[发明专利]一种SiC基微光学高温加速度计及其设计方法

摘要

本发明公开一种SiC基高温微光学加速度计设计方法，属于MOEMS技术领域。本发明通过腔长差设计形成了错位双FP腔结构，实现了交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，提高了加速度计测量的量程；采用质量块表面镀高温增透膜的方式降低了噪声干扰，从而提高了测量精度；提出了SiC基微光学高温加速度计传感结构的微加工制作工艺，辅以耐高温的光纤与空心对准套管组合结构、耐高温封装设计，实现了加速度计敏感头的耐高温特性；通过SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构设计，形成了敏感头极佳的机械响应特性和位移灵敏度。本发明提高了加速度计抗高温等恶劣环境工作能力，同时在测量精度、动态测量范围及小型化等方面性能优异。

主权项

1.一种SiC基微光学高温加速度计，所述的微光学高温加速度计包括LD光源、单模光纤、耦合器、环形器A、环形器B、空心对准套管A、空心对准套管B、FP腔、SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构、增透膜、基底、探测器A、探测器B以及外部封装；所述的微光学高温加速度计通过腔长差设计形成了错位双FP腔结构，实现了交替变换的两路返回信号线性区域叠加的方式，提高了加速度计测量的量程；所述的微光学高温加速度计采用质量块表面镀高温增透膜的方式降低了噪声干扰，从而提高了测量精度；提出了SiC基微光学高温加速度计传感结构的微加工制作工艺，辅以耐高温的光纤与空心对准套管组合结构、耐高温封装设计，实现了加速度计敏感头的耐高温特性；所述的基底、SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构和外部封装组成敏感头；所述的增透膜设置在质量块的背面，增透膜材料为氧化铝，厚度e为e＝100nm；使用Al2O3作为增透膜降低反射信号，避免噪声干扰；基底材料选取派热克斯玻璃；外部封装材料选取AlN；所述LD光源与耦合器输入端之间通过单模光纤连接，耦合器、环形器A和环形器B均为三端口器件，环形器A的三个端口分别通过单模光纤连接有耦合器、探测器A和空心对准套管A，环形器B的三个端口分别通过单模光纤连接耦合器、探测器B和空心对准套管B；所述空心对准套管A和空心对准套管B固定在基底上，并且相互平行；所述空心对准套管A和空心对准套管B内的单模光纤的端面与质量块的反射面之间形成不同长度的两个FP腔；所述的环形器A与空心对准套管A之间的光路称为光路A，所述的环形器B与空心对准套管B之间的光路称为光路B；LD光源出射的光经过耦合器产生两束光分别通过环形器A和环形器B，再分别在单模光纤的端面产生反射光和透射光，透射光进入FP腔后在质量块的反射面发生反射后返回单模光纤，与单模光纤的反射光形成双光束干涉，干涉光分别经过环形器A和环形器B后，由探测器A和探测器B检测干涉光强；当待测加速度信号发生变化，SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构将发生位移变化，质量块位移变化亦即FP腔腔长变化随之引起返回干涉光信号强度变化，通过光强检测即可获得待测加速度信号；所述的SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构包括回旋形悬臂梁、质量块和基座，所述的回旋形悬臂梁、质量块和基座采用6H‑SiC晶片一体加工而成；质量块为正方形结构，四个回旋形悬臂梁相互正交回旋式分布在质量块四周，回旋形悬臂梁的短臂连接质量块，长臂连接基座；所述的SiC基回旋形悬臂梁‑质量块传感结构的梁机械刚度通过如下方式设计：式中η为常数，其值满足：式中G为悬臂梁剪切弹性模量，E为悬臂梁弹性模量，J为扭转系数，I为悬臂梁的截面惯性矩，l1和l2分别为回旋形悬臂梁的短臂长和长臂长。