CN1869710A - 高分辨率微纳光学加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率、大动态范围微纳光学加速度计。微光学波导阵列板或柱透镜阵列板设置在加速度计质量块上，波导阵列板上刻有条状透明波导阵列或在柱透镜阵列板上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤的普通光纤段与光源耦合，输出段与阵列板平行或垂直靠近，光敏元件与微纳米直径光纤同轴设置，光敏元件的输出信号接在信号处理电路板的前置放大器的输入端，驱动器与加速度计质量块之间机械连接，信号处理电路板的信号输出端与驱动器电信号连接。本发明可将加速度计分辨率的数量级提高到106左右，且动态范围大，结构简单，可靠性好。适用于要求高分辨率的场合如飞行器，车辆或船只的惯性制导，重力加速度的精密测量等。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微纳米光纤的高分辨率加速度计。
背景技术
从一般的角度来说，本发明涉及感知施加在物体上的加速度的技术。更具体地，是涉及到感知该加速度的加速度计设备的构成。通常基于牛顿第二定律的加速度计包括质量块、质量块位移回复结构如悬臂梁、和用于信号处理的相关电路等；通过测量质量块在加速度场中的惯性力作用下的位移间接地测量加速度。加速度计已经拥有了成熟的市场，低精度产品已广泛用于如汽车安全气囊，其模块使用的主要是±50g的加速度计；同时加速度计市场已经从基础的汽车制造业市场，扩展到工业和消费品的应用方面。大多数智能设备的应用需要的是高灵敏度，高分辨率和大动态范围加速度计。因此需求上的改变推进了新型加速度测量技术的发展，高精度加速度计广泛地用于飞行器，车辆的惯性制导，在军事方面和未来智能车辆方面有极其重要的应用。
在利用MEMS技术设计加速度计方面，大多数加速度计都是通过电容的变化来感知质量块的位移，但是电容的变化量正比于位移的平方，分辨率有限，要获得高分辨率，例如104-5，***的尺寸就需适当展宽了；而利用隧道效应设计的加速度计，是与位移成指数关系的。隧道效应型加速度计的这种指数型关系可以允许在较小的结构上实现较高的分辨率，可以达到105。但由于现在制备隧尖的方法基本采用化学腐蚀的方法，制作过程复杂且难控制，要获得更高分辨率比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率微纳光学加速度计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案有四种，具体如下：
方案一：
包括微纳米直径光纤、微光学波导阵列板、加速度计质量块、光源、光敏元件、信号处理电路板和驱动器。其中微光学波导阵列板设置在加速度计质量块上，微光学波导阵列板上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源耦合，微纳米光纤输出段与微光学波导阵列板平行靠近，光敏元件同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件的输出信号接在信号处理电路板的前置放大器的输入端，驱动器与加速度计质量块之间机械连接，信号处理电路板的信号输出端与驱动器电信号连接。
方案二：
包括微纳米直径光纤、微光学波导阵列板、加速度计质量块、光源、光敏元件、信号处理电路板和驱动器。其中微光学波导阵列板设置在加速度计质量块上，微光学波导阵列板上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤垂直放置在微光学波导阵列板的一侧，微纳米直径光纤输出端口与微光学波导阵列板靠近，光敏元件与微纳米直径光纤同轴设置在微光学波导阵列板的另一侧，驱动器与加速度计质量块之间机械连接，信号处理电路板的信号输出端与驱动器电信号连接。
方案三：
包括微纳米直径光纤、柱透镜阵列板、加速度计质量块、光源、光敏元件、信号处理电路板和驱动器。其中柱透镜阵列板设置在加速度计质量块上，柱透镜阵列板上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源耦合，微纳米光纤输出段与柱透镜阵列板平行靠近，光敏元件同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件的输出信号接在信号处理电路板的前置放大器的输入端，驱动器与加速度计质量块之间机械连接，信号处理电路板的信号输出端与驱动器电信号连接。
方案四：
包括微纳米直径光纤、柱透镜阵列板、加速度计质量块、光源、光敏元件、信号处理电路板和驱动器。其中柱透镜阵列板设置在加速度计质量块上，柱透镜阵列板上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤垂直放置在柱透镜阵列板的一侧，微纳米直径光纤的输出端口与柱透镜阵列板靠近，光敏元件与微纳米直径光纤同轴设置在柱透镜阵列板的另一侧，驱动器与加速度计质量块之间机械连接，信号处理电路板的信号输出端与驱动器电信号连接。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：本发明的加速度计通过脉冲式条纹计数和相位调制，可实现将加速度计精度的数量级提高到106左右，且动态范围大。结构简单，可靠性好。适用于要求高分辨率的场合如飞行器，车辆或船只的惯性制导，重力加速度的精密测量等。
附图说明
图1是微纳米直径光纤和微光学波导阵列板之间光功率分配的示意图；
图2是基于微纳米直径光纤和微光学波导阵列板的加速度计***结构示意图；
图3是基于微纳米直径光纤和微光学波导阵列板的第二种实现方法的结构示意图；
图4是微纳米直径光纤和软光刻形成的柱透镜阵列板之间光功率分配的示意图；
图5是基于微纳米直径光纤和柱透镜阵列板的加速度计***的结构示意图；
图6是基于微纳米光纤和软光刻柱透镜阵列的加速度计的第二种实现方法的结构示意图；
图7是信号处理电路板的模块图。
图中：1、微纳米直径光纤，2、微光学波导阵列板，3、加速度计质量块，4、加速度力的方向，5、光源，6、光敏元件，7、信号处理电路板，8、驱动器，9、柱透镜阵列板。
具体实施方式
图1是微纳米直径光纤和微光学波导阵列板之间光功率分配的示意图。微纳米直径光纤1和波导阵列板2之间空气隙的宽度是一定值，图中表示为d，在d这个宽度上能够保证微纳光纤可以和波导阵列板产生倏逝波耦合的现象。图中的D表示微光学波导阵列板上两个相邻波导之间的距离。图1(a)中，微纳米直径光纤位于两个波导的中间上方位置，与最接近的这两个波导中的任一个之间的距离均为
不产生耦合现象，光仍在强束缚下沿微纳米直径光纤传播，3是带有波导阵列板的加速度计质量块。图1(b)中，在加速度场中，波导阵列板跟着加速度计质量块由于惯性产生一微小位移量，某一波导移动至微纳米光纤的正下方，该波导与微纳米光纤之间的距离为垂直距离d，满足了耦合的条件，光即从光纤中被完全耦合到波导阵列板中。图1中的4代表加速度力的方向，也就是波导阵列板跟着加速度计质量块在加速度场中的移动方向。
图2是基于微纳米直径光纤和微光学波导阵列板的加速度计***结构示意图。微光学波导阵列板2设置在加速度计质量块3上，微光学波导阵列板2上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤1由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源5耦合，微纳米光纤输出段与微光学波导阵列板2平行靠近，光敏元件6同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件6的输出信号接在信号处理电路板7的前置放大器的输入端，驱动器8与加速度计质量块3之间机械连接，信号处理电路板7的信号输出端与驱动器8电信号连接。
图2中的光源5可以使用单模光源，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)，但不限于红光，光敏元件6是***的光接收部分，例如光电二极管，测量从微纳米直径光纤1中输出的光能量。加速度计质量块3可沿加速度力的方向4往复移动。微光学波导阵列板2设置在加速度计质量块3上，并随着加速度计质量块3的移动而移动。信号处理电路板7能够为***提供反馈和预偏置信号，预偏置是指可使质量块产生一定的预先位移量，而使得微纳米直径光纤1和微光学波导阵列板2中的某个波导相对应，这可以作为反馈的起始点。驱动器8代表能够产生加速度力的装置，例如电磁音圈(Voice Coil)或者压电陶瓷驱动器。
图3中的微光学波导阵列板2设置在加速度计质量块3上，微光学波导阵列板2上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤1垂直放置在微光学波导阵列板2的一侧，微纳米直径光纤1输出端口与微光学波导阵列板2靠近，光敏元件6与微纳米直径光纤1同轴设置在微光学波导阵列板2的另一侧，驱动器8与加速度计质量块3之间机械连接，信号处理电路板7的信号输出端与驱动器8电信号连接。
图3中从光源5中发出的光通过微纳米直径光纤1输出端口被耦合进微光学波导阵列板2中。可以看出图2和图3的区别是：改变了微纳米直径光纤1的放置方式，从与微光学波导阵列板2平行放置变为垂直放置；改变了光敏元件6的光接收位置，从接收微纳米直径光纤1中的光变为接收微光学波导阵列板2中的光能量。图3所示的加速度计***比图2所示的灵敏度更高，且更容易实现。
图4是微纳米直径光纤1和软光刻形成的柱透镜阵列9之间光功率分配的示意图。其中9是柱透镜阵列。图4(a)中，微纳米直径光纤1位于两个柱透镜的中间上方位置，与最接近的这两个柱透镜中的任一个之间的距离均为 不产生耦合现象，光仍在强束缚下沿微纳米直径光纤传播，3是带有柱透镜阵列的加速度计质量块。图4(b)中，在加速度场中，柱透镜阵列跟着加速度计质量块由于惯性产生一微小位移量，某一柱透镜移动至微纳米光纤的正下方，该柱透镜与微纳米光纤之间的距离为垂直距离d，满足了耦合的条件，光即从光纤中被完全耦合到柱透镜阵列中。图4中的加速度力的方向4代表的就是本加速度计的加速度力的方向，也就是柱透镜阵列跟着加速度计质量块在加速度场中的移动方向。
图5是基于微纳米直径光纤和柱透镜阵列的加速度计***的结构示意图。柱透镜阵列板9设置在加速度计质量块3上，柱透镜阵列板9上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤1由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源5耦合，微纳米光纤输出段与柱透镜阵列板9平行靠近，光敏元件6同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件6的输出信号接在信号处理电路板7的前置放大器的输入端，驱动器8与加速度计质量块3之间机械连接，信号处理电路板7的信号输出端与驱动器8电信号连接。
图5中的光源5可以使用单模光源，包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)，但不限于红光，光敏元件6是***的光接收部分，例如光电二极管，测量从微纳米直径光纤1中输出的光能量。加速度计质量块3可沿加速度力的方向4往复移动。柱透镜阵列板9设置在加速度计质量块3上，并随着加速度计质量块3的移动而移动。信号处理电路板7能够为***提供反馈和预偏置信号，预偏置是指可使质量块产生一定的预先位移量，而使得微纳米直径光纤和柱透镜阵列板9中的某个柱透镜相对应，这可以作为反馈的起始点。驱动器8代表能够产生加速度力的装置，例如电磁音圈(Voice Coil)或者压电陶瓷驱动器。
比较图2和图5可发现：这两种设计结构相似，只是利用柱透镜阵列板取代了微光学波导阵列板。
图6是基于微纳米直径光纤和软光刻柱透镜阵列板的加速度计的第二种实现方法的结构示意图。柱透镜阵列板9设置在加速度计质量块3上，柱透镜阵列板9上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤1垂直放置在柱透镜阵列板9的一侧，微纳米直径光纤1的输出端口与柱透镜阵列板9靠近，光敏元件6与微纳米直径光纤1同轴设置在柱透镜阵列板9的另一侧，驱动器8与加速度计质量块3之间机械连接，信号处理电路板7的信号输出端与驱动器8电信号连接。
图6中从光源5中发出的光通过微纳米直径光纤1输出端口被耦合进柱透镜阵列板9中。可以看出图5和图6的区别是：改变了微纳米直径光纤1的放置方式，从与柱透镜阵列板9平行放置变为垂直放置；改变了光敏元件6的光接收位置，从接收微纳米直径光纤1中的光变为接收柱透镜阵列板9中的光能量。图6所示的加速度计比图2所示的灵敏度更高，且更容易实现。
图7是信号处理电路板的模块图。其中的Ipd(Vpd)是光敏元件6的输出电信号，作为信号处理电路板7的输入信号。高速芯片可以使用型号为TMS320VC5509A的芯片，Iout(Vout)是信号处理电路板7的输出信号，作为驱动器8的输入信号，提供反馈或者预偏置。
本发明采用的微纳米直径光纤1输出端部分的直径在10纳米至10微米之间，微光学波导阵列板和柱透镜阵列板都是采用软光刻方法制成。
本发明的高分辨率加速度计的分辨率由光学数字量实现粗测(103)，而采用光学信号的相位比较获得细测精度(106)，具体原理如下：
将微光学波导阵列板设置在加速度计的质量块上，在加速度场中，质量块受惯性力的作用，带动微光学波导阵列板沿加速度场相反的方向运动，其位移量首先由微纳米直径光纤与微光学波导阵列板上的单个波导间的耦合感知：微光学波导阵列板上的单个波导与微纳米直径光纤平行靠近时构成光分路器，当每一个波导在微纳米直径光纤前经过时，部分在微纳米直径光纤中传输的能量耦合至该波导，导致微纳米直径光纤输出光能量降低，因而当微光学波导阵列板相对微纳米直径光纤运动时，微纳米直径光纤的输出能量产生与波导数目相同的脉冲数，将位移量转换为光脉冲数(数字量)；以±1mm的总位移量为例，500纳米直径的光纤和相同尺度的波导组合，在每一运动方向可由该数字信号提供1mm/0.5μm＝2×103个脉冲，该脉冲数提供了加速度计位移量的粗测量(加速度的前三位有效数字)。由于耦合分光对于光纤和波导间的距离极其敏感，因而该脉冲信号具有相当窄的脉宽可实现相位比较获得位移量的精细测量：该加速度计质量块与一个驱动器(如电磁动圈驱动器)相连接，此驱动器接收来自信号处理电路板的电信号推动加速度计质量块进行主动微调，并实施相位比较和锁定。载有锁相程序的信号处理电路板，在开机自检过程中通过自扫描找出光耦合的曲线，调节预设电路施加偏置的初始位移量，使得加速度计在初始感知加速度力时是处在曲线的上升沿或者是下降沿，这两中情况均可以用于测量位移量的精细部分，即加速度有效数字的第四位后的数字。当质量块受惯性力驱动移动一段距离后，光功率输出会偏移原来的值，通过DSP的反馈电路可将光功率输出调整回原来的位置，其典型位置是输出峰曲线位置的上升沿或者下降沿的中点处，这个微小的调节量对应的模拟电信号则作为所测得数值的精细部分(例如，加速度的第四位至第六位有效数字)，可将精度的数量级提高到106左右。信号处理电路板输出一个电信号通过驱动器驱动加速度计质量块，提供一种偏置/控制电压来预设本加速度计的横向位移，也可以作为一种反馈电压使加速度计质量块保持在一个固定的位置，提供开机时的动态零点设定，有效降低零点漂移。
与此结构类似的另一实现方法是利用微纳光纤输出的微纳尺度点光源，直接近距离透射至与光点尺度相仿的柱透镜阵列(与波导阵列相类似，也可以利用软光刻制造)。柱透镜阵列作为该加速度计的质量块，在加速度场中，质量块(即柱透镜阵列)受惯性力的作用，沿加速度场相反方向运动，其位移量首先由微纳光纤的输出端与柱透镜阵列中的单个透镜的耦合来感知：阵列上的单个柱透镜与微纳光纤的输出端靠近时形成光分路器，当每一个柱透镜经过微纳光纤输出端的正下方时，在微纳光纤中传播的大部分能量将被直接耦合到该柱透镜中，导致柱透镜中的光能量升高，此时光敏元件接收的是该柱透镜中的能量，因而当柱透镜阵列相对微纳光纤输出端运动时，光敏元件接收到的柱透镜中的能量产生与柱透镜数目相同的脉冲数，将位移量转化为光脉冲数(数字量)。再利用相类似的精细测量设置和方法，此种方法也可实现将加速度计精度的数量级提高到106左右，而且具体的操作实施比第一种方法更加方便。
利用了上述先进的光学部分和实时闭环控制***，本加速度计可以实现动态范围的106间隔以上的分辨率。
本发明采用的是微光机电(MOMES)结合的结构。其中的光学部分综合运用了两种前沿技术：1、微纳米光纤；2、软光刻技术。本发明中的微光学波导阵列板采用软光刻技术制作，作为一种全新的接触型光刻技术，软光刻不受照相光刻中的光束衍射极限约束，在微纳米结构的转印中采用高聚物直接接触转印，具有制作技术简单，成本低廉，可批量制作的特点，对微纳米尺度的光器件尤其适用，能实现高聚物结构的高精度复制，转印的微结构尺度可达30纳米左右[Younan Xia and George M.Whitesides，“SOFT LITHOGRAPHY，”Annu.Rev.Mater.Sci.28，153-184(1998)]。
Claims (4)
1.高分辨率微纳光学加速度计，其特征在于：包括微纳米直径光纤(1)、微光学波导阵列板(2)、加速度计质量块(3)、光源(5)、光敏元件(6)、信号处理电路板(7)和驱动器(8)；其中微光学波导阵列板(2)设置在加速度计质量块(3)上，微光学波导阵列板(2)上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤(1)由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源(5)耦合，微纳米光纤输出段与微光学波导阵列板(2)平行靠近，光敏元件(6)同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件(6)的输出信号接在信号处理电路板(7)的前置放大器的输入端，驱动器(8)与加速度计质量块(3)之间机械连接，信号处理电路板(7)的信号输出端与驱动器(8)电信号连接。
2.高分辨率微纳光学加速度计，其特征在于：包括微纳米直径光纤(1)、微光学波导阵列板(2)、加速度计质量块(3)、光源(5)、光敏元件(6)、信号处理电路板(7)和驱动器(8)；其中微光学波导阵列板(2)设置在加速度计质量块(3)上，微光学波导阵列板(2)上刻有条状透明波导阵列，微纳米直径光纤(1)垂直放置在微光学波导阵列板(2)的一侧，微纳米直径光纤(1)输出端口与微光学波导阵列板(2)靠近，光敏元件(6)与微纳米直径光纤(1)同轴设置在微光学波导阵列板(2)的另一侧，驱动器(8)与加速度计质量块(3)之间机械连接，信号处理电路板(7)的信号输出端与驱动器(8)电信号连接。
3.高分辨率微纳光学加速度计，其特征在于：包括微纳米直径光纤(1)、柱透镜阵列板(9)、加速度计质量块(3)、光源(5)、光敏元件(6)、信号处理电路板(7)和驱动器(8)；其中柱透镜阵列板(9)设置在加速度计质量块(3)上，柱透镜阵列板(9)上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤(1)由普通光纤段、拉锥耦合过渡段、微纳米直径输出段组成，普通光纤段与光源(5)耦合，微纳米光纤输出段与柱透镜阵列板(9)平行靠近，光敏元件(6)同轴设置在微纳米直径光纤的输出口，光敏元件(6)的输出信号接在信号处理电路板(7)的前置放大器的输入端，驱动器(8)与加速度计质量块(3)之间机械连接，信号处理电路板(7)的信号输出端与驱动器(8)电信号连接。
4.高分辨率微纳光学加速度计，其特征在于：包括微纳米直径光纤(1)、柱透镜阵列板(9)、加速度计质量块(3)、光源(5)、光敏元件(6)、信号处理电路板(7)和驱动器(8)；其中柱透镜阵列板(9)设置在加速度计质量块(3)上，柱透镜阵列板(9)上刻有条状透明柱透镜阵列，微纳米直径光纤(1)垂直放置在柱透镜阵列板(9)的一侧，微纳米直径光纤(1)的输出端口与柱透镜阵列板(9)靠近，光敏元件(6)与微纳米直径光纤(1)同轴设置在柱透镜阵列板(9)的另一侧，驱动器(8)与加速度计质量块(3)之间机械连接，信号处理电路板(7)的信号输出端与驱动器(8)电信号连接。
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