[发明专利]一种基于纳米光栅的单片集成陀螺仪及其加工方法

说明书

本发明公开一种基于纳米光栅的单片集成陀螺仪及其加工方法，陀螺仪包括集成光源、带纳米光栅微谐振器和集成光电转换器；集成光源上对称设有第一反射面，两个第一反射面外侧分别设有光源，相邻两个第一发射面和光源之间设有第一光路；微谐振器由上至下包括盖帽、微谐振器和衬底，微谐振器包括质量块、驱动框架和解耦梁结构，可动光栅附着在微谐振器的质量块下方，可动光栅下方的衬底设有固定光栅，盖帽对应驱动框架四周处设有第一通孔，集成光源设有第二通孔；集成光电转换器上对称设有第二反射面，两个第二反射面外侧分别设有集成光电二极管，相邻两个第二发射面和集成光电二极管之间设有第二光路。本发明测量精度和集成度高、体积小、实用性强。

技术领域

本发明涉及微机电和惯性导航技术，具体涉及一种基于纳米光栅的单片集成陀螺仪及其加工方法。

背景技术

微惯性器件是测量物体运动加速度和角速度的关键器件，属于MEMS(微机械系统)产品之一，主要包括微机械加速度计和微机械陀螺仪。与传统惯性器件相比具有小尺寸、低功耗、低成本、便于批量生产等特点。

但是目前大量使用的MEMS陀螺仪大多采用电容检测的方案，精度有限且容易受到电磁干扰，为此研究人员提出将微机电与微光学结合，设计了微光机电陀螺仪。

光栅作为一种非常重要的光学元件，被广泛应用于集成光路、光通信、光学互连、光信息处理、光学测量等领域中。但是传统的光栅检测方案的体积过大，且需要搭建光路和专用的实验台，空间大、成本高、适用范围有限，但是目前对于纳米光栅的研究已经较为成熟，这种光栅可以集成在微惯性器件中，实现对微小形变、位移的高精度检测。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，降低陀螺仪内部的耦合效应并提高其测量精度，同时提高光学陀螺仪的集成度，降低成本，拓展其应用范围，本发明旨于提供一种基于纳米光栅的单片集成陀螺仪及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米光栅的单片集成陀螺仪，其特征在于，由上至下依次包括：集成光源、带纳米光栅的微谐振器和集成光电转换器；所述集成光源上对称设有第一反射面，两个第一反射面外侧分别设有光源，相邻两个第一发射面和光源之间设有第一光路；带有纳米光栅的微谐振器由上至下包括盖帽、微谐振器和衬底，微谐振器为双质量块结构微谐振器，包括质量块、驱动框架和解耦梁结构，驱动框架设在质量块外围，可动纳米光栅附着在谐振器的质量块下方，可动纳米光栅下方的衬底上设有固定光栅，盖帽对应驱动框架四周处设有第一通孔，集成光源设有与第一通孔数量相等且位置对应的第二通孔；集成光电转换器上对称设有第二反射面，两个第二反射面外侧分别设有集成光电二极管，相邻两个第二发射面和集成光电二极管之间设有第二光路。

上述第一光路和第二光路均包括波导与反射面。

工作原理：本发明基于纳米光栅的单片集成陀螺仪，外界通过金属导线、金属焊盘与微谐振器、集成光源和集成光电转换器实现电气连接，分别实现输入静电驱动信号、输入光源驱动信号和输出检测的光强信号。其中，静电驱动信号使驱动谐振器上的驱动框架运动，带动质量块联动，当角速度发生变化时，由于哥式效应，质量块会沿着与固定光栅垂直的水平方向产生运动，带动附着在质量块下表面的金属可动光栅运动，从而改变可动光栅与固定光栅组成的双光栅结构的周期。同时，集成光源在光源驱动电信号的作用下发生电光转换，发出的检测光通过集成光路被引入微谐振器中，依次通过玻璃盖帽、可动光栅、固定光栅和玻璃衬底后得到出射光，出射光经过下方的另一组集成光路被引入集成光电转换器，转换为电流信号，电流大小与出射光的光强正相关；由哥式力造成的光栅周期变化会使出射光的光强发生周期性的变化，因此光电转换器的输出电流大小也会随之变化，通过对该电流进行检测和解算就可以推算出角速度。

优选，所述驱动框架为静电驱动框架，驱动框架采用静电力驱动，通过第一通孔实现静电驱动的信号引入。