一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，包括一个芯片级原子蒸汽室，其中原子蒸汽室由玻璃与刻有凹槽的硅片封闭而成，凹槽侧面作为反射激光的反射镜。原子蒸汽室中充有碱金属原子、惰性气体原子和缓冲气体。一个半导体激光器发出的激光分为两束光，其中一束光被四分之一波片转变成圆偏振光，被反射后进入原子蒸汽室，作为泵浦光；另一束被反射后进入原子蒸汽室，作为探测光。泵浦光和探测光在原子蒸汽室中正交。探测光与原子作用后被偏振分束器分为两束，分别采用光电探测器探测。本发明采用单个激光器、原子蒸汽室侧面的凹槽反射来得到泵浦光和探测光，采用法拉第磁光旋转效应探测信号，可用于实现高精度芯片NMR陀螺仪。
【专利说明】-种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及原子传感器领域，更具体涉及一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装 置，它适用于研制芯片核磁共振陀螺仪的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 陀螺仪用来测量物体的转动和方向，它是惯性导航定位系统中最重要的传感器 之一，为系统提供姿态和转动速率信息。采用微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术，陀螺仪可以制成芯片级，具有尺寸小、功耗低等特点，越来越受到人们 的关注。芯片陀螺仪在导弹、微小航行器导航有广泛应用需求。
[0003] 目前广泛使用的芯片陀螺仪属于机械陀螺仪，然而芯片机械陀螺仪有长期漂移率 大，对震动敏感等缺点，测量精度不理想。芯片核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR)陀螺仪是采用NMR技术的芯片级原子陀螺仪，NMR陀螺仪长期漂移率小，且不包含运 动部件，利用几乎不受外界干扰的原子惯性特性来测量旋转因此对震动不敏感，芯片级NMR 陀螺仪不仅测量精度高、还具有体积小、功耗低、测量动态范围大等优点。
[0004] NMR陀螺仪的工作原理为：核自旋不为零的原子在静磁场中以拉莫尔进动频率自 旋进动，该进动频率为，其中Y为原子自旋的旋磁比,?为陀螺仪提供的静磁场 强度。原子自旋本身具有惯性系统特征，因此当陀螺仪以角速度转动时，拉莫尔进动频 率将由变为《。1^= YHQ-〇^，通过Y、HQ和观测到的拉莫尔进动频率〇3^就可确定 陀螺仪的转动角速度ωρ
[0005] 实现NMR陀螺仪的技术方法：
[0006] (1)单个原子NMR信号非常弱，目前NMR陀螺仪通过探测大量原子的宏观平均行 为，反映拉莫尔进动频率的NMR信号强度与原子的宏观磁极矩呈正比。NMR陀螺仪常用方案 是采用一束与磁场同向的圆偏振强光束作为泵浦光对碱金属原子作极化抽运，通过极化的 碱金属原子与惰性气体原子的碰撞传递磁极矩使惰性气体极化，通过测量极化的惰性气体 原子宏观磁极矩获得陀螺仪的转动角速度ωρ惰性气体原子宏观磁极矩会随着时间衰减， 通常在原子蒸汽室中充入合适缓冲气体以减缓衰减速率。
[0007] (2)采用法拉第磁光旋转效应探测NMR信号是探测拉莫尔进动频率常用方案，该 探测方案陀螺仪具有装置结构简单、所获信号信噪比高的优点。该探测方案除用强泵浦光 对原子作极化抽运之外还用一束弱探测光与原子作用实施信号探测。探测光为线偏振光， 在原子蒸汽室内探测光束与泵浦光束相互正交。探测过程中沿探测光方向施加交流磁场， 交流磁场使得极化原子引起探测光偏振方向发生转动，利用偏振分束器提取探测光偏振变 化的信息，通过偏振变化信息获得陀螺仪的转动角速度ωρ
[0008] (3)法拉第磁光旋转效应方案通常设置很弱的&，使得^仏和两量接近以利 于测量，弱％导致准确确定它的值和保持它的稳定性均较困难。一种有效的方案是在原子 蒸汽室中充两种旋磁比不同的惰性气体原子，通过分别测量同处于％中的这两种原子，得 到ω<Λ^ = ΥΑ_ωΡ ω<Λ〇= 联解两个方程抵消4自身误差和4起伏误差的 影响。
[0009] NMR陀螺仪由物理单元和电路单元两个基本部分组成，物理单元包括光源、光学元 件、原子蒸汽室和光电探测等。芯片级NMR陀螺仪需要通过MEMS工艺实现芯片NMR陀螺仪 物理系统，虽然现已出现各种不同芯片NMR陀螺仪物理系统方案，但均存在各自问题：（1) MEMS原子蒸汽室普遍采用玻璃-硅-玻璃的三明治结构，泵浦光与探测光难以在光-原子 作用区实现相互正交；（2)两光由两个独立的半导体激光器提供，分别对两个激光器实施 温度控制、输出激光的频率和功率控制耗费资源多，另外两光性能独立变化，实施两光工作 状态相互配合困难；（3)虽有出现硅-玻璃-硅三明治结构MEMS原子蒸汽室方案，可以实 现泵浦光与探测光束在光-原子作用区相互正交，但却存在难以将光有效地耦合入原子蒸 汽室的缺点。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是在于提供了一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，结构简单， 使用方便，成本低，易于实现，且两光的相干性好，克服了现有芯片NMR陀螺仪难实现在原 子蒸汽室内两光束相互正交的困难，改善了 NMR信号质量，提高了芯片NMR陀螺仪精度。 [0011] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
[0012] 一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，包括VCSEL，还包括刻凹槽硅片和设置在 刻凹槽硅片上的玻璃片，刻凹槽硅片上设置有倒方锥台形的凹槽，凹槽与玻璃片之间的封 闭区域构成原子蒸汽室，原子蒸汽室中充有碱金属原子、一种或多种惰性气体原子以及一 种或多种缓冲气体，凹槽的侧面设置有反射镜，VCSEL发出激光束经过第一直角三棱镜分为 反射光和透射光，反射光被凹槽侧面的反射镜反射到原子蒸汽室作为探测光与原子作用， 透射光通过四分之一波片后被凹槽侧面的反射镜反射到原子蒸汽室作为泵浦光与原子作 用，泵浦光与探测光在原子蒸汽室中正交，探测光与原子作用后被凹槽侧面的反射镜反射 后被偏振分束器分为两束，分别采用光电探测器探测。
[0013] 如上所述的凹槽侧面设置的反射镜包括依次设置在凹槽的三个侧面的第二凹槽 侧面反射镜、第一凹槽侧面反射镜和第三凹槽侧面反射镜，VCSEL设置在激光器基座上，激 光器基座设置在玻璃片上，第一直角三棱镜的透射光经过四分之一波片转换成圆偏振光后 被第二直角三棱镜反射到第一凹槽侧面反射镜上，圆偏振光被第一凹槽侧面反射镜反射后 作为泵浦光，第一直角三棱镜的反射光被第三直角三棱镜反射到第二凹槽侧面反光镜上， 第二凹槽侧面反光镜将线偏振光反射到原子蒸汽室内作为探测光，探测光正交后被第三凹 槽侧面反光镜反射并入射偏振分束器，偏振分束器将入射光分为两束，其中一束被第一光 电探测器探测，另一束被第二光电探测器探测。
[0014] 如上所述的VCSEL和第一直角三棱镜之间还设置有凸透镜，VCSEL位于凸透镜的 焦点处。
[0015] 如上所述的第一直角三棱镜的透射光强占入射光强的85%?95%。
[0016] 如上所述的泵浦光的直径与倒方锥台形的凹槽的深度一致，所述的探测光的直径 与倒方锥台形的凹槽的深度一致。
[0017] 如上所述的VCSEL的线偏振光的偏振方向与玻璃片平行，所述的四分之一波片 的光轴方向与入射激光的偏振方向成45°夹角，所述的第二直角三棱镜的内角分别为 35. 26°、54. 74°和90°，所述的第三直角三棱镜的内角分别为35. 26°、54. 74°和90°， 所述的倒方锥台形的凹槽的三个侧面均与玻璃片的角度为54. 74°，第二直角三棱镜、第三 直角三棱镜的反射面与玻璃片夹角均为35. 26°，第二直角三棱镜、第三直角三棱镜的反射 面法线方向与入射激光束的入射方向夹角均为54. 74°。
[0018] 如上所述的刻凹槽硅片为〈100〉晶向硅片，倒方锥台形的凹槽的侧面由湿法各向 异性腐蚀得到。
[0019] 如上所述的第一凹槽侧面发射镜、第二凹槽侧面发射镜和第三凹槽侧面发射镜为 单层金属反射膜或多层介质反射膜。
[0020] 如上所述的刻凹槽硅片的表面与玻璃片通过阳极键合工艺贴合。
[0021] 如上所述的入射偏振分束器的激光与偏振分束器分束面夹角为45°，分束后的两 出射激光分别与第一光电探测器和第二光电探测器垂直。
[0022] 本发明泵浦光和探测光均由同一激光器产生，该方案物理系统成本低，易于实现， 且两光的相干性好；采用原子蒸汽室凹槽侧面作为反射镜实现泵浦光束与探测光束在原子 蒸汽室内相互正交，克服了现有芯片NMR陀螺仪难实现在原子蒸汽室内两光束相互正交的 困难；硅片的凹槽通过湿法刻蚀获得，与干法刻蚀增加刻蚀深度困难相比湿法刻蚀易于增 加凹槽的深度，因此可以方便地根据需要通过增加深度和扩大光斑扩大光-原子相互作用 体积，从而改善NMR信号质量，提高芯片NMR陀螺仪精度。
[0023] 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置的结构立体示意图。
[0025] 图2为一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置的结构俯视示意图。
[0026] 图3(a)为图2中沿A-A剖面光束示意图。
[0027] 图3(b)为图2中沿A-A剖面光束标记示意图。
[0028] 图4(a)为图2中沿B-B剖面光束示意图。
[0029] 图4 (b)为图2中沿B-B剖面光束标记不意图。
[0030] 图5为泵浦光束和探测光束在原子蒸汽室中正交的示意图。
[0031] 其中：1-刻凹槽硅片；2-玻璃片；3-第一凹槽侧面反射镜；4-第二凹槽侧面反射 镜；5-第三凹槽侧面反射镜；6-原子蒸汽室；7-VCSEL ;8_激光器基座；9-凸透镜；10-第一 直角三棱镜；11-四分之一波片；12-第二直角三棱镜；13-第三直角三棱镜；14-入射偏振 分束器；15-第一光电探测器；16-第二光电探测器。
【具体实施方式】
[0032] 实施例1 :
[0033] 现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
[0034] 如图1所示，一种芯片NMR陀螺仪物理单元装置，该装置包括刻凹槽硅片1、玻璃 片2、第一凹槽侧面反射镜3、第二凹槽侧面反射镜4、第三凹槽侧面反射镜5、原子蒸汽室6、 VCSEL7、激光器基座8、凸透镜9、第一直角三棱镜10、四分之一波片11、第二直角三棱镜12、 第三直角三棱镜13、入射偏振分束器14、第一光电探测器15、第二光电探测器16。其连接关 系是：凹槽由湿法刻蚀硅片得到，利用〈100〉晶向单晶硅片在KOH溶液中的各向异性腐蚀， 自腐蚀停止于（111)晶面，从而形成与硅片表面呈54. 74°的凹槽侧面，在凹槽侧面上镀反 射单层金属膜或多层介质膜实现反射镜面。例如，在凹槽不需镀膜预先镀有机膜，然后利用 硬掩模溅射TiW/Au对凹槽镀单层金膜，最后剥离有机膜，在需要的凹槽侧面实现金膜反射 镜面；如果采用多层介质膜可利用电子束蒸发镀膜方式蒸镀Ta 205/Si02多层介质膜，蒸镀 在不需要镀膜面上的介质膜通过化学机械研磨的方式去除，在需要的凹槽侧面实现多层介 质膜反射镜面。同这样的方法实现第一凹槽侧面反射镜3、第二凹槽侧面反射镜4和第三凹 槽侧面反射镜5。刻凹槽硅片1和玻璃片2通过阳极键合工艺贴合，刻凹槽硅片1和玻璃片 2形成的封闭区域为原子蒸汽室6,原子蒸汽室6中充有碱金属（例如铷87、铯133)、惰性 气体原子（例如氙129、氙131、氦3和等效作用的惰性气体中的两种）、缓冲气体（例如氮 气、甲烷或等效作用的气体）。
[0035] 图2为本发明装置的结构俯视示意图。如图2所示，VCSEL7提供线偏振激光，VCSEL 安装在激光器基座8上，出射光的偏振方向与玻璃面平行。沿出射光前进方向设置激光器 基座8、凸透镜9、作为部分反射镜的第一直角三棱镜10，其中凸透镜的焦点与VCSEL位置 重合，焦距满足将激光转换成直径与凹槽深度尺寸相等的平行光束。第一直角三棱镜10使 偏振平行于玻璃面的入射光束分为强度约为92:8的透射光与反射光。沿透射光前进方向 依次设置四分之一波片11、作为第一全反射镜的第二直角三棱镜（内角分别为35. 26°、 54. 74°、90° )12,线偏振透射光经四分之一波片11转换为圆偏振光，经第二直角三棱 镜12反射后通过玻璃片2进入原子蒸汽室，经第一凹槽侧面反射镜3反射后与原子作用。 沿反射光前进方向上设置作为第二全反射镜的第三直角三棱镜（内角分别为35. 26°、 54.74°、90° )13,透射线偏振光经第三直角三棱镜13反射进入蒸汽室，经第一凹槽侧面 反射镜3反射后与原子作用，经反射镜面5反射，经玻璃窗口出射原子蒸汽室入射偏振分光 棱镜，入射偏振分光棱镜的光束被分为偏振特性不同的反射光束和透射光束，反射光束和 透射光束分别被第一光电探测器15和第二光电探测器16探测。
[0036] 图3(a) (b)分别为图2中沿A-A剖面光束及光束标记示意图。发散的线偏振光束 al经凸透镜9转变为平行光束a2, a2经过第一直角三棱镜10后92%光强的激光透射成 为透射光束a3,线偏振光束a3经四分之一波片11后成为圆偏振光束a4，a4经第二直角三 棱镜12全反射成为光束a5, a5入射原子蒸汽室经第一凹槽侧面反射镜3反射后成为光束 a6,泵浦光束a6在原子蒸汽室6中与碱金属原子作用，将碱金属原子极化，极化的碱金属原 子通过耦合作用将惰性气体极化。
[0037] 图4(a) (b)分别为图2中沿B-B剖面光束及光束标记示意图。图3(b)中平行光 束a2入射第一直角三棱镜10后8%光强的激光被反射成为反射光束bl，bl经第三直角三 棱镜13全反射成为光束b2, b2入射原子蒸汽室经第二凹槽侧面反射镜4反射后成为探测 光束b3,偏振方向平行于玻璃2表面的b3在原子蒸汽与泵浦光束a6在图5中X区域正交。 由于法拉第磁光旋转效应与原子作用后b3的的偏振方向发射变化，b3经第三凹槽侧面反 射镜5反射成为光束b4,入射偏振分束器14的b4被分为两光束，其中保持偏振方向与玻璃 2表面相平行的光分量成为反射光束b5被第一光电探测器15探测，与b5偏振方向相垂直 的光分量成为透射光束b6被第二光电探测器16探测。
[0038] 如上所述，本发明泵浦光和探测光均由同一激光器产生，该方案物理系统成本低， 易于实现，且两光的相干性好；采用原子蒸汽室侧面的凹槽反射实现泵浦光束与探测光束 在原子蒸汽室相互正交，克服了芯片NMR陀螺仪难以实现两光束在原子蒸汽室相互正交的 困难；湿法刻蚀方法易于增加硅片凹槽的深度，因此可以方便地根据需要通过增加深度和 扩大光斑扩大光-原子相互作用体积，从而改善NMR信号质量，本发明装置中的器件和结构 适合集成，可以实现芯片级物理系统。
[0039] 以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
【权利要求】
1. 一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，包括VCSEL (7)，其特征在于，还包括刻凹 槽硅片（1)和设置在刻凹槽硅片（1)上的玻璃片（2)，刻凹槽硅片（1)上设置有倒方锥台形 的凹槽，凹槽与玻璃片（2)之间的封闭区域构成原子蒸汽室（6)，原子蒸汽室（6)中充有碱 金属原子、一种或多种惰性气体原子以及一种或多种缓冲气体，凹槽的侧面设置有反射镜， VCSEL(7)发出激光束经过第一直角三棱镜（10)分为反射光和透射光，反射光被凹槽侧面 的反射镜反射到原子蒸汽室（6)作为探测光与原子作用，透射光通过四分之一波片后被凹 槽侧面的反射镜反射到原子蒸汽室（6)作为泵浦光与原子作用，泵浦光与探测光在原子蒸 汽室中正交，探测光与原子作用后被凹槽侧面的反射镜反射后被偏振分束器分为两束，分 别采用光电探测器探测。
2. 根据权利要求1所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的凹槽侧面设置的反射镜包括依次设置在凹槽的三个侧面的第二凹槽侧面反射镜（4)、第 一凹槽侧面反射镜（3)和第三凹槽侧面反射镜（5)，VCSEL (7)设置在激光器基座（8)上，激 光器基座（8)设置在玻璃片（2)上，第一直角三棱镜（10)的透射光经过四分之一波片（11) 转换成圆偏振光后被第二直角三棱镜（12)反射到第一凹槽侧面反射镜（3)上，圆偏振光被 第一凹槽侧面反射镜（3)反射后作为泵浦光，第一直角三棱镜（10)的反射光被第三直角三 棱镜（13)反射到第二凹槽侧面反光镜（4)上，第二凹槽侧面反光镜（4)将线偏振光反射 到原子蒸汽室（6)内作为探测光，探测光与泵浦光正交后被第三凹槽侧面反光镜（5)反射 并入射偏振分束器（14)，偏振分束器（14)将入射光分为两束，其中一束被第一光电探测器 (15)探测，另一束被第二光电探测器（15)探测。
3. 根据权利要求2所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的VCSEL(7)和第一直角三棱镜（10)之间还设置有凸透镜（9)，VCSEL(7)位于凸透镜（9) 的焦点处。
4. 根据权利要求1所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的第一直角三棱镜（10)的透射光强占入射光强的85%?95%。
5. 根据权利要求1所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的泵浦光的直径与倒方锥台形的凹槽的深度一致，所述的探测光的直径与倒方锥台形的凹 槽的深度一致。
6. 根据权利要求2所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所 述的VCSEL(7)的线偏振光的偏振方向与玻璃片（2)平行，所述的四分之一波片（11)的 光轴方向与入射激光的偏振方向成45°夹角，所述的第二直角三棱镜（12)的内角分别为 35.26°、54. 74°和90°，所述的第三直角三棱镜（13)的内角分别为35.26°、54. 74° 和90°，所述的倒方锥台形的凹槽的三个侧面均与玻璃片（2)的角度为54. 74°，第二直 角三棱镜（12)、第三直角三棱镜（13)的反射面与玻璃片（2)夹角均为35.26°，第二直角 三棱镜（12)、第三直角三棱镜（13)的反射面法线方向与入射激光束的入射方向夹角均为 54.74。。
7. 根据权利要求1所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的刻凹槽硅片（1)为〈100〉晶向硅片，倒方锥台形的凹槽的侧面由湿法各向异性腐蚀得到。
8. 根据权利要求2所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的第一凹槽侧面发射镜（3)、第二凹槽侧面发射镜（4)和第三凹槽侧面发射镜（5)为单层金 属反射膜或多层介质反射膜。
9. 根据权利要求1所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的刻凹槽硅片（1)的表面与玻璃片（2)通过阳极键合工艺贴合。
10. 根据权利要求2所述的一种芯片核磁共振陀螺仪物理单元装置，其特征在于，所述 的入射偏振分束器（14)的激光与偏振分束器（14)分束面夹角为45°，分束后的两出射激 光分别与第一光电探测器（15)和第二光电探测器（15)垂直。
【文档编号】G01C19/60GK104048657SQ201410322514
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】顾思洪, 张奕, 陈杰华, 吴红卫, 王远超 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所