[发明专利]基于电光效应的单片集成光学加速度计

说明书

本发明公开了一种基于电光效应的单片集成光学加速度计。包括位于封装外壳内的宽谱光源、模斑转换器、马赫曾德干涉仪结构、光电探测器、上电极、下电极、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、弹簧振子结构、静电力反馈模块和制冷片，马赫曾德干涉仪结构由1:2型Y波导、2:1型Y波导构成；宽谱光源的光通过模斑转换器耦合进入1:2型Y波导后被分为两束光，两束光经1:2型Y波导的两个分支端进入2:1型Y波导，最后直接耦合进入耦合进入光电探测器中。本发明相比分立器件而言降低了加速度计传感器的体积，集成度高、精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作、制备工艺简单、易于封装。

技术领域

本发明属于集成光学和惯性传感技术领域，尤其涉及一种基于电光效应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。而采用光学传感的光学加速度计能克服以上缺点，具有精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作等优点。

目前光学加速度计主要分为波长敏感型、光强敏感型、相位敏感型三种。其中波长敏感型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，主要处于实验室阶段。光强敏感型加速度计的精度受到加速度计中光源功率稳定性的影响，精度较低。相位敏感型光学加速度计，主要采用分立的光学器件组成，通过检测相位变化，不受光源功率波动影响，理论精度高，但是其体积大、集成度低，不适于商用。

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，随着微纳光子集成及光学材料的发展，使得高精度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，本发明提供了一种集成度高、精度高、抗电磁干扰、能在恶劣环境下工作、制备工艺简单、易于封装的基于电光效应的光学加速度计。

本发明的光学加速度计采用马赫曾德干涉仪和弹簧振子结构，当受到外界加速度时，下电极位置变化，导致电光效应产生的光学相位发生的变化，通过静电力反馈模块提供的反馈力，使下电极位置回复到初始平衡位置。检测静电力反馈模块的反馈电压来得到外界加速度信息，不受光源光强波动的影响，探测精度高。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括制冷片、静电力反馈模块、硅衬底、二氧化硅缓冲层、下电极、铌酸锂单晶薄膜、宽谱光源、光电探测器、上电极和封装外壳；宽谱光源、模斑转换器、光电探测器、上电极、下电极、铌酸锂单晶薄膜层、二氧化硅缓冲层、硅衬底、静电力反馈模块、制冷片均位于封装外壳内。

静电力反馈模块位于制冷片上表面，硅衬底位于静电力反馈模块上表面；硅衬底中间刻蚀形成弹簧振子结构，弹簧振子结构包括质量块和两根微梁，质量块位于硅衬底中间位置且底部与制冷片不接触，两根微梁的一端对称布置于质量块两侧，两根微梁的另一端与未经刻蚀的硅衬底相连；下电极位于质量块上表面；未经刻蚀的硅衬底上表面覆盖有二氧化硅缓冲层。

二氧化硅缓冲层上表面涂覆有铌酸锂单晶薄膜，铌酸锂单晶薄膜上表面依次刻蚀形成模斑转换器、1:2型Y波导和2:1型Y波导；1:2型Y波导和2:1型Y波导共同构成马赫曾德干涉仪结构；模斑转换器一端与1:2型Y波导的合束端相连，1:2型Y波导的两分支端分别与2:1型Y波导的两分支端相连；铌酸锂单晶薄膜两端分别布置有宽谱光源和光电探测器，宽谱光源与模斑转换器另一端正对并接触，2:1型Y波导的合束端正对光电探测器的光敏面并接触；1:2型Y波导与2:1型Y波导其中一个分支的上端面布置有与下电极位置相对的上电极。