[发明专利]基于相位检测的单片集成光学加速度计

说明书

本发明公开了一种基于相位检测的单片集成光学加速度计。包括宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、单向隔离器、2:1型和1:2型Y波导、弹簧振子结构、上中下电极、波导反射镜、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、制冷片、磁力反馈模块、封装外壳；弹簧振子结构位于1:2型Y波导的两分支端之间，上电极和下电极位于1:2型Y波导两分支外侧，中电极位于弹簧振子结构的质量块的上表面；光经过模斑转换器耦合进2:1型Y波导后经单向隔离器进入1:2型Y波导实现分光，两束光由波导反射镜反射，耦合进入2:1型Y波导分支后直接耦合进入光电探测器中。本发明探测精度高，体积小，制作工艺简单，具有高的可靠性和环境适应性。

技术领域

本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于相位检测的单片集成光学加速度计。

背景技术

近年来，MEMS加速度计广泛应用于汽车，航空航天和消费电子。其中基于电容的加速度计制造方式简单且成熟，使其成为广泛使用的加速度计之一。然而，基于电容式传感机制有一些缺点，如卷曲效应，寄生电容和加速引起的小电容变化等。使采用电容式的加速度计精度有限，且不适于强电磁干扰的环境。与MEMS加速度传感器相比，采用光学传感的光学加速度计具有更高的精度，且抗电磁干扰能力更强，能在恶劣环境下工作。

根据加速度的测量原理以及光信号的调制方式，光学加速度计主要分为光强敏感型、波长敏感型、相位敏感型三种。光强敏感型加速度计的结构一般比较简单，检测光路也易于实现，但精度受到加速度计中光源功率稳定性的影响，精度较低。波长敏感型加速度计可以排除各种光强起伏引起的干扰，具有很高的可靠性和稳定性，包括光栅式、谐振腔式和光隧穿式等，但检测要借助高精度光谱仪进行光波长变化检测，不适合加速度计的小型化和商用。相位敏感型加速度计以波导中光的相位变化来表示被测物理量，微小的相位变化即可获得较大的干涉光强变化，检测精度高，特别适合要求高性能加速度传感的领域。

随着惯性技术的发展，应用领域对惯性系统的精度、体积、重量要求越来越高，高精度、集成化、小型化、低成本和高稳定性的光学加速度计的设计成为必然。近年来，微纳集成光学技术如新型光学材料、微纳加工技术、光有源无源集成等技术为MOEMS加速度传感器的发展注入了强大动力，使得高精度的基于相位检测的单片集成光学加速度计成为可能。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种基于相位检测的单片集成光学加速度计，结合了新型光学材料和微纳加工技术将器件单片集成在同一硅衬底上，集成度高，体积小，制作工艺简单，具有高的可靠性和环境适应性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括均位于封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、单向隔离器、2:1型Y波导、1:2型Y波导、弹簧振子结构、上电极、中电极、下电极、波导反射镜、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、制冷片和磁力反馈模块。

制冷片、磁力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层由下至上依次层叠，铌酸锂单晶薄膜层上表面通过刻蚀形成2:1型Y波导和1:2型Y波导，2:1型Y波导和1:2型Y波导通过各自的合束端口相连，2:1型Y波导两个分支中其中一个分支经单向隔离器、模斑转换器与宽谱光源相连，2:1型Y波导两个分支中另一个分支与光电探测器相连，1:2型Y波导的两个分支端均与波导反射镜相连。

宽谱光源、模斑转换器、单向隔离器、2:1型Y波导、1:2型Y波导和波导反射镜沿光路方向依次布置，宽谱光源与光电探测器以光路方向为对称轴对称布置；单向隔离器、模斑转换器与宽谱光源均位于二氧化硅缓冲层上表面，制冷片、磁力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层和铌酸锂单晶薄膜层远离宽谱光源的一端均与波导反射镜接触。