一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪

本发明属于惯性测量领域，特别涉及一种新型光机械陀螺仪。

背景技术：

1、随着物联网的快速发展，加之微纳技术的性价比优势，惯性测量单元(inertialmeasurement unit,imu)尤其是微型陀螺仪的应用激增，被广泛应用于生物医药、工业制造、科学研究、国家安全等各个领域。

2、微型陀螺仪成本低廉，性能优异，在军事和民用领域都具有重要价值。它们特别适用于需要高精度检测、导航和定位的领域。基于微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem,mems)技术的传统微型陀螺仪具有体积小、功耗低、价格便宜的特点。此外，它们可以批量生产，这进一步增强了它们的吸引力。

3、然而，使用传统mems技术开发的微型陀螺仪面临多项挑战。其中包括与测量稳定性、精度和满量程范围相关的问题。在性能指标方面，这些设备的优点和缺点参差不齐。加工成本、设备体积和环境稳定性等因素都发挥着作用，每个性能指标都会对其他指标施加制约。

4、传统mems技术如何克服精度/稳定性与带宽的相互制约是一个复杂的问题，而性能与成本之间的平衡如何进一步突破也被证明是一个重大难题，导致此类器件的研发面临一定的技术瓶颈。

5、目前，振动型mems陀螺仪是最有前景、应用最为广泛的mems陀螺仪类型，近年来，通过创新材料和结构设计制造高性能振动型mems陀螺仪已成为该类设备发展的一大趋势。

6、未来随着mems技术的不断发展以及对新材料和结构的探索，微陀螺仪将有望得到性能提升、成本降低的突破，不仅能突破目前的技术瓶颈，也将为该器件在各个领域的应用开辟新的可能性。

7、目前，最有前途和广泛报道的新型振动微机电系统(mems)陀螺仪是微半球谐振陀螺仪和嵌套环mems振动陀螺仪。嵌套环mems振动陀螺仪主要采用单晶硅作为材料，采用平面微加工工艺制造。经过温度补偿后，陀螺仪偏置稳定性达到0.01°/h，初步达到导航级精度。然而，晶体硅材料的热弹性阻尼限制了性能改进的潜力。

8、在结构层面，非硅基三维微机械加工制造技术的出现，使得打造超高灵敏度微壳谐振结构成为可能。在材料层面，可采用熔融石英、金刚石、蓝宝石等优质材料来改善结构。可减少内部阻尼损耗和不对称性，从根本上提高器件性能的上限。因此，结合这两方面的优点，基于熔融石英、金刚石、蓝宝石等优质材料的微半球谐振陀螺仪在高性能微陀螺能力方面具有更大的潜力。

9、腔光机械结构是一种新型腔结构，在微纳尺度上表现出光学腔模式与机械振荡模式之间强烈的耦合相互作用效应，是目前国际上迅速发展的重点研究方向。腔光机械结构表现出丰富的光与物质相互作用效应，可以实现量子基态冷却、量子纠缠、电磁诱导透明、慢波传播等独特物理现象，对经典物理、量子物理等基础领域的科学研究具有重要意义。

10、同时，腔体光机结构可以在激光激励下产生超稳定的机械振荡信号和丰富的光/机械多模耦合。这在军用和民用的精密仪器和精细测量、微纳光子学、电子学和通信等工程领域具有重要的应用需求。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，以多环光腔作为传感元件替代了传统的电容检测结构，可以间接检测谐振频率的位移。

2、本发明采用的技术方案为：一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，包括：一个底部基座；

3、一个位于底部基座上方的二氧化硅层；

4、一个位于二氧化硅层中央的半球壳形振荡器；

5、一个连接底部基座并用于支撑半球壳形振荡器的圆柱形支撑杆；

6、四个嵌入二氧化硅层的驱动电极；

7、四个位于二氧化硅层上的光学环形谐振器；

8、所述四个驱动电极与四个光学环形谐振器在半球壳形振荡器外围依次交叉间隔分布；所述四个驱动电极用于诱导半球壳形振荡器的初级谐振模式；所述四个光学环形谐振器用于检测半球壳形振荡器的二次谐振模式。

9、还包括隔离层，用于将底部基座与驱动电极隔离开。

10、本发明的有益效果：本发明的四个驱动电极放置在半球形谐振器周围，以诱导主谐振模式，特别是第一个酒杯模式变形；还包括实现强光机械耦合的四个光学环形谐振器，可以检测第二个酒杯模式变形并实现传感；

11、本发明陀螺仪的微半球壳的边缘与最近暴露的光环谐振器之间存在间隙，用作传感元件的光环谐振器具有较高的光学品质因数和较小的模式体积，有利于实现陀螺仪的高分辨率和低噪声；它还允许通过控制耦合距离和激光波长来调节光学谐振频率和功率；

12、本发明陀螺仪还具有每条波导中两个光栅耦合器的特点，每个耦合器的耦合效率为10％，并且在二氧化硅层和多晶硅层之间有一个隔离层。该层将驱动电极与作为负端的底部基座隔离开来，确保陀螺仪高效运行。这项突破性的发明代表了一种新型光机械微半球陀螺仪。

技术特征：

1.一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，还包括隔离层，用于将底部基座与驱动电极隔离开。

3.根据权利要求2所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，驱动电极与底部基座均采用掺硼多晶硅材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，四个驱动电极位于半球壳形振荡器的模态振幅波腹处。

5.根据权利要求4所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，四个光学环形谐振器整体在水平面以相对四个驱动电极整体偏差45度角设置。

6.根据权利要求5所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，半球壳形振荡器的边缘与最近的光学环形谐振器之间存在间隙。

7.根据权利要求6所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，间隙的宽度范围为0.1-1μm。

8.根据权利要求7所述的一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，其特征在于，各光学环形谐振器还连接一段波导，所述波导两端各包括一个光栅耦合器。

技术总结本发明公开一种基于半球形壳体和光学环形谐振器的新型光机陀螺仪，应用于惯性测量领域，针对传统微半球陀螺仪存在的加工工艺复杂、生产成本高、成品率低、可靠性差等关键技术问题。本发明展示了一种新型光机械陀螺仪，其结合了壳谐振器和光学环形腔谐振器的原理，以增强陀螺仪的性能。本发明以多环光腔作为传感元件替代了传统的电容检测结构，可以间接检测谐振频率的位移。结果表明，本发明的陀螺仪在发现弱角速度和弱振动方面有较好的性能，使其对角速度和角振动检测更加敏感。本发明利用腔光力系统独特的光机械耦合效应来提高微半球谐振腔的机械品质因数。技术研发人员：黄勇军,贾马哈森,鲜承伟,匡鹏举,王茂源,文光俊受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26