질량(210)의 전기 기계적 강성이 증가함에 따라, 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수 또한 증가할 수 있고, 제1 검증 질량(210)의 전기 기계적 강성이 감소함에 따라, 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수 또한 감소할 수 있다. 따라서, 제1 검증 질량(210)의 전기 기계적 강성 및 차례로 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수를 조정하기 위해, 증가 및/또는 감소하는 전압이 제1 전극(246) 및/또는 제2 전극(248)과 제1 검증 질량(210) 사이에 인가될 수 있다.
또한, 제1 광빔(206)의 반사된 부분(256)이 중심 부분(216)으로부터 반사됨에 따라, 반사된 부분(256)은 광학 공동(310) 내의 z-축을 따라 이동하고 커버(204)의 상부 및 하부 표면으로부터 중심 부분(216) 쪽으로 다시 반사된다. 다시 말하면, 반사된 부분(256)은 광학 공동(310) 내에서 커버의 표면과 중심 부분(216) 사이에서 앞뒤로(back and forth) 튀어 오른다. 이러한 반사된 광의 일부는 (반사된 부분(256)으로서) 광학 공동(310)을 빠져 나와, z-축을 따라 광 검출기(122) 쪽으로 이동하고, 여기에서 전술한 바와 같이 공진기(126)의 공진 주파수에 비례하는 제1 전기 출력 신호(260)로 변환된다.
따라서, ROMA(102)는 제1 광빔(206)의 반사된 부분(256)의 주파수에 부분적으로 기초하여 가속을 검출한다. 그러나, 전술한 바와 같이, 공진기(128) 내에서 동일한 공진 및 검출 프로세스가 발생하며, 제2 광 검출기(124)는 제2 광 빔(208)의 반사된 부분(258)을 제2 전기 출력 신호(262)로 변환한다.
보다 구체적으로, 예시적인 실시 예에서, 제1 공진기(126)의 제1 전극(246)은 제1 검증 질량(210)의 제1 부분(218) 아래에 바이어스 전압을 인가하고, 제1 공진기(126)의 제2 전극(248)은 제1 검증 질량(210)의 제2 부분(222) 아래에 바이어스 전압을 인가한다. (제1 검증 질량(210)이 바이어스 전압의 결과로서 발생하는 정전기력에 의해 끌어당겨지고/지거나 반발(repulse)되기 때문에) 이러한 바이어스 전압은 예를 들어 z-축을 따라 제1 방향(312)으로 제1 검증 질량(210)의 전기 기계적 강성을 증가시킬 수 있어서, 제1 검증 질량(210)은 제1 방향(312) 또는 제2 방향(314) 중 어느 한 방향의 가속도에 응답하여 제1 공진 주파수에서 발진한다.
유사하게, 제2 공진기(128)의 제3 전극(252)은 제2 검증 질량(212)의 제1 부분(230) 위에 바이어스 전압을 인가하고, 제2 공진기(128)의 제4 전극(254)은 제2 검증 질량(212)의 제2 부분(234) 위에 바이어스 전압을 인가한다. (제2 검증 질량(212)이 바이어스 전압의 결과로서 발생하는 정전기력에 의해 끌어당겨지고/지거나 반발되기 때문에) 이러한 바이어스 전압은 예를 들어 z-축을 따라 제2 방향(314)으로 제2 검증 질량(212)의 전기 기계적 강성을 증가시킬 수 있어서, 제2 검증 질량(212)은 제1 방향(312) 또는 제2 방향(314) 중 어느 한 방향의 가속도에 응답하여 제2 공진 주파수에서 발진한다.
이들 대향하는 바이어스 전압의 결과로서, ROMA(102)는 제1 공진기(126)의 공진 주파수가 증가함에 따라 제2 공진기(128)의 공진 주파수가 감소하도록 동작할 수 있다(그리고 그 반대도 가능하다). 또한, 만일 각각의 공진기(126 및 128)에 인가된 바이어스 전압이 실질적으로 동일하다면, 제1 검증 질량(210)의 제1 공진 주파수와 제2 검증 질량(212)의 제2 공진 주파수 사이의 차이는 ROMA(102) 상의 실제 가속도에 대응할 것이다. 예를 들어, 차동 출력 신호(266)는 ROMA(102)의 온도에 영향을 받지 않을 것인데, 왜냐하면, 온도 변동의 결과로서 발생하는 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 변화는 (전술한 바와 같이) 전기 회로(264)에 의해 수행되는 차이 계산에서 상쇄될 것이기 때문이다. 따라서, ROMA(102)는 온도와 무관한 가속도를 검출할 수 있다.
동작 동안 ROMA(102)상의 가속도가 변함에 따라, ROMA(102)의 동적 범위를 개선하기 위해 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128) 중 하나 또는 둘 모두와 관련된 스케일 팩터를 증가 및/또는 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, ROMA(102) 상의 가속도가 증가함에 따라, 제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128) 중 하나 또는 둘 모두와 관련된 스케일 팩터를 증가 및/또는 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 유사하게, ROMA(102) 상의 가속도가 감소함에 따라, 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128) 중 하나 또는 둘 모두와 관련된 스케일 팩터를 증가 및/또는 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
스케일 팩터를 조정하기 위해, 제1 전극(246), 제2 전극(248), 제3 전극(252) 및/또는 제4 전극(254) 중 하나 이상에 의해 생성된 바이어스 전압은 증가 및/또는 감소될 수 있다. 예를 들어, 큰 가속도에서, 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128)의 공진 주파수는 급격하게 변동할 수 있다. 이러한 주파수 불안정성을 수용하기 위해, 제1 검증 질량(210) 및/또는 제2 검증 질량(210)에 인가된 바이어스 전압을 증가 및/또는 감소시키도록 하나 이상의 전극(246, 248, 252 및/또는 254)이 (예를 들어, 제어기(108)에 의해) 제어될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전압이 증가함에 따라, 각 검증 질량(210 및 212)의 공진 주파수가 또한 증가할 수 있다. 따라서, 제1 검증 질량(210) 및 제2 검증 질량(212)의 공진 주파수는 가속도의 증가 및 감소를 수용하도록 확대(scale up) 및 축소(scale down)될 수 있다. 일부 실시 예에서, ROMA(102)는 0g 내지 50,000g 범위의 g 포스를 검출할 수 있다.
제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)는 또한 초기 캘리브레이션 기능의 일부로서 및/또는 동작 중에 동적으로 균형을 이룰 수 있다. 더 구체적으로, 제1 검증 질량(210)의 제1 부분(218) 및 제1 검증 질량(210)의 제2 부분(222)은 (예를 들어, 제조 공정의 불완전성으로 인해) 질량이 약간 다를 수 있다. 마찬가지로, 제2 검증 질량(212)의 제1 부분(230) 및 제2 검증 질량(212)의 제2 부분(234)은 질량이 약간 다를 수 있다. 이러한 작은 질량 편차는 제1 공진기(126) 및 제2 공진기(128)의 공진 주파수가 영향을 받도록 제1 검증 질량(210) 및 제2 검증 질량(212)을 불균형(unbalance)하게 할 수 있다.
제1 공진기(126) 및/또는 제2 공진기(128)의 균형을 이루기 위해, 전술한 바와 같이, 제1 검증 질량(210) 및/또는 제2 검증 질량(212) 중 어느 하나 또는 모두에 하나 이상의 바이어스 전압이 인가될 수 있다. 특히, 제1 전극(246) 및 제2 전극(248)은 제1 검증 질량(210)에 하나 이상의 바이어스 전압을 인가할 수 있고, 제3 전극(252) 및 제4 전극(254)은 제2 검증 질량(212)에 하나 이상의 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
따라서, 공진 광학 기계식 가속도계의 실시 예는 레이저, 제1 공진기 및 제2 공진기와 같은 광원을 포함한다. 각 공진기의 공진 주파수는 가속도에 반응하고, 광원은 각 공진기 상에 광빔을 비춘다. 공진기는 광을 공진 주파수에 대응하는 주파수로 변조하고, 변조된 광은 대응하는 광 검출기에 의해 각 공진기에서 감지된다. 광 검출기는 이에 응답하여 제1 및 제2 전기 출력 신호를 생성하고, 이들 전기 출력 신호는 온도에 무관한 가속도 측정치를 생성하는데 사용된다. 또한, 각각의 공진기와 관련된 하나 이상의 검증 질량이 동적으로 균형이 이루어질 수 있고/있거나 변조된 광과 관련된 스케일 팩터가 가속도의 함수로서 증가되거나 감소되도록, 복수의 전극이 각 공진기에 대해 배치된다.
본 명세서에 기술된 공진 전기-광학 가속도계의 예시적인 기술적 효과는 예를 들어 (a)광학 자기-여자(self-excitation) 및 검출; (b)실시간 동적 공진기 밸런싱; (c)스케일 팩터에 대한 실시간 조정; 및 (d) 온도에 무관한 가속도 측정을 위한 차동 공진기 출력을 포함한다.
공진 광학 기계식 가속도계 및 관련 컴포넌트들의 예시적인 실시 예가 위에서 상세히 기술되었다. 시스템은 본 명세서에 기술된 특정 실시 예에 한정되지 않고, 시스템의 컴포넌트들 및/또는 방법의 단계들이 본 명세서에 기술된 다른 컴포넌트들 및/또는 단계들과 독립적으로 그리고 개별적으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 여기에 설명된 컴포넌트들의 구성은 다른 프로세스와 함께 사용될 수도 있으며, 여기에 설명된 시스템 및 관련 방법으로 실행하는 것으로 제한되지 않는다. 오히려, 예시적인 실시 예는 가속도 측정이 요구되는 많은 응용과 관련하여 구현되고 이용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예의 특정 특징이 일부 도면에 도시되어 있지만 다른 도면에 도시되지는 않을지라도, 이는 단지 편의를 위한 것이다. 본 개시의 원리에 따라, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조되고/되거나 청구될 수 있다.
이 서술된 설명은 예들을 사용하여, 최선의 모드를 포함하는 본 개시의 실시 예를 개시하고, 임의의 디바이스 또는 시스템을 제작 및 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자로 하여금 본 개시를 실시할 수 있게 한다. 본 명세서에 기술된 실시 예의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 발생할 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 청구항들의 문자 언어와 상이한 구조적 요소를 갖는 경우 또는 청구항들의 문자 언어와 실질적이지 않은(insubstantial) 차이를 갖는 균등한 구조 요소를 포함하는 경우, 청구항의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 가속도계(102)로서,
    제어기(108);
    상기 제어기(108)에 작동식으로 결합된 광원(110);
    상기 광원(110)에 결합되고 상기 광원(110)에 의해 출력된 광을 수신하도록 구성되며, 제1 도파관 부분(114)과, 제2 도파관 부분(116)을 포함하는 분기된 도파관(bifurcated waveguide)(112);
    상기 제어기(108)에 작동식으로 결합되고 상기 제1 도파관 부분(114)으로부터 광을 수신하도록 구성되며 제1 검증 질량(proof mass)(210)을 포함하는 제1 공진기(126); 및
    상기 제어기(108)에 작동식으로 결합되고 상기 제2 도파관 부분(116)으로부터 광을 수신하도록 구성되며 제2 검증 질량(212)을 포함하는 제2 공진기(128)
    를 포함하는 가속도계(102).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 검증 질량(210)은:
    중심 부분(216);
    제1 스프링(220);
    상기 제1 스프링(220)에 의해 상기 중심 부분(216)에 결합된 제1 부분(218);
    제2 스프링(224); 및
    상기 제2 스프링(224)에 의해 상기 중심 부분(216)에 결합된 제2 부분(222)
    을 포함하는 것인 가속도계(102).
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 중심 부분(216), 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 제1 부분(218), 및 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 제2 부분(222) 중 적어도 하나에 근접하여 배치된 적어도 하나의 전극(246)을 더 포함하는 가속도계(102).
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극(246)은 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 중심 부분(216), 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 제1 부분(218), 및 상기 제1 검증 질량(210)의 상기 제2 부분(222) 중 적어도 하나와의 사이에 바이어스 전압을 생성하도록 구성되는 것인 가속도계(102).
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 검증 질량(212)은,
    중심 부분(228);
    제1 스프링(232);
    상기 제1 스프링(232)에 의해 상기 중심 부분(228)에 결합된 제1 부분(230);
    제2 스프링(236); 및
    상기 제2 스프링(236)에 의해 상기 중심 부분(228)에 결합된 제2 부분(234)
    을 포함하는 것인 가속도계(102).
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 중심 부분(228), 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 제1 부분(230), 및 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 제2 부분(234) 중 적어도 하나에 근접하여 배치된 적어도 하나의 전극(252)을 더 포함하는 가속도계(102).
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극(252)은 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 중심 부분(228), 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 제1 부분(230), 및 상기 제2 검증 질량(212)의 상기 제2 부분(234) 중 적어도 하나와의 사이에 바이어스 전압을 생성하도록 구성되는 것인 가속도계(102).
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 검증 질량(210)으로부터 반사된 광을 수신하도록 구성된 제1 광 검출기(122)를 더 포함하는 가속도계(102).
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 검증 질량(212)으로부터 반사된 광을 수신하도록 구성된 제2 광 검출기(124)를 더 포함하는 가속도계(102).
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 공진기(126) 위에 배치된 커버(204)를 더 포함하고, 상기 커버(204)와 상기 제1 검증 질량(210)의 중심 부분(216) 사이에 광학 공동(optical cavity)(310)이 형성되며, 상기 중심 부분(216)은 상기 제1 검증 질량(210)의 공진 주파수에서 상기 광학 공동(310) 내에서 발진하도록 구성되는 것인 가속도계(102).
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 도파관 부분(114)으로부터 상기 제1 공진기(126)에 의해 수신된 광은 변조되지 않고, 상기 제1 검증 질량(210)은:
    상기 제1 도파관 부분(114)으로부터 수신된 광을 흡수하고;
    상기 제1 도파관 부분(114)으로부터 수신된 광의 존재 하에서 진동하도록 구성되는 것인 가속도계(102).
  12. 가속도계(102)에서 사용하기 위한 공진기(126)로서,
    기판(202);
    투명 커버(204); 및
    상기 기판(202)과 상기 투명 커버(204) 사이에 장착된 검증 질량(2140)
    을 포함하고, 상기 검증 질량(2140)은:
    중심 부분(216);
    제1 스프링(220);
    상기 제1 스프링(220)에 의해 상기 중심 부분(216)에 결합된 제1 부분(218);
    제2 스프링(224); 및
    상기 제2 스프링(224)에 의해 상기 중심 부분(216)에 결합된 제2 부분(222)
    을 포함하는 것인 공진기(126).
  13. 제12항에 있어서, 광학 공동(310)이 상기 투명 커버(204)와 상기 검증 질량(210) 사이에 형성되는 것인 공진기(126).
  14. 제13항에 있어서, 상기 광학 공동(310)은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 공동을 포함하는 것인 공진기(126).
  15. 가속도계(102)로서,
    광원(110);
    상기 광원(110)에 결합되고 상기 광원(110)에 의해 출력된 광을 수신하도록 구성된 도파관(112); 및
    상기 도파관(112)으로부터 광을 수신하도록 구성되고 검증 질량(210)을 포함하는 공진기(126)
    를 포함하는 가속도계(102).
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