[发明专利]基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计

说明书

本发明公开了一种基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计，本发明在铌酸锂单晶薄膜上集成入射单元，用于产生入射光；相位调制反馈单元，用于对入射光波进行调制得到调制光波并进行调频反馈；X轴加速度敏感单元，用于探测X轴输入加速度的大小；Y轴加速度敏感单元，用于探测Y轴输入加速度的大小；Z轴加速度敏感单元，用于探测Z轴输入加速度的大小；采用光子晶体拉链腔结构，同时实现大带宽与高分辨率传感；采用推挽结构实现差分检测，抑制了旁轴加速度带来的干扰；采用微纳波导将光耦合进入微腔的方案，使加速度传感器更稳定，实现三轴加速度传感器的高精度、小型化与高集成。

技术领域

本申请涉及微光机电系统和惯性传感技术领域，具体涉及一种基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计。

背景技术

近年来，随着微电子技术、集成电路技术和微加工技术的日益成熟。MEMS加速度传感器被广泛应用于我们生活的各个领域，例如农业生产、车辆行驶、医疗卫生、航空航天、机器人领域等。然而，传统的MEMS加速度计受到测量原理本身的限制，不能满足高精度和高环境适应性惯性导航领域的要求。MOEMS是利用集成光学与微纳加工技术将微光学与MEMS技术结合的微系统技术。MOEMS加速度计具有抗干扰能力强，适宜于强电磁干扰及强腐姓环境，灵敏度高，体积小重量轻等诸多优点。

根据工作原理的不同，国内外对MOEMS加速度传感器的研究主要有以下几种类型：微结构光栅式加速度计、亚波长谐振式加速度计、光波导式微机械加速度计以及近些年发展的腔光力学式加速度计。在过去的几十年里，腔光力学系统中光-物质的相互作用受到了广泛的关注。腔光力学系统为高精度光学探测提供了新的途径，其利用光来操纵量子区域的机械运动，通过声子与光子间的耦合作用，实现微小运动的高精度光学传感，接近甚至超过标准量子极限。

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趋势。

此外，很多应用需要能同时检测三分量加速度信号的三轴加速度传感器，传统的加速度计多为单矢量测量，需要将多个单轴加速度计组装起来才能构成三轴加速度计，这其中必然导致更大的误差、更大的体积以及更高的成本。

发明内容

本申请实施例的目的是针对现有三轴加速度传感器中的难点，基于铌酸锂(LiNbO3)材料易于集成，优异的电光性能等特点，采用成熟的集成光学与微纳加工技术，提供一种基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计，以解决现有技术中系统集成程度低、测量精度不高、抗干扰能力差的问题。

根据本申请实施例，提供一种基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计，包括：以铌酸锂单晶薄膜为基底的入射单元、相位调制反馈单元、Z轴加速度敏感单元、Y轴加速度敏感单元、X轴加速度敏感单元；

所述的入射单元，用于产生入射激光，将其等功率分成至少五路后输入到相位调制反馈单元；

所述的相位调制反馈单元，用于对入射激光进行调制得到调制信号，通过对激光频率的调制起到闭环反馈的作用；

所述的Z轴加速度敏感单元，用于接收调制信号，探测Z轴输入加速度的大小；

所述的Y轴加速度敏感单元，用于接收调制信号，探测Y轴输入加速度的大小；

所述的X轴加速度敏感单元，用于接收调制信号，探测X轴输入加速度的大小。

进一步地，所述铌酸锂单晶薄膜包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、铌酸锂单晶薄膜层，所述二氧化硅缓冲层位于所述硅衬底上表面，所述铌酸锂单晶薄膜层位于所述二氧化硅缓冲层上表面，铌酸锂单晶薄膜层切向为X切，在铌酸锂单晶薄膜层上通过刻蚀形成脊波导。