[发明专利]一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计

说明书

技术领域

本发明属于集成光学和传感技术领域，特别涉及一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，更确切的说是一种单片集成的高灵敏度的加速度计。

背景技术

加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测试元件。无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计敏感这一特性来测试载体的运动加速度。目前，加速度计以已广泛应用于航空、航海、宇航、地震检测、精确制导和控制。加速度计的种类众多，包括摆式加速度计、挠性加速度计、电磁加速度计、微机电(MEMS)加速度计、光学加速度计等。

光学加速度计具有抗电磁干扰，高灵敏度和高信噪比，稳定性高等众多优点，是近年来加速度计研究领域的主要研究方向之一。光学加速度计的检测原理如下：由于敏感元件(质量块)中的光信号受到被测加速度的调制，经光学回路的透射、反射或干涉后，光探测器接收到的光信号所对应的光学性质如光强、相位或谐振频率发生变化，再送入光电探测器，通过相应的解调技术以获得被测物理量。目前研究较多的光学加速度计主要包括相位调制型和频率(波长)调制型。相位调制型光学加速度计是传感光学元件，如光纤等受惯性力的作用导致传输光相位变化，通过相位变化量检测加速度值。这类加速度计一般采用迈克尔逊、马赫-曾德尔或法罗布-珀罗腔等光学结构，通过检测信号光和参考光干涉后的光强变化检测加速度。其主要的缺点是当两束光信号之间的相位差较小时，光强变化不明显，因此其检测灵敏度不高。频率调制型光学加速度计是在相位调制型的基础上发展而来的，采用具有周期性频率选择功能的特殊器件结构，如光栅、光纤光栅、谐振环等，利用谐振频率和惯性力之间的关系检测加速度，当被测敏感元件由于加速运动而产生惯性力或位移时，引起光路系统谐振频率的位移变化，通过检测谐振频率的水平位移量得到加速度值。由于信号光相位差的微小变化经多光束干涉增强进一步被放大，因此其检测灵敏度更高。但由于环境温度扰动和波导双折射等因素的影响导致的谐振谱线水平位移和不对称分布，会导致器件检测灵敏度明显下降。

从元器件的系统构成来看，目前的光学加速度计的光学敏感器件和传输光路的系统构成主要由光纤、光栅、光纤光栅、反射镜等分立器件组成，器件体积较大，工艺制备成本高，系统稳定性较差。此外，光纤器件对温度变化敏感，光纤器件之间的接头损耗、偏振效应等均会对加速度计的稳定性和检测灵敏度造成明显的影响。

集成光学器件技术的发展为光学传感器提供了新的发展方向，通过微纳精细加工技术，将各种光学元器件集成在同一衬底之上，通过光波导连接各分立的功能器件，即可实现光学传感系统体积的进一步减小。此外，集成光学器件还具有高稳定性、高可靠性、制备工艺简化、可选材料更丰富等众多优点，符合研制高精度光学加速度传感器件的技术需要。最近几年，由有机聚合物材料作为衬底、包层、芯层的全聚合物光波导器件称为热门的研究方向，这种结构的光波导具有温度不敏感的特性，同时，由于器件的衬底为有机聚合物材料，和传统的硅片、石英衬底相比较，有机聚合物材料具有弹性模量更小，对应力、应变的敏感度更高，韧性更强，不易断裂等优点，可应用于研制高精度的力学传感器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种悬臂梁结构的谐振式集成光波导加速度计，采用有机聚合物光波导构成悬臂梁结构，并利用一种全新的波导结构和检测原理，实现一种高精度的单片集成光学加速度计芯片，具有检测精度高、器件体积小、制备工艺简单、易实现批量生产等优点。