一种基于共振光隧穿效应的加速度检测器及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及加速度检测器，具体涉及基于共振光隧穿效应原理制作的加速度检测 器及检测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，加速度计应用于诸多方面，例如测量在交通事故中汽车的碰撞强度、检测飞 机的加速性能、以及桥梁在外部环境影响下的震动强度等。在微电子机械系统(MEMS)技术 高速发展条件下，以低功耗、易集成、微体积、微重量而著称的微机械加速度计脱颖而出，成 为微型惯性测量组合的核心器件。常用的MEMS加速度计有电容式和压阻式加速度计，电容 式加速度计主要包括悬臂梁和质量块。对于电容式加速度计，由于加速度计的尺寸很小，在 加速度作用下质量块因移动微小位移而引起的电容变化量非常微弱，从而影响加速度测量 准确性。压阻式加速度计主要由悬梁臂及质量块构成且将力敏电阻设置在悬梁臂上。质量 块在加速度作用下会产生一个相对的惯性力，由而引起悬臂梁形变，从而导致力敏电阻阻 值的变化。但是，大规模生产加速度计所需材料(如硅等半导体材料）的材料特性限制了压 阻式加速度计的敏感率。在光学技术不断进步下，采用光学方法测量微加速度以及微位移 量已经切实可行，从而使加速度的准确性测量不再受限于传统机械方法限制，进一步获得 提升空间。
[0003] 对于光学加速度计，其实现的基本思想与微机械加速度计有相同之处，均是依靠 检测质量块因加速度引起的位移变化来获得加速度的大小和方向。现在，集成光学加速度 计对加速度的检测一般是采用光的干涉原理实现，如光栅加速度计。传统光栅加速度计的 基本构成元件主要包括光源、导电光栅、导电薄膜、透明基底、光电转换元件。外界加速度的 变化会引起光栅加速度计腔长的改变，从而会改变检测到的干涉条纹的强度级次，通过对 光强的变化检测即可获得加速度。然而，在实现该加速度测量过程中，导电薄膜可能存在弯 曲变形，会影响到加速度计的测量精度。同时为实现高测量精度，将对整体机械结构的灵敏 度提出更高要求，增加了加工工艺难度。
[0004] 鉴于以上不足，本发明提出了一种利用共振光隧穿效应可实现高精度测量加速度 的检测方法。共振光隧穿效应，是一种新型的光学效应，可以极大地提高加速度计的灵敏度 检测及准确性测量。共振光隧穿效应基于相对简单的光学隧穿效应(受抑全内反射）。光学 隧穿效应发生在两个折射率分布从高到低的两个界面，在低折射率介质层很薄的情况下 (厚度小于入射波长），光线穿过全反射发生的界面，即穿过经典几何光学中光线不能穿过 的"壁皇"，形成透射(隧穿光线）。共振光隧穿效应指入射光线在入射角大于临界角后，入射 光线将在微米或者纳米光学腔中的共振效应。利用此共振光隧穿效应，可将系统的透射光 强度与入射光源的入射角的角度变化情况相关联。同时，本发明所设计器件可用标准硅工 艺进行加工，可提高其生产效率，并降低成本。
【发明内容】
[0005] 本发明提出了一种利用共振光隧穿效应原理上高分辨率的特点，测量加速度的新 型结构的加速度检测器。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于共振光隧穿效应的 加速度检测器，包括固定框、弹性悬臂梁和质量块，
[0007] 所述质量块由半圆柱单元、长方体单元和共振单元组成，半圆柱单元和长方体单 元的数量均为两个，共振单元和两个长方体单元连接组成工字形结构，两个长方体单元为 工字形结构的两条平行梁，两个半圆柱单元的方形面相对并通过该工字形结构的连接，共 振单元与半圆柱单元的方形面平行;半圆柱单元、长方体单元和共振单元之间构成两个空 隙为两个谐振腔；
[0008] 所述弹性悬臂梁有四个，四个弹性悬臂梁成十字分布，一端分别连接在两个半圆 柱单元的弧形面中央和两个长方体单元的外侧中央，另一端固定在固定框的内壁上；
[0009] 所述固定框上还固定有光源和光电探测器;所述光源和光电探测器的固定位置及 角度需要满足的条件为:光源发射的光线经一个半圆柱单元的曲面折射后，在该半圆柱单 元的平面上以大于全反射角的角度入射，以倏逝波的形式进入谐振腔，在其中共振后，再经 过另一半圆柱单元，被光电探测器接收。
[0010] 所述固定框内部通过弹性悬臂梁将质量块连接，固定框的框架上固定有光源和光 电探测器;整个检测器在通过固定框进行安装。
[0011] 弹性悬臂梁的作用是连接固定框和质量块，使质量块可以在固定框围成的空间内 自由活动，并在静止状态准确复位。基于本发明加速度检测器的结构和原理，本领域技术人 员能够通过试验，合理的设计悬臂梁结构。
[0012] 光源选择单色光光源。光源发出的光线在到达质量块前，通过偏振片控制为P或S 偏振光，但不应改变光线的入射方向。
[0013] 光电探测器的作用是接收来自质量块的透射光线并检测光强，并将检测到的光强 和其对应的时间记录并传输到单片机进行数据处理。
[0014] 由于本发明基于共振光隧穿效应，所用质量块尺寸控制在微米级别，质量块的结 构参考附图3。所述质量块可拆分为两半圆柱单元，共振单元，两个长方体单元。质量块的两 半圆柱单元对称设置，且半径均为R(半径设置为加速度的测量提供必要数据条件）；共振单 元宽度为P且距离两半圆柱均为心。所述质量块制作材料选择硅，其折射率为n sl = 3.42(适 用于红外入射光），采用一体成型的标准硅工艺完成，包括以下步骤：
[0015] S1:选取硅片作为材料，并对硅片进行清洗、烘干；
[0016] S2:在硅片上旋涂上光刻胶，然后将硅片和刻有加速度检测器整体结构图案的掩 膜板固定；
[0017] S3:对固定好的硅片进行充分曝光；
[0018] S4:曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影；
[0019] S5:对硅片进行刻蚀处理之后进行清洗，形成加速度检测器所需的整体结构。
[0020] 所述的整体结构指的是检测器除光源和光电探测器之外的其他结构。
[0021 ]由于本发明的加速度检测器基于共振光隧穿效应，检测器的尺寸在微米级别，适 宜于采用硅片整体制作。其中弹性悬臂梁的结构不限于附图所示的结构，本领域技术人员 可以根据模态仿真结果，对弹性悬臂梁的宽度、宽度变化、性状等进行合理设计。
[0022] 基于本发明的检测加速度的原理和检测器的结构，采用其他合适的材料制作成的 检测器也在本申请的保护范围内。例如，检测器的框架和悬臂梁的材料并不限于硅，也不一 定要与质量块的材质相同，与光的传播没有关系，之要能够实现各自的功能就可以了。
[0023] 质量块的材质也不限于硅片，只是硅片的刻蚀工艺更加成熟，材料成本和加工成 本更低，因此，质量块的材质不应成为限制本申请保护范围的因素。
[0024] 同样的，仅有质量块为硅材质的情况下，也优选采用一体成型的标准硅工艺，如采 用一片长圆形的硅片刻蚀而成。这是由于结构的尺寸太小，按部件分别加工组合困难，也容 易对光的传播产生较大的干扰，一体成型的影响则基本可以忽略。若有更先进的工艺可以 分部制作所述的质量块，也不应影响本发明对质量块结构的保护。
[0025] 采用上述的加速度检测器检测加速度的方法，主要包括数据的采集和加速度的计 算。
[0026] 本发明一种基于共振光隧穿效应的加速度检测方法，所采用的原理是基于共振光 隧穿效应。其中，入射光线以倏逝波的形式进入谐振腔中，