一种腔光机械振动陀螺制造技术

本发明专利技术请求保护一种腔光机械振动陀螺，属于谐振式光学陀螺技术和微光机电技术领域。基于环形微腔结合哥氏振动原理实现的新型腔光机械哥氏振动微陀螺，其驱动与检测将完全不同于现有的电或磁的常规方式，本发明专利技术在传统哥氏振动陀螺敏感角速率结构原理基础上，运用腔光机械技术实现振动陀螺的驱动检测与传感全光化，在根本上抑制在电或磁驱动下引入的各项噪声性质(包括热噪声、交叉干扰、连接点噪声和正交误差等)，并在微腔光机械效应下通过频率移动与光振幅的线性关系获取位移(振动)传感信息，从而在机械学和光学交叉领域完整和系统地研究一种新型陀螺，使其具备高灵敏度、高带宽、高动态范围和高稳定性等性能特征。

A cavity light mechanical vibration gyroscope

【技术实现步骤摘要】
一种腔光机械振动陀螺
本专利技术属于谐振式光学陀螺技术和微光机电
，特别保护了一种新型腔光机械振动陀螺，包括结构设计和驱动检测方法。
技术介绍
陀螺仪(简称陀螺)是用一种物体转动角速率检测的惯性器件，微陀螺是一种陀螺技术和微电子机械系统(Micro-electro-mechanicalSystems,MEMS)技术相结合，测量角度或角速率的惯性传感器。目前，按工作原理不同，陀螺可以分为机械转子式陀螺、光学陀螺和振动陀螺。机械转子式陀螺、光学陀螺(包括光纤陀螺和激光陀螺等)虽然在精度上能够满足要求，但对于航空航天，导弹制导等应用领域来说，其抗过载能力很弱，且结构复杂、体积较大、成本高。传统振动陀螺灵敏度普遍偏低的根本原因正是受限于原理性电、磁噪声影响，这种噪声大，使得陀螺必须在机械谐振频率点上工作才能获得较好的信号输出质量。这种传统器件必须具有理想的谐振频率点，而要获得理想的谐振频率点则需要在封装过程中对结构参数进行非常准确的调整，这一过程往往又受限于加工精度。为在复杂环境中获得好的敏感性能，传感器的机械品质因数需设计得非常大，这就加大了机械驱动和检测频率匹配的结构设计难度。另外，增大品质因数会减少测量带宽，相应也会减少传感器的动态测量范围。随着微机械加工工艺和测控技术的不断成熟，微光机电(Micro-optical-electro-mechanicalSystems,MOEMS)陀螺仪的精度不断提高，与光纤陀螺和激光陀螺相比具有体积更小、质量更轻的优点；与MEMS惯性器件相比，其灵敏度高、无运动部件，抗电磁干扰能力强，可在一些恶劣环境下使用。如何结合各类振动陀螺的优势，研究影响陀螺精度的关键因素，实现精度高和微型化的兼顾，研制出高精度、微型化振动陀螺，对促进我国的国民经济和武器装备的发展，提高自主创新能力，具有重要的战略意义。2015年雷龙海(文献：雷龙海.光学微环谐振腔应力调制研究[D].中北大学,2015.)研究的一类利用直波导和微环光学谐振腔耦合的新型力敏MOMES传感检测结构，但是其平面式的结构设计，如果运用在陀螺上灵敏度低。2018年加州理工学院KhialPP(文献，KhialPP,et.al.,Nanophotonicopticalgyroscopewithreciprocalsensitivityenhancement[J]，NaturePhotonics,2018,12(11):671.)根据sagnac效应工作原理设计出全集成纳米光子光学陀螺，其面积仅占2mm2，但是这仅存于理论阶段，并且所需求的高精度高成本的仪器设备对我国民用领域是一个很大的考验。
技术实现思路
本专利技术在传统哥氏振动陀螺敏感角速率结构原理基础上，提出运用腔光机械技术实现振动陀螺的驱动与检测传感全光化方法，研究一种具备高灵敏度、高精度、高稳定性等性能的微型化的腔光机械振动陀螺。本专利技术的技术方案如下：一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，包括：驱动微纳光纤(1)、驱动环形腔(2)、连接结构(3)、敏感环形腔(4)、支撑结构(5)、底座(6)及检测微纳光纤(7)，所述底座(6)上设置有支撑结构(5)，支撑结构(5)用于连接和支撑驱动环形腔(2)，所述驱动环形腔(2)和敏感环形腔(4)为立体双环谐振腔结构通过连接结构(3)相连接，且间距通过连接结构(3)可以调节，所述驱动微纳光纤(1)用于耦合驱动环形腔(2)，检测微纳光纤(7)用于耦合敏感环形腔(4)，驱动环形腔(2)为陀螺驱动振动结构，敏感环形腔(4)为陀螺敏感角速率振动结构。其中驱动光(泵浦激光)通过驱动微纳光纤(1)耦合进入驱动环形腔(2)，调节光源输出，其中满足谐振条件的光信号在驱动环形腔(2)中产生回音壁模式(WGM)谐振，驱动环形腔(2)的振动通过连接结构(3)传递到敏感环形腔(4)，在垂直于敏感环形腔(4)的Z轴方向输入待检测角速率WZ，敏感环形腔(4)在X方向产生哥式力作用，且在该力作用下产生X方向机械振动，敏感环形腔(4)的光耦合进入检测微纳光纤(7)，用于光检测。进一步的，所述支撑结构(5)从力学稳定性考虑设计为三角型。进一步的，所述驱动环形腔(2)和敏感环形腔(4)采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长SiN和SiO2材料并结合微纳加工技术来实现。进一步的，驱动光(泵浦激光)通过驱动微纳光纤(1)耦合进入驱动环形腔(2)，调节光源输出，其中满足谐振条件的光信号在驱动环形腔(2)中产生WGM谐振，具体包括：首先，调整微纳光纤(1)与驱动环形腔(2)之间耦合距离实现最佳耦合；然后，泵浦激光通过驱动微纳光纤(1)倏逝场耦合进入驱动环形腔(2)内，且在驱动环形腔(2)内形成光学WGM谐振；最后，通过选择WGM谐振模式来激发驱动环形腔(2)不同的机械振动，实现驱动环形腔内的光机械力学效应，以满足新型光机械哥氏振动陀螺光驱动方式。进一步的，通过调节驱动光输入波长激发驱动环形腔(2)内光机械效应，使驱动环形腔(2)出现在Y方向的机械谐振，即实现了振动陀螺的驱动模式且机械谐振频率为ωdy，进一步的，所述连接结构(3)为SiN材料，作为机械传动结构，用于将驱动环形腔(2)的机械谐振传递到敏感环形腔(4)，这样敏感环形腔(4)在Y方向上产生与驱动环形腔(2)上相同频率ωdy的机械振动。进一步的，当无外界角速率输入时，检测光通过检测微纳光纤(7)耦合进入敏感环形腔(4)内部，此时选择输入光频低于敏感环形腔(4)的腔谐振频率，此时敏感环形腔(4)的声子向检测光的光子发生能量转移，由此敏感检测光实现对敏感环形腔的“冷却”，敏感环形腔(4)具有相同频率的机械振动，这样导致检测光出现斯托克斯和反斯托克斯散射现象，会对敏感环形腔(4)内的检测光场进行调制，其检测光的调制量同样被反应到输出的光信息中。进一步的，当外界角速率输入为Ω时，当沿着Z方向上外界输入角速率Ω时，则此时敏感环形腔(4)在X方向产生哥式力作用，且在该力作用下产生X方向机械振动，即为敏感环形腔(4)在X方向陀螺振动，其机械振动信息与外界输入角速率Ω成比例关系；通过对敏感环形腔X方向的哥氏振动检测即可获得角速率传感信息；当输入的角速率为Ω时，敏感环形腔(4)发生在X方向机械振动同样会引起对检测光场的调制，出现斯托克斯和反斯托克斯散射现象，该处出现的光调制为陀螺哥氏振动引起，同样反映到输出光信息中。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术在传统哥氏振动陀螺敏感角速率结构原理基础上，创新地设计了光激励谐振腔和分立双环的哥氏振动检测谐振腔，有望解决陀螺仪输出信噪比受机械增益影响的难题，这种自适应光机械振动理论上可以大幅提高驱动模块的长期稳定性，使得不同频率下的驱动光信号均可获得稳定的高灵敏度，让同时具备高精度和高带宽的惯性参量方式成为可能。提出运用腔光机械技术实现振动陀螺的驱动与检测传感全光化方法，解决长期困扰哥氏振动陀螺的精度低，噪声难以抑制问题，可极大减轻基于电子电路驱动的限制，改善器件的分辨率和灵敏度，有效抑制噪声，满足高灵敏度测量要求；也合理规避了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，包括：驱动微纳光纤(1)、驱动环形腔(2)、连接结构(3)、敏感环形腔(4)、支撑结构(5)、底座(6)及检测微纳光纤(7)，所述底座(6)上设置有支撑结构(5)，支撑结构(5)用于连接和支撑驱动环形腔(2)，所述驱动环形腔(2)和敏感环形腔(4)为立体双环谐振腔结构通过连接结构(3)相连接，且间距通过连接结构(3)可以调节，所述驱动微纳光纤(1)用于耦合驱动环形腔(2)，检测微纳光纤(7)用于耦合敏感环形腔(4)，驱动环形腔(2)为陀螺驱动振动结构，敏感环形腔(4)为陀螺敏感角速率振动结构。其中驱动光(泵浦激光)通过驱动微纳光纤(1)耦合进入驱动环形腔(2)，调节光源输出，其中满足谐振条件的光信号在驱动环形腔(2)中产生回音壁模式(WGM)谐振，驱动环形腔(2)的振动通过连接结构(3)传递到敏感环形腔(4)，在垂直于敏感环形腔(4)的Z轴方向输入待检测角速率Ω

【技术特征摘要】
1.一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，包括：驱动微纳光纤(1)、驱动环形腔(2)、连接结构(3)、敏感环形腔(4)、支撑结构(5)、底座(6)及检测微纳光纤(7)，所述底座(6)上设置有支撑结构(5)，支撑结构(5)用于连接和支撑驱动环形腔(2)，所述驱动环形腔(2)和敏感环形腔(4)为立体双环谐振腔结构通过连接结构(3)相连接，且间距通过连接结构(3)可以调节，所述驱动微纳光纤(1)用于耦合驱动环形腔(2)，检测微纳光纤(7)用于耦合敏感环形腔(4)，驱动环形腔(2)为陀螺驱动振动结构，敏感环形腔(4)为陀螺敏感角速率振动结构。其中驱动光(泵浦激光)通过驱动微纳光纤(1)耦合进入驱动环形腔(2)，调节光源输出，其中满足谐振条件的光信号在驱动环形腔(2)中产生回音壁模式(WGM)谐振，驱动环形腔(2)的振动通过连接结构(3)传递到敏感环形腔(4)，在垂直于敏感环形腔(4)的Z轴方向输入待检测角速率ΩZ，敏感环形腔(4)在X方向产生哥式力作用，且在该力作用下产生X方向机械振动，敏感环形腔(4)的光耦合进入检测微纳光纤(7)，用于光检测。


2.根据权利要求1所述的一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，所述支撑结构(5)从力学稳定性能考虑设计为三角型。


3.根据权利要求1所述的一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，所述驱动环形腔(2)和敏感环形腔(4)采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长SiN和SiO2材料并结合微纳加工技术来实现。


4.根据权利要求1所述的一种腔光机械振动陀螺，其特征在于，所述驱动光(泵浦激光)通过驱动微纳光纤(1)耦合进入驱动环形腔(2)，调节光源输出，其中满足谐振条件的光信号在驱动环形腔(2)中产生WGM谐振，具体包括：首先，调整微纳光纤(1)与驱动环形腔(2)之间耦合距离实现最佳耦合；然后，泵浦激光通过驱动微纳光纤(1)倏逝场耦合进入驱动环形腔(2)内，且在驱动环形腔(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，杨慧慧，路永乐，邸克，邹新海，方针，卜继军，付乐乐，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50