一種SiC基微光學高溫加速度計及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于MOEMS(micr〇-〇pt〇-electr〇-mechanical-system,微光機電系統(tǒng)）技 術領域，涉及基于第三代半導體SiC的新型耐高溫微光學加速度計的光路與機械系統(tǒng)的設 計方法。
【背景技術】
[0002] SiC基微型加速度計是隨著SiC材料及其微加工技術發(fā)展而發(fā)展起來的一種新 型、高穩(wěn)定性的加速度傳感器。航空航天飛行器在駛?cè)氪髿鈱雍笥捎诟諝獍l(fā)生劇烈摩擦， 體表溫度高達l〇〇〇°C以上，其飛行姿態(tài)的控制與高速飛行過程中所處的氣動力學環(huán)境密切 相關，在高溫環(huán)境下實現(xiàn)飛行器機翼振動參數(shù)的動態(tài)實時測量對現(xiàn)有測試技術提出了嚴峻 考驗。高精度加速度計的技術指標不僅包括常溫靜態(tài)測量精度，更為重要的是溫度、振動等 環(huán)境適應性的動態(tài)性能指標。目前國內(nèi)外高精度加速度計技術在實際使用過程中相比，環(huán) 境性能上的差距尤為突出，如何提高高精度加速度計的溫度和振動特性，是高精度加速度 計迫切需要解決的關鍵技術。商業(yè)化的傳統(tǒng)加速度計所使用的材料是硅和石英，但是它們 遠遠不能達到火箭衛(wèi)星等航空航天飛行器在高溫條件下的測量要求。
[0003] 作為第三代寬禁帶半導體材料的代表，SiC具有優(yōu)良的抗輻射性能、高溫穩(wěn)定性以 及良好的機械特性，是制作高溫加速度計的理想材料。同時，與傳統(tǒng)結構的加速計相比，光 纖光學加速度計有著突出的抗電磁干擾、沖擊和振動靈敏，以及更輕的質(zhì)量和更高的精度 等優(yōu)點已成為國內(nèi)外研究的熱點。將SiC優(yōu)異的材料特性與光纖光學加速度計結構優(yōu)勢相 結合，對高精度加速度計盡快滿足航空技術領域的要求具有重要的意義。
[0004] 自2003年美國NASAGlenn研究中心的Okojie等提出壓阻式6H-SiC加速度計開 始，國外開展了大量的利用SiC制作加速度計和壓力傳感器的研究，國外壓阻式和電容式 SiC微加速度計已經(jīng)有商業(yè)化成品出現(xiàn)，工作溫度分別達到600°C和400°C，但目前SiC微光 學加速度計研究領域國內(nèi)外仍屬空白。
[0005] 因此，作為未來突破精密控制和裝備制造的關鍵技術，SiC基新型微光學加速度計 的研究對于實現(xiàn)高溫環(huán)境下對飛行器機翼振動參數(shù)的動態(tài)實時測量具有重要意義。將SiC 材料優(yōu)點、不斷進步的微加工技術與光學加速度計原理相結合的SiC微光學加速度計可以 顯著提高加速度計的抗高溫等極端環(huán)境性能，將成為加速度計重要發(fā)展趨勢之一。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為提高加速度計的工作溫度、測量精度、穩(wěn)定性、環(huán)境適應能力及抗干擾能力，本 發(fā)明提出了一種新型的基于第三代半導體SiC的高溫微光學加速度計的光路與機械系統(tǒng) 設計方法。
[0007] 本加速度計的傳感機制基于非本征型法布里-珀羅干涉儀。它利用了對光纖拋光 端面和SiC質(zhì)量塊反射面之間形成的低精細度FP腔的腔長變化測量獲得所需信號（干涉 光強）的方法。光通過單模光纖傳輸，一部分光在光纖/空氣界面發(fā)生一次反射，另一部分 光穿過光纖端面和質(zhì)量塊反射面之間的空氣空隙在質(zhì)量塊反射面再次發(fā)生反射。兩束反射 光基于二者之間的光程差發(fā)生相消或者相長干涉。根據(jù)反射到探測器的光信號進行解調(diào)便 可得到腔長變化等間距信息。本發(fā)明提供一種基于第三代半導體Sic的微光學高溫加速度 計及其設計方法，所述的微光學高溫加速度計包括LD光源、單模光纖（波長1310nm)、耦合 器、環(huán)形器A、環(huán)形器B、空心對準套管A、空心對準套管B、FP(法布里-珀羅）腔、SiC基回 旋形懸臂梁-質(zhì)量塊傳感結構、增透膜、基底、探測器A、探測器B以及外部封裝。所述的微 光學高溫加速度計通過腔長差設計形成了錯位雙FP腔結構，提高了加速度計測量的量程； 所述的微光學高溫加速度計采用質(zhì)量塊表面鍍高溫增透膜的方式降低了噪聲干擾，從而提 高了測量精度；提出了新型SiC基微光學高溫加速度計傳感結構的微加工制作工藝，輔以 耐高溫的光纖與空心對準套管組合結構、耐高溫封裝設計，實現(xiàn)了加速度計敏感頭的耐高 溫特性。
[0008] 所述LD光源與耦合器輸入端之間通過單模光纖連接，耦合器、環(huán)形器A和環(huán)形器 B均為三端口器件，環(huán)形器A的三個端口分別通過單模光纖連接有耦合器、探測器A和空心 對準套管A，環(huán)形器B的三個端口分別通過單模光纖連接耦合器、探測器B和空心對準套管 B;所述空心對準套管A和空心對準套管B固定在基底上，并且相互平行。所述空心對準套 管A和空心對準套管B內(nèi)的單模光纖的端面與質(zhì)量塊的反射面之間形成不同長度的兩個FP 腔，所述的兩個FP腔的長度差為13. 59ym。所述兩個FP腔的長度分別優(yōu)選為98. 086ym 和111. 676ym，所述LD光源的入射光波長1310nm。單模光纖采用最常見的G. 652型，其芯 徑是9ym。
[0009] 所述的微光學高溫加速度計中設計了雙FP腔干涉光強檢測方案，通過腔長差設 計使探測器接收的兩路返回信號正交，實現(xiàn)了交替變換的兩路返回信號線性區(qū)域疊加的方 式，從而擴大了相位探測的范圍，亦即加速度計測量的量程。
[0010] 所述的微光學高溫加速度計采用質(zhì)量塊表面鍍高溫增透膜的方式，通過尺寸設計 使增透膜光強反射率達到最小值，以有效避免其它反射面對雙光束干涉信號形成干擾，提 高測量精度。
[0011] 所述的微光學高溫加速度計懸臂梁-質(zhì)量塊傳感結構采用自主設計的微加工工 藝制作，同時輔以耐高溫的光纖與外部空心對準套管組合結構、A1N高溫封裝、派熱克斯玻 璃基底等耐高溫結構設計，實現(xiàn)了加速度計的耐高溫特性。
[0012] LD光源出射的光經(jīng)過耦合器產(chǎn)生兩束光分別通過環(huán)形器A和環(huán)形器B，再分別在 單模光纖的端面產(chǎn)生反射光和透射光，透射光進入FP腔后在質(zhì)量塊的反射面發(fā)生反射后 返回單模光纖，與單模光纖的自身的反射光形成雙光束干涉，干涉光分別經(jīng)過環(huán)形器A和 環(huán)形器B后，由探測器A和探測器B檢測干涉光強。所述質(zhì)量塊背面的增透膜可以將透過 質(zhì)量塊的光全面出射減少反射發(fā)生。
[0013] 本發(fā)明提出的基于第三代半導體SiC的高溫微光學加速度計的光路與機械系統(tǒng) 設計方法，可實現(xiàn)加速度計工作溫度的提高，同時在穩(wěn)定性、測量精度、環(huán)境適應能力及抗 干擾能力方面性能優(yōu)異。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0015] 1、本發(fā)明提出的基于第三代半導體SiC的高溫微光學加速度計設計方法機械結 構，具有良好的抗福射性能和尚溫穩(wěn)定性等抗極端環(huán)境工作能力。米用具有尚恪點、尚擊穿 場強、化學穩(wěn)定的第三代半導體SiC材料制作SiC基回旋形懸臂梁-質(zhì)量塊傳感結構，同時 輔以耐高溫光纖與空心對準套管結構、A1N高溫封裝等耐高溫設計，具有比硅基微加速度計 等加速度計高得多的工作溫度和抗極端環(huán)境工作能力。
[0016] 2、本發(fā)明提出的基于第三代半導體SiC的高溫微光學加速度計設計方法具有很 高的測量精度。機械傳感結構具有很高的位移靈敏度，提高了加速度計的分辨率，同時質(zhì)量 塊背面鍍高溫增透膜可以有效避免其它反射面對雙光束干涉信號形成干擾，因而系統(tǒng)的檢 測精度較高。
[0017] 3、本發(fā)明提出的基于第三代半導體SiC的高溫微光學加速度計設計方法中的光 學結構，所設計加速度計基于FP腔干涉光強檢測方案，具有抗電磁干擾、小型化、抗腐蝕、 可利用波分復用或時分復用等信號處理技術等優(yōu)點。
[0018] 4、本發(fā)明采用了雙FP腔干涉光強檢測方案和質(zhì)量塊表面鍍高溫增透膜等設計。 基于所設計的雙FP腔干涉光強檢測方案，通過腔長差設計使探測器接收的兩路返回信號 正交，進而以交替變換的兩路返回信號線性區(qū)域疊加的方式，有效克服了單光路干涉分析 方法在正弦輸出光強極值附近區(qū)域的函數(shù)非線性和方向性模糊等缺點，從而擴大了相位探 測的范圍，提高了加速度計的量程。
[0019] 5、本發(fā)明中采用SiC基回旋形懸臂梁-質(zhì)量塊傳感結構、敏感頭與外部封裝間 靜電鍵合、抗高溫封裝材料以及整體熱膨脹系數(shù)匹配等技術方案設計。SiC基回旋形懸臂 梁-質(zhì)量塊傳感結構設計作用是提升了敏感頭單軸方向離軸靈敏度，同時避免了懸臂梁殘 余應力和大的撓度引起梁張力形成非線性加速度-撓曲特性等問題，保證了加速度計振動 過程中光纖拋光端面與檢測質(zhì)量的下表面間的平行度。這種結構具有極高的位移靈敏度， 從而提高了系統(tǒng)的測量精度。所述敏感頭與外部封裝間靜電鍵合、抗高溫封裝材料選擇提 高了機械傳感系統(tǒng)的工作溫度與環(huán)境穩(wěn)定性。所述整體熱膨脹系數(shù)匹配是對各材料之間熱 膨脹系數(shù)、工作溫度等溫度特性方面的綜合權衡設計。
【附圖說明】
[0020] 圖1為SiC基微光學高溫加速度計的結構示意圖；
[0021 ] 圖2為SiC基微光學高溫加速度計敏感頭FP腔結構示意圖；