[发明专利]一种基于半球微纳腔机械光学耦合的高精度光机加速度计

说明书

本发明公开了一种基于半球微纳腔机械光学耦合的高精度光机加速度计，包括：上层平面腔硅微结构、中层半球腔硅微结构以及下层布有电极引线的玻璃基底；上层结构通过环形固定锚点的上端键合在中层结构之上，中层结构通过环形固定锚点的下端键合在下层结构之上；上层结构包括微纳光纤、平面腔、上层抗反射涂层、上层平面镜面涂层、绝缘层、反馈电极以及间距调整电极；中层结构包括半球腔质量块、下层抗反射涂层、下层半球形镜面涂层、环形固定锚点以及若干弹性悬臂梁；下层结构包括反馈电极、间距调整电极、信号引线以及玻璃衬底。本发明采用光学信号作为微加速计的测量信号，并采用了半球形的光学微纳腔，灵敏度高、动态范围大。

技术领域

本发明属于微光机电系统和微惯性测量技术领域，涉及一种加速度计，更为具体的说，是涉及一种可用于平面外垂直轴加速度敏感的基于半球微纳腔机械光学耦合的高精度光机加速度计。

背景技术

微光机电系统(MOEMS)是近几年在微机电系统(MEMS)中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统，能够充分发挥三者的综合性能。微光机电系统与常规系统相比，具有体积小、重量轻、与大规模集成电路的制作工艺相兼容，易于大批量生产，成本低等显著优点。同时，传感器、信号处理电路与微执行器的集成，可使微弱信号的放大，校正以及补偿等在同一芯片中进行，不需要经过较长距离的传输，这样可以极大地抑制噪声的干扰，提高输出信号的品质。因此，微光机电技术的应用已经深入到许多不同的应用领域。

加速度计的作用是用来检测其载体的加速度，是一种发展成熟、应用广泛的惯性器件。MOEMS加速度计将微光学技术与微机械加工技术相结合,不仅具有体积小、响应快、可在恶劣环境中工作等优点,还具有很高的测量精度和灵敏度,成为国防军事惯性导航与制导系统中最具应用前景的加速度传感器。

近年来，国内外的研究机构开始对MOEMS加速度计进行了一定的研究。美国加州理工大学的Alexander G.Krause等人开发了一种基于光子晶体纳米微腔的MOEMS加速度计，可以实现对外界输入加速度的敏感。但是，随着对微机械加速度计性能的要求不断提高，对于惯导级高精度(10^-6-10^-9g)的微加速度计的需求愈加迫切，而现有技术中的MOEMS加速度计探测灵敏度较低，尚无法满足需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于半球微纳腔机械光学耦合的高精度光机加速度计，采用半球微纳谐振腔，灵敏度高、动态范围大。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于半球微纳腔机械光学耦合的高精度光机加速度计，包括上层平面腔硅微结构、中层半球腔硅微结构以及下层布有电极引线的玻璃基底；上层结构通过环形固定锚点的上端键合在中层结构之上，中层结构通过环形固定锚点的下端键合在下层结构之上；

上层结构包括微纳光纤、平面腔、上层抗反射涂层、上层平面镜面涂层、绝缘层、反馈电极以及间距调整电极，微纳光纤的出射一端布置于平面腔中心位置的楔形接口处并贯穿整个平面腔，上层抗反射涂层布置在平面腔的上表面的的楔形接口周围，上层平面镜面涂层布置于平面腔下表面的中心位置，绝缘层布置于平面腔下表面上层平面镜面涂层周围，反馈电极和间距调整电极均布置于绝缘层下表面上，相邻反馈电极或者间距调整电极的间隔为90度，各反馈电极通过信号引线相连，各间距调整电极通过信号引线相连；

中层结构包括半球腔质量块、下层抗反射涂层、下层半球形镜面涂层、环形固定锚点以及若干弹性悬臂梁，半球腔质量块布置在环形固定锚点内部中心位置，其上表面中间位置形成半球形凹槽，半球腔质量块上表面通过若干弹性悬臂梁与环形固定锚点上端相连，下表面通过若干弹性悬臂梁与环形固定锚点下端相连；下层半球形镜面涂层布置在半球腔质量块的半球形凹槽内，下层抗反射涂层喷涂在半球腔质量块下表面的中间位置；