一種基于共振光隧穿效應(yīng)的加速度檢測器及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及加速度檢測器，具體涉及基于共振光隧穿效應(yīng)原理制作的加速度檢測 器及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，加速度計應(yīng)用于諸多方面，例如測量在交通事故中汽車的碰撞強度、檢測飛 機的加速性能、以及橋梁在外部環(huán)境影響下的震動強度等。在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù) 高速發(fā)展條件下，以低功耗、易集成、微體積、微重量而著稱的微機械加速度計脫穎而出，成 為微型慣性測量組合的核心器件。常用的MEMS加速度計有電容式和壓阻式加速度計，電容 式加速度計主要包括懸臂梁和質(zhì)量塊。對于電容式加速度計，由于加速度計的尺寸很小，在 加速度作用下質(zhì)量塊因移動微小位移而引起的電容變化量非常微弱，從而影響加速度測量 準確性。壓阻式加速度計主要由懸梁臂及質(zhì)量塊構(gòu)成且將力敏電阻設(shè)置在懸梁臂上。質(zhì)量 塊在加速度作用下會產(chǎn)生一個相對的慣性力，由而引起懸臂梁形變，從而導(dǎo)致力敏電阻阻 值的變化。但是，大規(guī)模生產(chǎn)加速度計所需材料(如硅等半導(dǎo)體材料）的材料特性限制了壓 阻式加速度計的敏感率。在光學(xué)技術(shù)不斷進步下，采用光學(xué)方法測量微加速度以及微位移 量已經(jīng)切實可行，從而使加速度的準確性測量不再受限于傳統(tǒng)機械方法限制，進一步獲得 提升空間。
[0003] 對于光學(xué)加速度計，其實現(xiàn)的基本思想與微機械加速度計有相同之處，均是依靠 檢測質(zhì)量塊因加速度引起的位移變化來獲得加速度的大小和方向?，F(xiàn)在，集成光學(xué)加速度 計對加速度的檢測一般是采用光的干涉原理實現(xiàn)，如光柵加速度計。傳統(tǒng)光柵加速度計的 基本構(gòu)成元件主要包括光源、導(dǎo)電光柵、導(dǎo)電薄膜、透明基底、光電轉(zhuǎn)換元件。外界加速度的 變化會引起光柵加速度計腔長的改變，從而會改變檢測到的干涉條紋的強度級次，通過對 光強的變化檢測即可獲得加速度。然而，在實現(xiàn)該加速度測量過程中，導(dǎo)電薄膜可能存在彎 曲變形，會影響到加速度計的測量精度。同時為實現(xiàn)高測量精度，將對整體機械結(jié)構(gòu)的靈敏 度提出更高要求，增加了加工工藝難度。
[0004] 鑒于以上不足，本發(fā)明提出了一種利用共振光隧穿效應(yīng)可實現(xiàn)高精度測量加速度 的檢測方法。共振光隧穿效應(yīng)，是一種新型的光學(xué)效應(yīng)，可以極大地提高加速度計的靈敏度 檢測及準確性測量。共振光隧穿效應(yīng)基于相對簡單的光學(xué)隧穿效應(yīng)(受抑全內(nèi)反射）。光學(xué) 隧穿效應(yīng)發(fā)生在兩個折射率分布從高到低的兩個界面，在低折射率介質(zhì)層很薄的情況下 (厚度小于入射波長），光線穿過全反射發(fā)生的界面，即穿過經(jīng)典幾何光學(xué)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(yīng)指入射光線在入射角大于臨界角后，入射 光線將在微米或者納米光學(xué)腔中的共振效應(yīng)。利用此共振光隧穿效應(yīng)，可將系統(tǒng)的透射光 強度與入射光源的入射角的角度變化情況相關(guān)聯(lián)。同時，本發(fā)明所設(shè)計器件可用標準硅工 藝進行加工，可提高其生產(chǎn)效率，并降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種利用共振光隧穿效應(yīng)原理上高分辨率的特點，測量加速度的新 型結(jié)構(gòu)的加速度檢測器。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于共振光隧穿效應(yīng)的 加速度檢測器，包括固定框、彈性懸臂梁和質(zhì)量塊，
[0007] 所述質(zhì)量塊由半圓柱單元、長方體單元和共振單元組成，半圓柱單元和長方體單 元的數(shù)量均為兩個，共振單元和兩個長方體單元連接組成工字形結(jié)構(gòu)，兩個長方體單元為 工字形結(jié)構(gòu)的兩條平行梁，兩個半圓柱單元的方形面相對并通過該工字形結(jié)構(gòu)的連接，共 振單元與半圓柱單元的方形面平行;半圓柱單元、長方體單元和共振單元之間構(gòu)成兩個空 隙為兩個諧振腔；
[0008] 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半圓 柱單元的弧形面中央和兩個長方體單元的外側(cè)中央，另一端固定在固定框的內(nèi)壁上；
[0009] 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(fā)射的光線經(jīng)一個半圓柱單元的曲面折射后，在該半圓柱單 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(jīng) 過另一半圓柱單元，被光電探測器接收。
[0010] 所述固定框內(nèi)部通過彈性懸臂梁將質(zhì)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。
[0011] 彈性懸臂梁的作用是連接固定框和質(zhì)量塊，使質(zhì)量塊可以在固定框圍成的空間內(nèi) 自由活動，并在靜止狀態(tài)準確復(fù)位?；诒景l(fā)明加速度檢測器的結(jié)構(gòu)和原理，本領(lǐng)域技術(shù)人 員能夠通過試驗，合理的設(shè)計懸臂梁結(jié)構(gòu)。
[0012] 光源選擇單色光光源。光源發(fā)出的光線在到達質(zhì)量塊前，通過偏振片控制為P或S 偏振光，但不應(yīng)改變光線的入射方向。
[0013] 光電探測器的作用是接收來自質(zhì)量塊的透射光線并檢測光強，并將檢測到的光強 和其對應(yīng)的時間記錄并傳輸?shù)絾纹瑱C進行數(shù)據(jù)處理。
[0014] 由于本發(fā)明基于共振光隧穿效應(yīng)，所用質(zhì)量塊尺寸控制在微米級別，質(zhì)量塊的結(jié) 構(gòu)參考附圖3。所述質(zhì)量塊可拆分為兩半圓柱單元，共振單元，兩個長方體單元。質(zhì)量塊的兩 半圓柱單元對稱設(shè)置，且半徑均為R(半徑設(shè)置為加速度的測量提供必要數(shù)據(jù)條件）；共振單 元寬度為P且距離兩半圓柱均為心。所述質(zhì)量塊制作材料選擇硅，其折射率為n sl = 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：
[0015] S1:選取硅片作為材料，并對硅片進行清洗、烘干；
[0016] S2:在硅片上旋涂上光刻膠，然后將硅片和刻有加速度檢測器整體結(jié)構(gòu)圖案的掩 膜板固定；
[0017] S3:對固定好的硅片進行充分曝光；
[0018] S4:曝光結(jié)束后，對硅片上的光刻膠進行顯影；
[0019] S5:對硅片進行刻蝕處理之后進行清洗，形成加速度檢測器所需的整體結(jié)構(gòu)。
[0020] 所述的整體結(jié)構(gòu)指的是檢測器除光源和光電探測器之外的其他結(jié)構(gòu)。
[0021 ]由于本發(fā)明的加速度檢測器基于共振光隧穿效應(yīng)，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(jié)構(gòu)不限于附圖所示的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)果，對彈性懸臂梁的寬度、寬度變化、性狀等進行合理設(shè)計。
[0022] 基于本發(fā)明的檢測加速度的原理和檢測器的結(jié)構(gòu)，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(nèi)。例如，檢測器的框架和懸臂梁的材料并不限于硅，也不一 定要與質(zhì)量塊的材質(zhì)相同，與光的傳播沒有關(guān)系，之要能夠?qū)崿F(xiàn)各自的功能就可以了。
[0023] 質(zhì)量塊的材質(zhì)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(zhì)量塊的材質(zhì)不應(yīng)成為限制本申請保護范圍的因素。
[0024] 同樣的，僅有質(zhì)量塊為硅材質(zhì)的情況下，也優(yōu)選采用一體成型的標準硅工藝，如采 用一片長圓形的硅片刻蝕而成。這是由于結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhì)量塊，也不應(yīng)影響本發(fā)明對質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的保護。
[0025] 采用上述的加速度檢測器檢測加速度的方法，主要包括數(shù)據(jù)的采集和加速度的計 算。
[0026] 本發(fā)明一種基于共振光隧穿效應(yīng)的加速度檢測方法，所采用的原理是基于共振光 隧穿效應(yīng)。其中，入射光線以倏逝波的形式進入諧振腔中，