一種基于共振光隧穿效應的角加速度檢測器及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及角加速度檢測器，具體涉及基于共振光隧穿效應原理制作的角加速度 檢測器及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 目前，角加速度計是用于測量運動物體角加速度的慣性傳感器，現已應用于諸多 方面，例如用于汽車的翻車預警檢測裝置以保護乘客安全、檢測飛機的飛行狀態、以及機器 人設計等。在微電子機械系統（MEMS)技術高速發展條件下，微機械陀螺儀正朝著低功耗、 易集成、微型化，高靈敏度，低成本等方向發展。但由于微機械理論與技術不完善，微機械陀 螺儀仍屬于中低精度的慣性傳感器。其中由環境溫度引起的漂移誤差、加工精度成為制約 微機械陀螺儀發展的關鍵因素。在光學技術不斷進步下，采用光學方法測量角加速度已經 切實可行，如光纖陀螺儀。光纖陀螺儀利用Sagnac效應，根據光路內相向傳播的兩列光波 產生的光程差與旋轉角速率的內在聯系確定旋轉角速率。與微機械陀螺儀相比，光纖陀螺 儀因其耐沖擊、使用壽命長、可瞬啟、檢測靈敏度高、動態量程范圍大等優點而應用于更多 領域。但光纖陀螺儀的核心部件光纖環，因在不同溫度下受到的熱應力不同，對光纖陀螺儀 的溫度性能影響很大，從而使角加速度的準確性測量受限。
[0003] 微機械陀螺儀設計的基本思想是利用科氏力現象，而光纖陀螺儀是利用Sagnac 效應測量角速率。與其不同，本發明提出角加速度檢測方法的基本實現思想是利用共振光 隧穿效應，通過檢測質量塊因角加速度引起的角度變化來獲得角加速度的大小和方向，實 現高精度測量角加速度。共振光隧穿效應以光學隧穿效應（受抑全內反射）為基礎。光學 隧穿效應指光線由高折射率介質層界面照射到低折射率介質層界面時，在低折射率介質層 厚度小于入射光波長條件下，光線將穿過全反射發生的界面，即穿過經典幾何光學中光線 不能穿過的"壁皇"，形成透射（隧穿光線）。共振光隧穿效應指入射光線在入射角大于臨界 角后，低折射率介質層厚度可在大于入射光波長情況下，入射光線在微米或者納米光學腔 中形成共振效應。在共振光隧穿效應中，系統的透射強度對入射光源的入射角度變化非常 敏感，利用此條件來測量角加速度可以極大地提高角加速度的靈敏度檢測及準確性測量。 同時，本發明所設計器件可用標準硅工藝進行加工，可提高其生產效率，并降低成本。同時， 本發明所設計器件可用標準硅工藝進行加工，可提高其生產效率，并降低成本。
【發明內容】
[0004] 本發明提出了一種利用共振光隧穿效應原理上高分辨率的特點，測量角加速度的 新型加速度檢測器。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：一種基于共振光隧穿效應的 角加速度檢測器，包括環形固定框、彈性懸臂梁和質量塊，
[0006] 所述質量塊由折射單元、連接單元和共振單元組成，折射單元和連接單元的數量 均為兩個，共振單元和兩個連接單元連接組成工字形結構，兩個連接單元為工字形結構的 兩條平行梁，兩個折射單元的方形面相對并通過該工字形結構的連接，共振單元與折射單 元的方形面平行；折射單元、連接單元和共振單元之間構成兩個空隙為兩個隧穿層；所述 兩個折射單元的外輪廓的曲線屬于同一個圓；
[0007] 所述彈性懸臂梁有四個，四個彈性懸臂梁成十字分布，一端分別連接在兩個折射 單元的弧形面中央和兩個連接單元的外側中央，另一端固定在環形固定框的內壁上；并且 靜止狀態下質量塊的重心與環形固定框的重心重合；
[0008] 所述環形固定框上還固定有光源和光電探測器；所述光源和光電探測器的固定位 置及角度需要滿足的條件為：光源發射的光線經一個折射單元的曲面折射后，在該折射單 元的平面上以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式進入諧振腔，在其中共振后，再經 過另一折射單元被光電探測器接收。
[0009] 所述環形固定框內部通過彈性懸臂梁將質量塊連接，環形固定框的框架上固定有 光源和光電探測器；整個檢測器在通過環形固定框進行安裝。
[0010] 雖然連接單元的作用僅是連接折射單元和共振單元，并與二者共同構成兩個隧穿 層，連接單元的外側輪廓的形狀對質量塊的功能無影響，但是由于質量塊是采用一片圓形 的硅片刻蝕而成，為了減少刻蝕的工作量，連接單元的外側輪廓曲線與折射單元的外側輪 廓曲線優選組成如圖1和圖3所示的圓。
[0011] 所用彈性懸臂梁結構參考圖1，所用彈性梁共4根，分別設置于外邊框與所用質量 塊之間的間隔空間內，作用是連接環形固定框和質量塊，使質量塊可以在固定框圍成的空 間內自由轉動，并在靜止狀態準確復位；在檢測器以一旋轉軸為軸（垂直于下述XY平面，也 是質量塊的圓心）轉動時，質量塊在彈性梁支持下，在圖1平面內相對外框旋轉，并在角加 速度作用之后，支撐質量塊位置復原。
[0012] 所述固定框上還固定有光源和光電探測器；所述光源和光電探測器的固定位置及 角度需要滿足的條件為：光源發射的光線經上折射單元的曲面折射后，在該折射單元的隧 穿層上方形表面以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式進入諧振腔（即共振單元）， 并在其中形成共振現象，然后再經過另一折射單元，被光電探測器接收。
[0013] 所述固定框內部通過彈性懸臂梁將質量塊連接，固定框的框架上固定有光源和光 電探測器；整個檢測器在通過固定框進行安裝。
[0014] 光源選擇光譜分布可調的光源，可以選擇單色光源。光源發出的光線在到達質量 塊前，通過偏振片控制為P或S偏振光，但不應改變光線的相對入射方向。
[0015] 光電探測器的作用是接收來自質量塊的透射光線并檢測光強，并將檢測到的光強 和其對應的時間記錄并傳輸到單片機進行數據處理。
[0016] 由于本發明基于共振光隧穿效應，所用質量塊尺寸控制在微米級別，質量塊的結 構參考附圖3。所述質量塊可拆分為兩相同折射單元、共振單元和兩個連接單元。質量塊的 兩折射單元對稱設置，其形成的共振單元寬度為gx且兩諧振腔（隧穿層）的寬度均為d λ。 所述質量塊制作材料選擇硅，其折射率為nsl= 3. 42 (適用于紅外入射光），采用一體成型 的標準硅工藝完成，包括以下步驟：
[0017] Sl :選取硅片作為材料，并對硅片進行清洗、烘干；
[0018] S2 :在硅片上旋涂上光刻膠，然后將硅片和刻有角加速度檢測器整體結構圖案的 掩膜板固定；
[0019] S3 :對固定好的硅片進行充分曝光；
[0020] S4 :曝光結束后，對硅片上的光刻膠進行顯影；
[0021] S5 :對硅片進行刻蝕處理之后進行清洗，形成角加速度檢測器所需的整體結構；
[0022] 所述的整體結構指的是檢測器除光源和光電探測器之外的其他結構。
[0023] 由于本發明的角加速度檢測器基于共振光隧穿效應，檢測器的尺寸在微米級別， 適宜于采用硅片整體制作。其中彈性懸臂梁的結構不限于附圖所示的結構，本領域技術人 員可以根據模態仿真結果，對彈性懸臂梁的寬度、寬度變化、性狀等進行合理設計。
[0024] 基于本發明的檢測角加速度的原理和檢測器的結構，采用其他合適的材料制作成 的檢測器也在本申請的保護范圍內。例如，檢測器的框架和懸臂梁的材料并不限于娃，也不 一定要與質量塊的材質相同，與光的傳播沒有關系，之要能夠實現各自的功能就可以了。
[0025] 質量塊的材質也不限于硅片，只是硅片的刻蝕工藝更加成熟，材料成本和加工成 本更低，因此，質量塊的材質不應成為限制本申請保護范圍的因素。
[0026] 同樣的，僅有質量塊為硅材質的情況下，也優選采用一體成型的標準硅工藝，如采 用一片圓形的硅片刻蝕而成。這是由于結構的尺寸太小，按部件分別加工組合困難，也容易 對光的傳播產生較大的干擾，一體成型的影響則基本可以忽略。若有更先進的工藝可以分 部制作所述的質量塊，也不應影響本發明對質量塊結構的保護。
[0027] 采用上述的角加速度檢測器檢測角加速度的方法，主要包括數據的采集和角加