[發明專利]一種單片集成光學加速度計

有效

• 申請號: 201811222619.1
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109470885B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 佘玄;姚俊杰;楊哲;王晨歌;陳侃;舒曉武
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種單片集成光學加速度計。本發明包括寬譜光源、加速度敏感單元、光電探測器、基底、制冷片、封裝外殼，加速度敏感單元集成了模斑轉換器、1:2型Y波導、2:1型Y波導調制器、金屬電極；寬譜光源的光經過模斑轉換器耦合進1:2型Y波導中，實現3dB分光，兩束光經過1:2型Y波導的上下兩個分支后進入2:1型Y波導調制器，最后直接耦合進入光電探測器中。本發明的光學加速度計采用馬赫曾德干涉儀結構，檢測由外界加速度引起的兩干涉臂的相位差，不受光源光強波動的影響，探測精度高，器件單片集成在同一基底上，集成度高，體積小，制作工藝簡單，具有高的可靠性和環境適應性。

技術領域

本發明屬于集成光學和慣性傳感技術領域，尤其涉及一種單片集成光學加速度計。

背景技術

近年來，MEMS加速度計廣泛應用于汽車，航空航天和消費電子。其中基于電容的加速度計制造方式簡單且成熟，使其成為廣泛使用的加速度計之一。然而，基于電容式傳感機制有一些缺點，如卷曲效應，寄生電容和加速引起的小電容變化等。使采用電容式的加速度計精度有限，且不適于強電磁干擾的環境。而采用光學傳感的光學加速度計能克服以上缺點，具有精度高、抗電磁干擾、能在惡劣環境下工作等優點。

目前光學加速度計主要分為波長敏感型、光強敏感型、相位敏感型三種。其中波長敏感型要借助高精度光譜儀進行光波長變化檢測，不適合加速度計的小型化和商用，主要處于實驗室階段。光強敏感型加速度計的精度受到加速度計中光源功率穩定性的影響，精度較低。相位敏感型光學加速度計，主要采用分立的光學器件組成，通過檢測相位變化，不受光源功率波動影響，理論精度高，但是其體積大、集成度低，不適于商用。

隨著慣性技術的發展，應用領域對慣性系統的精度、體積、重量要求越來越高，高精度、集成化、小型化、低成本和高穩定性的光學加速度計的設計成為必然。近年來，隨著微納光子集成及光學材料的發展，使得高精度的單片集成光學加速度計成為可能。

發明內容

為了解決背景技術中的問題，本發明提供一種集成度高、精度高、抗電磁干擾、能在惡劣環境下工作、制備工藝簡單、易于封裝的單片集成光學加速度計。

本發明采用的技術方案是：

本發明包括寬譜光源、加速度敏感單元、光電探測器、基底、制冷片、封裝外殼；寬譜光源、加速度敏感單元、光電探測器、基底、制冷片均位于封裝外殼內，基底位于制冷片上表面，基底上表面沿光路方向依次布置有寬譜光源、加速度敏感單元、光電探測器；

所述加速度敏感單元包括固定塊、第一微梁、第二微梁、主梁、第一質量腿、第二質量腿、質量塊；固定塊與質量塊的側面中部之間通過主梁相連，第一微梁和第二微梁分別對稱布置在主梁兩側，第一質量腿和第二質量腿分別對稱布置在主梁兩側，第一微梁、第二微梁的一端均與固定塊相連，第一微梁、第二微梁的另一端分別與第一質量腿、第二質量腿的一端相連，第一微梁、第二微梁均連接到各自質量腿位于靠近主梁一側的頂部邊緣處的端面，第一質量腿、第二質量腿的另一端均與質量塊固定連接；所述固定塊底部與基底相連，第一微梁、第二微梁、主梁、第一質量腿、第二質量腿、質量塊均未與基底相連，處于懸空狀態；

所述的加速度敏感單元集成有模斑轉換器、1:2型Y波導、2:1型Y波導調制器以及金屬電極；模斑轉換器布置于固定塊靠近寬譜光源一側的頂面邊緣處，1:2型Y波導單獨分支端布置于固定塊頂面內并與模斑轉換器相連，1:2型Y波導的兩個分支端分別經第一、第二微梁延伸到第一、第二質量腿，且1:2型Y波導的兩個分支端均布置于第一、第二微梁、第一、第二質量腿的頂面內；2:1型Y波導調制器單獨分支端布置于質量塊頂面內，2:1型Y波導調制器的兩個分支端分別布置于第一、第二質量腿頂面內；1:2型Y波導的兩分支端分別與2:1型Y波導調制器的兩分支端在第一、第二質量腿處相連；質量塊表面布置有三個金屬電極，其中一個金屬電極在2:1型Y波導調制器的兩分支端之間，另外兩個金屬電極分別在2:1型Y波導調制器的兩分支端的外側；