CN105319394B - 一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于共振光隧穿效应原理制作的角加速度检测器及检测方法；提出了一种利用共振光隧穿效应原理上高分辨率的特点，测量角加速度的新型结构的角加速度检测器；所采用的技术方案为：一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，包括环形固定框、弹性悬臂梁和质量块，可调光源和光电探测器，利用共振光隧穿效应对质量块微弱移量的变化将会引起透射强度T大的变化量进行检测，以监测到的光透射强度的变化获得角度变化量大小，实现对微角度变化量的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及角加速度检测器，具体涉及基于共振光隧穿效应原理制作的角加速度检测器及检测方法。
背景技术
目前，角加速度计是用于测量运动物体角加速度的惯性传感器，现已应用于诸多方面，例如用于汽车的翻车预警检测装置以保护乘客安全、检测飞机的飞行状态、以及机器人设计等。在微电子机械***(MEMS)技术高速发展条件下，微机械陀螺仪正朝着低功耗、易集成、微型化，高灵敏度，低成本等方向发展。但由于微机械理论与技术不完善，微机械陀螺仪仍属于中低精度的惯性传感器。其中由环境温度引起的漂移误差、加工精度成为制约微机械陀螺仪发展的关键因素。在光学技术不断进步下，采用光学方法测量角加速度已经切实可行，如光纤陀螺仪。光纤陀螺仪利用Sagnac效应，根据光路内相向传播的两列光波产生的光程差与旋转角速率的内在联系确定旋转角速率。与微机械陀螺仪相比，光纤陀螺仪因其耐冲击、使用寿命长、可瞬启、检测灵敏度高、动态量程范围大等优点而应用于更多领域。但光纤陀螺仪的核心部件光纤环，因在不同温度下受到的热应力不同，对光纤陀螺仪的温度性能影响很大，从而使角加速度的准确性测量受限。
微机械陀螺仪设计的基本思想是利用科氏力现象，而光纤陀螺仪是利用Sagnac效应测量角速率。与其不同，本发明提出角加速度检测方法的基本实现思想是利用共振光隧穿效应，通过检测质量块因角加速度引起的角度变化来获得角加速度的大小和方向，实现高精度测量角加速度。共振光隧穿效应以光学隧穿效应(受抑全内反射)为基础。光学隧穿效应指光线由高折射率介质层界面照射到低折射率介质层界面时，在低折射率介质层厚度小于入射光波长条件下，光线将穿过全反射发生的界面，即穿过经典几何光学中光线不能穿过的“壁垒”，形成透射(隧穿光线)。共振光隧穿效应指入射光线在入射角大于临界角后，低折射率介质层厚度可在大于入射光波长情况下，入射光线在微米或者纳米光学腔中形成共振效应。在共振光隧穿效应中，***的透射强度对入射光源的入射角度变化非常敏感，利用此条件来测量角加速度可以极大地提高角加速度的灵敏度检测及准确性测量。同时，本发明所设计器件可用标准硅工艺进行加工，可提高其生产效率，并降低成本。同时，本发明所设计器件可用标准硅工艺进行加工，可提高其生产效率，并降低成本。
发明内容
本发明提出了一种利用共振光隧穿效应原理上高分辨率的特点，测量角加速度的新型加速度检测器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，包括环形固定框、弹性悬臂梁和质量块，
所述质量块由折射单元、连接单元和共振单元组成，折射单元和连接单元的数量均为两个，共振单元和两个连接单元连接组成工字形结构，两个连接单元为工字形结构的两条平行梁，两个折射单元的方形面相对并通过该工字形结构连接，共振单元与折射单元的方形面平行；折射单元、连接单元和共振单元之间构成两个空隙为两个隧穿层；所述两个折射单元的外轮廓的曲线属于同一个圆；
所述弹性悬臂梁有四个，四个弹性悬臂梁成十字分布，一端分别连接在两个折射单元的弧形面中央和两个连接单元的外侧中央，另一端固定在环形固定框的内壁上；并且静止状态下质量块的重心与环形固定框的重心重合；
所述环形固定框上还固定有光源和光电探测器；所述光源和光电探测器的固定位置及角度需要满足的条件为：光源发射的光线经一个折射单元的曲面折射后，在该折射单元的平面上以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式进入谐振腔，在其中共振后，再经过另一折射单元被光电探测器接收。
所述环形固定框内部通过弹性悬臂梁将质量块连接，环形固定框的框架上固定有光源和光电探测器；整个检测器在通过环形固定框进行安装。
虽然连接单元的作用仅是连接折射单元和共振单元，并与二者共同构成两个隧穿层，连接单元的外侧轮廓的形状对质量块的功能无影响，但是由于质量块是采用一片圆形的硅片刻蚀而成，为了减少刻蚀的工作量，连接单元的外侧轮廓曲线与折射单元的外侧轮廓曲线优选组成如图1和图3所示的圆。
所用弹性悬臂梁结构参考图1，所用弹性梁共4根，分别设置于外边框与所用质量块之间的间隔空间内，作用是连接环形固定框和质量块，使质量块可以在固定框围成的空间内自由转动，并在静止状态准确复位；在检测器以一旋转轴为轴(垂直于下述XY平面，也是质量块的圆心)转动时，质量块在弹性梁支持下，在图1平面内相对外框旋转，并在角加速度作用之后，支撑质量块位置复原。
所述固定框上还固定有光源和光电探测器；所述光源和光电探测器的固定位置及角度需要满足的条件为：光源发射的光线经上折射单元的曲面折射后，在该折射单元的隧穿层上方形表面以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式进入谐振腔(即共振单元)，并在其中形成共振现象，然后再经过另一折射单元，被光电探测器接收。
所述固定框内部通过弹性悬臂梁将质量块连接，固定框的框架上固定有光源和光电探测器；整个检测器在通过固定框进行安装。
光源选择光谱分布可调的光源，可以选择单色光源。光源发出的光线在到达质量块前，通过偏振片控制为P或S偏振光，但不应改变光线的相对入射方向。
光电探测器的作用是接收来自质量块的透射光线并检测光强，并将检测到的光强和其对应的时间记录并传输到单片机进行数据处理。
由于本发明基于共振光隧穿效应，所用质量块尺寸控制在微米级别，质量块的结构参考附图3。所述质量块可拆分为两相同折射单元、共振单元和两个连接单元。质量块的两折射单元对称设置，其形成的共振单元宽度为gλ且两谐振腔(隧穿层)的宽度均为dλ。所述质量块制作材料选择硅，其折射率为nsi＝3.42(适用于红外入射光)，采用一体成型的标准硅工艺完成，包括以下步骤：
S1：选取硅片作为材料，并对硅片进行清洗、烘干；
S2：在硅片上旋涂上光刻胶，然后将硅片和刻有角加速度检测器整体结构图案的掩膜板固定；
S3：对固定好的硅片进行充分曝光；
S4：曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影；
S5：对硅片进行刻蚀处理之后进行清洗，形成角加速度检测器所需的整体结构；
所述的整体结构指的是检测器除光源和光电探测器之外的其他结构。
由于本发明的角加速度检测器基于共振光隧穿效应，检测器的尺寸在微米级别，适宜于采用硅片整体制作。其中弹性悬臂梁的结构不限于附图所示的结构，本领域技术人员可以根据模态仿真结果，对弹性悬臂梁的宽度、宽度变化、性状等进行合理设计。
基于本发明的检测角加速度的原理和检测器的结构，采用其他合适的材料制作成的检测器也在本申请的保护范围内。例如，检测器的框架和悬臂梁的材料并不限于硅，也不一定要与质量块的材质相同，与光的传播没有关系，之要能够实现各自的功能就可以了。
质量块的材质也不限于硅片，只是硅片的刻蚀工艺更加成熟，材料成本和加工成本更低，因此，质量块的材质不应成为限制本申请保护范围的因素。
同样的，仅有质量块为硅材质的情况下，也优选采用一体成型的标准硅工艺，如采用一片圆形的硅片刻蚀而成。这是由于结构的尺寸太小，按部件分别加工组合困难，也容易对光的传播产生较大的干扰，一体成型的影响则基本可以忽略。若有更先进的工艺可以分部制作所述的质量块，也不应影响本发明对质量块结构的保护。
采用上述的角加速度检测器检测角加速度的方法，主要包括数据的采集和角加速度的计算。
本发明一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，所采用的原理是基于共振光隧穿效应。其中，入射光线以倏逝波的形式进入谐振腔中，并在谐振腔中共振，在输出端可以检测到***的透射光。
1、角加速度检测器对角加速度的检测；
当角加速度检测器承受向左旋转加速度时，质量块相对外框向左旋转移动，旋转角度量检测参考图4(俯视状态图)：
初始静止状态:以所述质量块的中心为坐标系原点，建立X-Y轴坐标系。固定可见光源，入射光线方向始终与水平方向正向(即X轴正向)夹角为β(当角加速度检测器向左旋转移动时，该角加速度检测器各部分结构相对位置不变，可保证入射光线的方向不变)。入射偏振光线经折射后以大于临界角的角度α0入射，其以倏逝波的状态耦合(或者说传输)进共振腔，并在共振腔内形成共振效应，并穿过质量块传播，最后由光电探测器检测到输出光强度。
关于图4的解释：由于隧传层与折射单元以及共振单元的界面均平行于X轴，且折射单元的外轮廓属于质量块的外圆，隧穿层与折射单元界面上发生的折射，折射前后的角度变化与折射单元为半圆的情况(即图4所示的情况)相同，仅相当于折射界面的平移。为了使附图线条更加清晰，便于理解，故以图4作为参考示意图。以下图5的情况与图4相同。
角加速度变化运动状态：在角加速度发生变化后，弹性悬臂梁带动质量块引起左旋转角度变化量Δθ。此时，因质量块相对外框旋转，半圆棱镜表面入射光斑的位置发生变化。通过几何关系，角度变化量可以表示为下式：
Δθ＝α0-α1 (1)
其中，α0为某一时刻的入射角，α1为下一时刻的入射角；所述入射角指的是光线从折射单元中进入隧穿层时在二者的界面发生折射的入射角(如图4、图5所示)；
上述所采用的角度变化量检测方法同样适用于右旋转角度变化量检测。右旋转角度变化量参考图5，与左旋转角度量检测不同之处在于：质量块相对外框出现右旋转后，偏振光线经折射后的入射角度将由α0增大为α1(α1仍大于临界角)。经过计算得到前后入射角度α0、α1与角度变化量Δθ(此时角度变化量为负值)仍满足关系式(1)。
2、透射光强度T与入射角度α存在以下关系
质量块构成的共振光隧穿结构参考图6，由左至右包括输入单元、隧穿层、谐振腔(即共振单元)、隧穿层、输出单元。在此结构中，输入、输出单元为材料硅，其介电常数为ε0、ε4(即有ε0＝ε4＝εsi)；隧穿层为空气层，介电常数为ε1、ε3(即有ε1＝ε3＝εair)，隧穿层的宽度为d1、d3(即有d1＝d3＝dλ)；共振单元为材料硅，其介电常数为ε2(即有ε2＝εsi)，宽度为d2(即有d2＝gλ)。
当入射光以入射角度α入射时，根据传输矩阵理论，***透射强度T与入射角度α存在以下关系：
S偏振光:
P偏振光:
其中，在上式中m11、m12、m21、m22为传输矩阵M中元素，且满足关系式：
在此传输矩阵M中，δk为相位因子，且有 为光导纳因子，且有
上述的一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测方法，在加速传感过程中，实现角变化量检测的方法描述为：质量块由于左右旋转运动出现角度变化量Δθ，由式(1)可知，因质量块位置的左右旋转将引起入射角α变化。此时，入射光以不同入射角α入射，并以倏逝波形式穿过质量块，从而得到不同的光透射强度T，即角度变化量Δθ与光透射强度T存在确定曲线关系。根据Δθ-T曲线关系，以监测到的透射强度T获得角度变化量Δθ，再而可检测出角加速度。
同时，可以根据透射光强度T与入射角α和角度变化量Δθ之间的对应关系，以及现有技术角加速度计算理论，计算出透射光强度T对应的角加速度值，或者得出透射光强度T与角加速度的关系曲线，在检测角加速度时，就能够根据曲线和检测到的透射光强度T，得出对应的角加速度。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、光线以大于/等于全反射角入射到玻璃棱镜/低折射率层界面，以倏逝波的形式进入谐振腔，不同于传统的法珀谐振腔，后者光线以小于全反射角的入射角进入谐振腔，在谐振腔内以传输波的形式在谐振腔内振荡。同传输波相比，倏逝波对入射角度的变化更为敏感。
2、微位移量的测量更精确，其原因是微弱入射角度量的变化将会引起透射强度T大的变化量。以监测到的光透射强度的变化获得入射角度变化量大小，使Δθ的测量准确性得到了很大提升。
3、本设计结构简单，制作难度低，并且可大规模生产，成本较低。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本发明的角加速度检测器的平面图。
图2为本发明的角加速度检测器的侧视图。
图3为质量块核心结构示意图。
图4为质量块核心结构(上折射单元)左旋转入射角度变化示意图。
图5为质量块核心结构(上折射单元)右旋转入射角度变化示意图。
图6为共振光隧穿结构示意图。
图7为基于固定位置偏振光照射下，***透射强度T与旋转角度变化量Δθ曲线图。
图中：1为环形固定框，2为弹性悬臂梁，3为质量块，4为折射单元，5为连接单元，6为共振单元，7为光源，8为光电探测器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-3所示，一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，包括环形固定框1、弹性悬臂梁2和质量块3，
所述质量块3由折射单元4、连接单元5和共振单元6组成，折射单元4和连接单元5的数量均为两个，共振单元6和两个连接单元5连接组成工字形结构，两个连接单元5为工字形结构的两条平行梁，两个折射单元4的方形面相对并通过该工字形结构连接，共振单元6与折射单元4的方形面平行；折射单元4、连接单元5和共振单元6之间构成两个空隙为两个隧穿层；所述质量块3由一片圆形的硅片刻蚀而成；所述两个折射单元4的外轮廓的曲线属于同一个圆；
所述弹性悬臂梁2有四个，四个弹性悬臂梁2成十字分布，一端分别连接在两个折射单元4的弧形面中央和两个连接单元5的外侧中央，另一端固定在环形固定框1的内壁上；并且静止状态下质量块3的重心与环形固定框1的重心重合；
所述环形固定框1上还固定有光源7和光电探测器8；所述光源7和光电探测器8的固定位置及角度需要满足的条件为：光源7发射的光线经一个折射单元4的曲面折射后，在该折射单元4的平面上以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式进入谐振腔，在其中共振后，再经过另一折射单元4被光电探测器8接收。
实施例2
以实施例1的角加速度检测器为例，所用可调光源相对外边框位置固定不变，可调光源的入射光波长为1550nm，入射光为P(或S)偏振光，入射方向相对保持不变；所述弹性悬臂梁2有四个，四个弹性悬臂梁成十字分布，一端分别连接在质量块3的外表面四周，另一端固定在固定框1的内壁上；
所述质量块制作材料选择硅，其折射率为nsi＝3.42(适用于红外入射光)，采用一体成型的光刻技术完成；所用光电探测器相对外边框位置固定不变，光电探测器的响应波段应包括光源波长。入射光线穿过质量块后形成光透射强度T与旋转角度变化量Δθ曲线图T-Δθ。当有角加速度变化引起角度变化量Δθ变化时，透射强度T将随之变化，通过检测透射强度T变化量即可分析出变化量Δθ。而在上述发明中，透射强度T与角度变化量Δθ的关系式与曲线图已经详细给出。
在本发明的一个示例性实施例中，以质量块左右旋转为例说明，旋转角度变化量范围控制在±0.05度以内。入射光为P(或S)偏振光，入射光波长λ为1550nm。入射偏振光线经折射后初始入射角度为α0(因质量块选用材料硅，硅折射率为3.42，所以根据斯涅耳折射定律得到临界角θc为17.0016度，则α0应大于此值，在本示例性实施例中选取入射角度α0为17.9516度，即以大于临界角θc值0.95度入射)。所采用的质量块折射率为nsi＝3.42，选用共振单元6宽度为gλ＝15.622um(若入射光为S偏振光，gλ＝15.503um)，空气层宽度dλ＝2280nm，且空气折射率为1。根据以上条件，通过仿真计算，光透射强度T随角度变化量Δθ的变化曲线(拟合曲线)如图7所示。
参考图7，在该曲线图中可观察到，对于P偏振光，质量块右旋转变化0.05度(即入射角度变化量Δθ为+0.05度)引起透射强度T上升大约25dB，质量块左旋转变化0.05度(即入射角度变化量Δθ为-0.05度)引起透射强度T下降大约5dB；对于S偏振光，质量块右旋转变化0.05度(即入射角度变化量Δθ为+0.05度)引起透射强度T上升大约50dB，质量块左旋转变化0.05度(即入射角度变化Δθ大约-0.05度)引起透射强度T下降大约5dB。由此可以看出，在P偏振光入射及质量块旋转±0.05度范围下，该检测器能够检测到的输出光强度为输入光强度的10-3，在S偏振光入射及质量块旋转±0.05度范围下，该检测器能够检测到的输出光强度为输入光强度的10-5,远远优于相同测试条件下利用经典F-P谐振腔的10-1.5。
在相同测试条件下，以角度变化量Δθ值为±0.05度为界，选取相对于S偏振曲线变化较慢的P偏振曲线与经典F-P谐振腔曲线比较，发现P偏振曲线变化率仍明显高于F-P谐振腔曲线，由此可知该发明具有更高的优越性。
在实际应用中，本设计将利用原型机开展实验，得到透射光强度与入射角度之间的数值对应关系(理论曲线如图7，将其离散化)，并将其以二维表的形式存储到微处理器中。另外，对S偏振或P偏振光入射下生成的其右边变化较快的关系曲线可选择存储更密集的点，传感器在此区间可获得更高的灵敏度。在将此二维表存入微处理器后，根据传感器的检测器得到透射光强度后，利用查表的方法得到旋转角度变化值。除此之外，该检测器的灵敏度也会受到光源强度以及光电探测器的影响。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何变化，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (4)
1.一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，其特征在于：包括环形固定框(1)、弹性悬臂梁(2)和质量块(3)，
所述质量块(3)由折射单元(4)、连接单元(5)和共振单元(6)组成，折射单元(4)和连接单元(5)的数量均为两个，共振单元(6)和两个连接单元(5)连接组成工字形结构，两个连接单元(5)为工字形结构的两条平行梁，两个折射单元(4)的方形面相对并通过该工字形结构连接，共振单元(6)与折射单元(4)的方形面平行；折射单元(4)、连接单元(5)和共振单元(6)之间构成两个空隙为两个隧穿层；所述两个折射单元(4)的外轮廓的曲线属于同一个圆；
所述弹性悬臂梁(2)有四个，四个弹性悬臂梁(2)成十字分布，一端分别连接在两个折射单元(4)的弧形面中央和两个连接单元(5)的外侧中央，另一端固定在环形固定框(1)的内壁上；并且静止状态下质量块(3)的重心与环形固定框(1)的重心重合；
所述环形固定框(1)上还固定有光源(7)和光电探测器(8)；所述光源(7)和光电探测器(8)的固定位置及角度需要满足的条件为：光源(7)发射的光线经一个折射单元(4)的曲面折射后，在该折射单元(4)的平面上以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式进入谐振腔，在其中共振后，再经过另一折射单元(4)被光电探测器(8)接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，其特征在于：所述两个折射单元(4)和两个连接单元(5)的外轮廓的曲线组成一个完整的圆。
3.根据权利要求1所述的一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器，其特征在于角加速度检测器整体结构采用一体成型的标准硅工艺完成，包括以下步骤：
选取硅片作为材料，并对硅片进行清洗、烘干；
在硅片上旋涂上光刻胶，然后将硅片和有角加速度检测器整体结构图案的掩膜板固定；
对固定好的硅片进行充分曝光；
曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影；
对硅片进行刻蚀处理之后进行清洗，形成角加速度检测器所需的整体结构；
角加速度检测器的整体结构指的是由环形固定框(1)、弹性悬臂梁(2)和质量块(3)组成的框架结构。
4.利用权利要求1或2所述的角加速度检测器的检测方法，其特征在于包括如下步骤：
1)某一瞬时入射角α的确定
光电探测器(8)探测到的透射光强度T一定与某一瞬时入射光的入射角α相对应，且二者存在以下关系：
若入射光为S偏振光：
若入射光为P偏振光：
ε为介电常数，将入射光入射的折射单元(4)、临近入射光的隧穿层、共振单元(6)、临近透射光的隧穿层和透射光的折射单元(4)的介电常数依次为ε0、ε1、ε2、ε3、ε4，并且折射单元(4)和共振单元(6)的材料为硅，故ε0＝ε2＝ε4＝εsi，隧穿层为空气层，故ε1＝ε3＝εair；临近入射光的隧穿层的宽度为d1，临近透射光的隧穿层的宽度为d3，共振单元(6)的宽度为d2；式中m11、m12、m21、m22为传输矩阵M中元素，且满足关系式：
<mrow>
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<mo>=</mo>
<mfenced open = "(" close = ")">
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<mtd>
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<mtr>
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<msub>
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<mtd>
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<mn>22</mn>
</msub>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
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<mo>=</mo>
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<mi>M</mi>
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<msub>
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<mi>&Pi;</mi>
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<mi>k</mi>
<mo>=</mo>
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<mn>3</mn>
</munderover>
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<mtable>
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<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>cos&delta;</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>isin&delta;</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
</mrow>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
</mfrac>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>i&eta;</mi>
<mi>k</mi>
</msub>
<msub>
<mi>sin&delta;</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>cos&delta;</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
在此传输矩阵M中，δw为相位因子，且有(w＝1,2,3)；ηk为光导纳因子，当入射光线为S偏振光时，当入射光线为P偏振光时，且有光导纳因子光导纳因子(k＝0,1,2,3,4)；所述质量块制作材料选择硅，硅折射率nsi＝3.42；
根据上述透射光强度T与入射角α的关系式能够确定入射角α的值；
2)角度变化量Δθ的确定
以质量块(3)的入射光入射的折射单元(4)的圆心为坐标系原点，建立X-Y轴坐标系；
则角度移变化量Δθ符合以下关系式：
Δθ＝α0-α1
其中，α0为某一时刻的入射角，α1为下一时刻的入射角；所述入射角指的是光线从折射单元(4)中进入隧穿层时在二者的界面发生折射的入射角；
根据1)和2)，已知光电探测器(8)探测的透射光强度T与入射角α和角度变化量Δθ之间的关系，能够根据现有角加速度计算理论，计算出透射光强度T对应的角加速度值，或者得出透射光强度T与角加速度的关系曲线。
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