专利名称：导航传感器的微型偏振光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器设计领域，特别涉及了一种仿照昆虫复眼结构设计的导航传感 器的微型偏振光检测装置。
背景技术：
目前的导航传感器中给出方向信息的导航传感器主要有惯性陀螺仪、地磁罗盘， 天文六分仪等。惯性陀螺仪应用最为广泛，其瞬时精度虽然较高，但有误差积累，而且精度 高的陀螺仪成本较高、结构复杂；地磁罗盘是利用地磁场进行导航的传感器，形式多样，结 构简单，但是精度较低，且容易受到干扰；天文六分仪是利用光学方法计算方向信息的典型 传感器，其结构简单，精度较高，但是不能够实现自动给出方向信息，需要人工调节。专利申 请号为200810057351.0的可见光导航敏感器，发明人有王立、卢欣、尉志军、龚德铸，刘鲁， 通过对近星体、恒星进行成像，并计算得到卫星导航需要的近星体中心矢量、轨道高度和惯 性姿态，可见光检测装置结构复杂，并且计算相对复杂。专利申请号为200510110761. 3的 高精度偏振光导航仪，发明人有李代林、王向朝，黄旭锋，通过偏振光镜筒检测天空偏振光， 精度高，但是结构相对复杂，体积相对较大。
发明内容
本发明要解决的技术难题是针对上述专利的不足之处，设计一种用于导航传感器 的微型偏振光检测装置。具有体积小、结构简单、计算量相对较小、误差不累积的特点。本发明采用的技术方案装置有第一、第二、第三a、b、c三个通道，第一通道a由 第一、第二单元al、a2组成，第二通道b由第三、第四单元bl、b2组成，第三通道c由第五、 第六单元cl、c2组成，每个单元都具有一个微型光栅和一个光电薄膜，装置的底层为绝缘 体上硅晶片称为S0I片，S0I片有三层基地硅1、二氧化硅埋层2和N型掺杂硅基底3，六 个单元建立在N型掺杂硅基底3上；装置中六个单元的光电薄膜结构相同，光电薄膜敏感 波长为380-500纳米，光电薄膜的外圈有方形环状分割槽4，方形环状分割槽4向内有N型 重掺杂硅基底5是光电薄膜的负极；铝金属外电极6位于N型重掺杂硅基底5的上层；光 电薄膜的铝金属内电极8在N型重掺杂硅基底5和铝金属外电极6的内侧，作为光电薄膜 阴极的P型掺杂硅基底7与铝金属内电极8相连接，P型掺杂硅基底7是光电薄膜的光敏 区；六个单元微型光栅都位于光电薄膜光敏区上方，微型光栅分为两层，金属铝光栅10在 二氧化硅基底9上面；微型光栅窗口为正方形，每个单元微型光栅的占空比、周期和高度都 相同，微型光栅占空比是0. 5，周期是lOOnm，高度是160nm ；六个微型光栅排列方向不同，分 别以微型光栅的边长方向作为坐标轴，建立坐标系，光栅排列方向和坐标轴的夹角的正负 是以光栅排列方向逆时针旋转到坐标轴得到的锐角为正角，顺时针旋转到坐标轴得到的锐 角为负角；第一通道a的第一单元al微型光栅方向平行于y轴方向，第二单元a2微型光栅 方向平行于x轴方向；第二通道b的第三单元b 1微型光栅方向与x轴方向成30°角，第四 单元b2微型光栅方向与y轴方向成30°角；第三通道c的第五单元cl微型光栅方向与x轴成-30°角，第六单元c2微型光栅方向与y轴方向成-30°角。本发明的有益效果是采用本发明制作导航传感器的微型偏振光检测装置，通过检 测大气偏振光模式得到方向信息，结构简单、精度高，实时性强，可以用于导航系统中。
附图1-微型偏振光检测装置斜视图，附图2为微型偏振光检测装置顶层光栅排 列方向示意图，附图3-微型偏振光检测装置俯视图，附图4为微型偏振光检测装置剖视图 A，附图5为微型偏振光检测装置剖视图B，图中a-第一通道，b-第二通道，c-第三通道， al-第一单元，a2_第二单元，bl-第三单元，b2_第四单元，cl_第五单元，c2_第六单元， 1-基地硅，2- 二氧化硅层，3-N型掺杂硅基底，4-分割槽，5-N型重掺杂硅基底，6-铝金属外 电极，7-P型掺杂硅基底，8-铝金属内电极，9- 二氧化硅基底，10-金属铝光栅。
具体实施例方式结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。生物学家研究表明，一些昆虫，蟋蟀、蜜蜂、沙漠蚂蚁，甲壳虫等，能够通过感测天 空偏振光模式进行觅食等活动。生物这奇异的功能主要是依靠它们的复眼，进而生物学家 通过研究给出了这些昆虫复眼的结构。本发明根据昆虫的复眼结构，采用MEMS技术和集成 电路设计技术，制作了 一种用于导航传感器的微型偏振光检测装置。使用时，将装置每个通 道的两个单元输出电流连接到对数放大器两个电流输入引脚，然后将对数放大器输出电压 值进行简单处理，可以得到装置的y轴和正北方向夹角，装置的结构如图1所示。绝缘体上 硅晶片的基地硅1和二氧化硅埋层2作为整个装置的支撑部分，装置建立在绝缘体上硅晶 片的N型掺杂硅基底3上。装置由第一、第二、第三a、b、c三个通道，共六个单元构成，第一 通道a由第一、第二单元al、a2组成，第一通道b由第三、第四单元bl、b2组成，第一通道c 由第五、第六单元cl、c2组成，每个单元都具有微型光栅和光电薄膜两部分，微型光栅在光 电薄膜光敏区上。每个单元模拟昆虫复眼的一种神经感杆。六个单元的光电薄膜结构完全 相同，光电薄膜的敏感波长为380-500纳米，结构如图3、图4，图5所示，光电薄膜工作原理 是当有光照射在光电薄膜的光敏区时，产生光电流，电流强度正比与光强值。制作时，在绝 缘体上硅晶片片的N型掺杂硅基底3上，进行N型重掺杂，形成N型重掺杂区域5，作为光电 薄膜负极；然后进行P型重掺杂，形成P型重掺杂区域7，作为光电薄膜正极，P型重掺杂区 域7是光电薄膜的光敏区；分别在N型重掺杂区域5和P型重掺杂区域7上制作铝金属外 电极6和铝金属内电极8，将产生的光电流引出，这样就形成了光电薄膜。光电薄膜模拟昆 虫复眼感光结构，将光信号转换为电流信号。然后在光电薄膜光敏区采用纳米压印技术制作光栅。六个单元的光栅周期、占空 比和高度都相同，方向不同。每个单元光栅排列方向如图2所示，不同方向的光栅对相应方 向的天空偏振光敏感，这样相应的天空偏振光通过光栅，进入光电薄膜，转化为电流信号， 此电流信号就代表天空偏振光模式信息。类似于地磁场，天空偏振光模式信息在同一时间 和同一地点是固定的，本发明得到以电流表示的天空偏振光模式信息，将电流信号输入到 对数放大器两个电流输入引脚，取对数后得到电压值经过AD变换，输入到单片机进行计 算，可以得到微型偏振光检测装置的y方向与正北方向夹角，具体计算方法如下
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根据天空偏振光理论，同一时刻同一地点通过单个光栅的偏振光光强满足下式 其中，I是总光强，I = Ifflax+Ifflin, Ifflax和Imin分别是最大光强和最小光强，d是偏振 度，P是微型偏振光检测装置y方向与太阳子午线夹角，Pmax是使得 取最大值时微型偏振 光检测装置y方向与太阳子午线夹角，K是一个常数。按照附图2所示的光栅的排列方向， 通过每个单元的光栅的光强如下 天空偏振光通过光栅后经过光电二极管后转换为电流信号，由于光电薄膜产生的 电流和光强成正比，因此各个单元输出的电流值只需在公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)，(7)乘 以一个比例系数即可。将微型偏振光检测装置第一、第二、第三通道a，b，c分别对应两个单元的输出电 流接入对数放大器芯片两端，对数放大器工作运算公式为 Vout =log 10(I1/I2)
将三个通道的其中一个单元al，bl，cl输出分别作为，三个通道的另一个单元 a2, b2，c2输出分别作为12，得到三个电压输出值第一通道 第二通道 第三通道 对数放大器的输出电压值\，W可以经过AD转换变为数字量，这样采用单片机 用公式(9)，(10)，(11)中任意两个公式编程可以计算出导航信息微型偏振光检测装置y 方向与太阳子午线夹角^。太阳子午线与正北方向夹角在同一时间同一地点是固定值，具体 计算方法研究人员已经给出，因此只要将微型偏振光检测装置y方向与太阳子午线夹角识 加上一个固定角度就可以得到微型偏振光检测装置和正北方向夹角，用于导航。采用本发明的装置测量天空偏振光，用所得到的角度信息进行导航，计算量相对 较小、误差不累积、精度高。
权利要求
一种导航传感器的微型偏振光检测装置，其特征是装置有第1、第2、第3通道(a、b、c)，第1通道(a)由第一、第二单元(a1、a2)组成，第2通道(b)由第三、第四单元(b1、b2)组成，第3通道(c)由第五、第六单元(c1、c2)组成，每个单元都具有一个微型光栅和一个光电薄膜，装置的底层为绝缘体上硅晶片称为SOI片，SOI片有三层分别是基地硅(1)、二氧化硅埋层(2)和N型掺杂硅基底(3)，六个单元都建立在N型掺杂硅基底(3)上；装置中六个单元的光电薄膜结构相同，光电薄膜敏感波长为380-500纳米，光电薄膜的外圈有方形环状分割槽(4)，方形环状分割槽(4)向内有N型重掺杂硅基底(5)是光电薄膜的负极；铝金属外电极(6)位于N型重掺杂硅基底(5)的上层；光电薄膜的铝金属内电极(8)在N型重掺杂硅基底(5)和铝金属外电极(6)的内侧，作为光电薄膜阴极的P型掺杂硅基底(7)与铝金属内电极(8)相连接，P型掺杂硅基底(7)是光电薄膜的光敏区；六个单元微型光栅都位于光电薄膜光敏区上方，微型光栅分为两层，金属铝光栅(10)在二氧化硅基底(9)上面；微型光栅窗口为正方形，每个单元微型光栅的占空比、周期和高度都相同，微型光栅占空比是0.5，周期是100nm，高度是160nm；六个微型光栅排列方向不同，分别以微型光栅的边长方向作为坐标轴，建立坐标系，光栅排列方向和坐标轴的夹角的正负是以光栅排列方向逆时针旋转到坐标轴得到的锐角为正角，顺时针旋转到坐标轴得到的锐角为负角；第1通道(a)的第一单元(a1)微型光栅方向平行于y轴方向，第二单元(a2)微型光栅方向平行于x轴方向；第2通道(b)的第三单元(b1)微型光栅方向与x轴方向成30°角，第四单元(b2)微型光栅方向与y轴方向成30°角；第3通道(c)的第五单元(c1)微型光栅方向与x轴成-30°角，第六单元(c2)微型光栅方向与y轴方向成-30°角。
全文摘要
本发明导航传感器的微型偏振光检测装置属于传感器设计领域，特别涉及了一种仿照昆虫复眼结构设计的导航传感器的微型偏振光检测装置。检测装置有三个通道，每个通道由两个单元组，共六个单元。每个单元都具有一个微型光栅和一个光电薄膜来模拟昆虫复眼的一种神经感杆。装置的底层为绝缘体上硅晶片有三层基地硅、二氧化硅埋层和N型掺杂硅基底，六个单元建立在N型掺杂硅基底上。本发明具有结构简单，体积小，精度高等特点。通过这种方法得到的导航角度信息可靠性高，对环境的鲁棒性高，精度高，实时性高，可以用于要求较高的导航系统中。
文档编号G01C21/02GK101852614SQ20101020306
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者孟凡涛, 王志文, 褚金奎, 陈文静, 韩志涛 申请人:大连理工大学