一种基于共振光隧穿效应的角加速度检测器及检测方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。在微电子机械系统（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。
[0003] 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"壁皇"，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，系统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】
[0004] 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。
[0005] 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，
[0006] 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的连接，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；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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gx且两谐振腔（隧穿层）的宽度均为d λ。 所述质量块制作材料选择硅，其折射率为nsl= 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：
[0017] Sl :选取硅片作为材料，并对硅片进行清洗、烘干；
[0018] 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；
[0019] S3 :对固定好的硅片进行充分曝光；
[0020] S4 :曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影；
[0021] 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；
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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娃，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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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