[发明专利]一种芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺

说明书

本发明属于微传感器领域，具体涉及一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺。该陀螺将声表面行波模式敏感结构与谐振式微环谐振腔光学检测结构结合在一起应用于陀螺仪中，利用声光效应将一次声表面波与科氏力导致的二次声表面波振动引起器件晶体的机械应变转换成器件上刻蚀的光波导的折射率变化，使得在该波导中传输的光信号发生衍射，从而产生频率调制，同时利用谐振原理的微谐振腔剥离一次声表面波引入的频率变化，得到包含有外部角速度信息的输出信号。利用谐振式微环谐振腔的品质因数与检测分辨率成比例关系，提高接口检测分辨率的量级，在提升灵敏度、改善分辨率等多个方面同时优化陀螺仪的性能指标，实现其精度的提高。

技术领域

本发明属于微传感器领域，具体涉及一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺。

背景技术

陀螺仪作为测量载体角速度信息的仪器，是惯性导航系统的重要组成部分，在军事领域及民用领域都具有重要的应用需求。其中，陀螺精度是影响导航系统性能的关键参数之一，对精准定位、姿态控制等起着决定性的作用。因此研发更高精度的陀螺仪是国内外研究学者开展惯性技术前沿基础研究的核心内容。

当前，MEMS固态波动陀螺因其全对称拓扑特征结构而使其具有体积小、动态范围宽以及抗冲击性和稳定性良好等优势成为国际研究热点。然而其精度明显弱于光纤陀螺的精度，其性能的提升会受到现有几何结构拓扑、精密加工修调、微弱信号测控等技术因素的诸多限制，因此，探索新型压电/光电/声光效应晶体材料基底、多物理场耦合敏感原理、固态波动敏感拓扑、光相位调制器结构等多种能够显著增强信号灵敏度的创新方法是提升片上固态波动陀螺精度的必然要求。

固态声光陀螺作为固态波动陀螺仪一种，利用声光效应将带有角速度信息的信号用光学方式进行检测。基于MEMS技术的片上固态声光陀螺在国外仅有卡内基梅隆大学于2018年通过驻波模式将声波敏感结构与光检测结构简单集成，初步获得了陀螺效应，但是驻波模式要求的叉指换能器、反射器等结构复杂繁琐、结构拓扑的几何约束关系及其敏感等特征导致微弱的结构/工艺误差会极大的衰减信号灵敏度；而行波模式具有的结构及几何关系简单等特征，适用于误差难以避免的MEMS器件，目前国内外均未见基于行波模式的芯片级固态声光耦合陀螺片上一体化报道，在国内更是未见公开的基于MEMS技术的固态声光陀螺片上集成一体化实施方案。因此本发明首次提出一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺实现方案，该方案具有两个显著的特色：第一，采用基于行波模式的MEMS固态声光陀螺片上一体化结构；第二，采用全谐振式MEMS声光陀螺敏感/检测实现方式。这两个方面的创新点使得基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺突破现有MEMS固态波动陀螺的精度极限成为可能。

发明内容

本发明提供了一种新型基于MEMS技术的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺，首次将声表面行波模式敏感结构与谐振式微环谐振腔光学检测结构结合在一起应用于陀螺仪中，利用声光效应将一次声表面波与科氏力导致的二次声表面波振动引起器件晶体的机械应变转换成器件上刻蚀的光波导的折射率变化，使得在该波导中传输的光信号发生衍射，从而产生频率调制，同时利用谐振原理的微谐振腔剥离一次声表面波引入的频率变化，得到包含有外部角速度信息的输出信号。利用谐振式微环谐振腔的品质因数与检测分辨率成比例关系，提高接口检测分辨率的量级，在提升灵敏度、改善分辨率等多个方面同时优化陀螺仪的性能指标，实现其精度的提高。

参阅图1，本发明提出的芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺包括基底及置于基底上表面的陀螺结构；

所述基底实现压电、光电及声光效应，其常见形式为：从上到下依次为铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-铌酸锂晶体层、铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-石英晶体层或铌酸锂晶体层-二氧化硅晶体层-硅晶体层等。所述基底的最上薄膜层需要具有声光效应，将基底材料受到的机械应变转换为材料折射率的变化。