一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法与流程

1.本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法。


背景技术：

2.目前市场上主流的加速度计或者陀螺仪是通过差分电容的形式读取位移变化量，虽然成本极低，但是电容的输出一般为几十到几百皮法，负载能力低，易收到寄生电容，环境温度的影响，本身的误差比较大。
3.另外虽然有一些专利提出了用光学的方法探测加速度导致的位移变化，如典型的f-p腔结构，虽然精度高，但是需要使用相干光源、光学滤波等设备，整体的造价极高，导致市场应用的可能性极低。
4.鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是：
6.本发明提供一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法，具有高精度、低成本的综合优势。
7.本发明采用如下技术方案达到上述目的：
8.第一方面，本发明提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，包括激光器02、光电探测器03、准直透镜04和衍射式芯片05，所述激光器02和所述光电探测器03设于所述准直透镜04一侧，所述衍射式芯片05设于所述准直透镜04另一侧，使得所述激光器02发出的光能通过所述准直透镜04会聚到所述衍射式芯片05，并使得经所述衍射式芯片05发出的光能通过所述准直透镜04会聚到所述光电探测器03。
9.优选的，所述衍射式芯片05能对光进行衍射和反射，通过所述衍射式芯片05的衍射，形成零级光斑，通过所述衍射式芯片05的反射，使得所述零级光斑经过所述准直透镜04会聚到所述光电探测器03上的光敏面上。
10.优选的，所述衍射式芯片05分为上下两层，其中，上层用于光的衍射，下层用于光的反射；当外界的加速度变化时，上层和下层发生位移从而产生高度差的变化，使得所述零级光斑的光功率根据所述高度差的变化而变化。
11.优选的，所述衍射式芯片05上层包括上层外框07、悬臂梁08和质量块09，所述上层外框07、所述质量块09通过所述悬臂梁08连接；所述衍射式芯片05下层从外到内依次包括下层外框10、下层镀层11和下层凹层12；其中，所述质量块09与所述下层凹层12均设有镀层，且所述质量块09与所述下层凹层12呈相对设置。
12.优选的，所述质量块09上刻蚀几何形态的通孔，所述通孔呈阵列设置，通过所述通孔的衍射形成与不同几何形态相对应的零级光斑。
13.优选的，所述质量块09为上下两层的镂空结构，所述质量块09包括上层通孔和下
层通孔，所述上层通孔和所述下层通孔位置关系相互对应。
14.优选的，还包括第一衬底01和第二衬底13，所述第一衬底01位于所述准直透镜04一侧，所述第二衬底13位于所述准直透镜04另一侧；其中，所述第一衬底01用于所述激光器02和所述光电探测器03的连接固定，所述第二衬底13用于所述衍射式芯片05的连接固定。
15.优选的，所述激光器02和所述光电探测器03关于所述准直透镜04的轴线p呈对侧设置。
16.优选的，所述衍射式芯片05封装形式具体为双光纤分离式封装、单纤分离式封装或集成式封装。
17.第二方面，本发明提供一种衍射式加速度计、陀螺仪的制造方法，包括如下步骤：
18.将所述激光器02和光电探测器03设于准直透镜04一侧，所述衍射式芯片05设于准直透镜04另一侧，使得所述激光器02发出的光能通过准直透镜04会聚到衍射式芯片05，并使得经所述衍射式芯片05发出的光能通过准直透镜04会聚到光电探测器03；
19.将所述激光器02、光电探测器03、准直透镜04和衍射式芯片05进行封装；
20.通过光电探测器03接收到的衍射式芯片05反射的零级光斑光功率变化读取加速度值。
21.与现有技术相比，本发明所取得的有益效果在于：
22.本发明采用光学的简单封装，由激光器、光电探测器、准直透镜和衍射式芯片组成；其中，激光器和光电探测器都是光通信技术领域中极其成熟的产品，整体的价格低、功能可靠、性能稳定。
23.本发明利用外部加速度(包含加速度计使用中的外界加速度，以及陀螺仪产生的科里奥利加速度)的变化导致衍射式芯片上下层相对位移形成的光学衍射效应，可以高精度的读取外部加速度的变化量，任何微小位移量的测量都可以通过这种衍射式方法进行测量，测量精度高。
24.整体而言，本发明提出的一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法，具有高精度、低成本的综合优势，并且，本发明提出的衍射性加速度计、陀螺仪的制造方法，不仅能应用于衍射式加速度计、陀螺仪相关的技术领域，在传感器技术领域也具有极其多的应用前景。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作详细介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
26.图1为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪内部结构示意图；
27.图2为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪一种带光源监控的激光器封装示意图；
28.图3为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪另一种带光源监控的激光器封装示意图；
29.图4为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪衍射式芯片内部结构示意图；
30.图5为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪质量块的典型通孔方式示意图；
31.图6为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪质量块的另一种结构示意图；
32.图7为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪质量块的另一种结构光路传播示意图；
33.图8为实施例2提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪双光纤分离式封装应用示意图；
34.图9为实施例3提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪单光纤分离式封装应用示意图；
35.图10为实施例4提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪集成式封装结构示意图；
36.图11为实施例1提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪工作原理示意图；
37.图12为实施例5提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪制造方法流程图。
38.在附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：
39.01-第一衬底，02-激光器，03-光电探测器，04-准直透镜，05-衍射式芯片,06-光源监控，07-上层外框,08-悬臂梁,09-质量块,10-下层外框，11-下层镀层,12-下层凹层,13-第二衬底,14-封装帽子，15-毛细管，16-光纤，17-光学环形器，18-外封壳，19-内层封装帽，20-基底座，21-to引脚或电极，22-反射透射片。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
42.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
43.实施例1:
44.为了有效降低传统的方法探测加速度的成本，并且进一步提升光学检测加速度的市场应用的可能性，本实施例提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，如图1所示，包括激光器02、光电探测器03、准直透镜04和衍射式芯片05，所述激光器02和所述光电探测器03设于所述准直透镜04一侧，所述衍射式芯片05设于所述准直透镜04另一侧，使得所述激光器02发出的光能通过所述准直透镜04会聚到所述衍射式芯片05，并使得经所述衍射式芯片05发出的光能通过所述准直透镜04会聚到所述光电探测器03，整体光路传输的方向为激光器02-》准直透镜04-》衍射式芯片05-》准直透镜04-》光电探测器03。
45.所述的激光器02作为发射光源,可以选用体积小的半导体激光器，包括fp,vcsel,dfb,eml,dml,eel等，激光器02的上述任意类型均能满足使用的要求，其中，vcsel激光器输出的光斑为圆形，一般不需要光束整形，也更容易进行耦合，建议优先采用；针对其他类型的激光器02，为了得到更优的光斑，还可以按需要加入一个光束整形器，经光束整形器整形
后，即可得到更优形态的光斑；所述的激光器02作为发射光源，其本身的功率有可能随时间的变化而发生微小的变化，为了确保激光器02输出的光功率的稳定性，可以对激光器02的输出光功率进行监控，做为一种典型的实现方式，如图2-图3所示，还包括光源监控06，所述光源监控06设于预设位置，所述光源监控06用于监控激光器02输出的光功率波动，减少因激光器02输出光功率波动所带来的误差，所述预设位置，主要分布在激光器02的光路上，以便于对激光器02的光进行监控，具体的，如图2所示，若使用的是侧边发光的激光器02，则可以采用背光探测的方式，此时监控光源光源监控06设于在激光器02有背光的光路上，如图3所示，当使用的是垂直发光的激光器02，如vcsel激光器，则可以通过设置的反射透射片22，将激光器02的光反射一部分到监控光源光源监控06上，此时监控光源光源监控06设于在激光器02有反射光的光路上，其中，反射的光功率的比例范围为1％～50％；进一步的，为了防止监控光源光源监控06受到杂散光的影响，一般将激光器02和监控光源光源监控06以及反射透射片22(若有)封装成一个整体，以组合件和形式来应用，其中，激光器02和监控光源光源监控06以及反射透射片22(若有)可通过粘接的方式固定到合适的基底结构上。
46.所述光电探测器03一般可以选用pin(二极管)，apd(雪崩二极管)或者spad(单光子探测器)等，所述的光电探测器03主要负责接收准直透镜04会聚过来的经由衍射式芯片05衍射回来的反射光。
47.所述的准直透镜04，一般包括c透镜、g-lens和非球透镜，主要起到光的会聚的作用，首选是将激光器02发射的光会聚到衍射式芯片05，然后再将衍射式芯片05衍射回来的反射光会聚到光电探测器03上。
48.所述的衍射式芯片05，所述衍射式芯片05能对光进行衍射和反射，通过所述衍射式芯片05的衍射，形成零级光斑，通过所述衍射式芯片05的反射，使得所述零级光斑经过所述准直透镜04会聚到所述光电探测器03上的光敏面上，所述零级光斑，是光经过衍射后所形成的，通常零级光斑能量最多，光密度最大，亮度最高，光功率也最大，与零级光斑相对应的，还有一级光斑、二级光斑、...、n级光斑，随着光斑级数增加，其光功率逐步减弱。
49.为了实现光的衍射和反射，如图4所示，为本实施例中提供的一种衍射式加速度计、陀螺仪衍射式芯片05的内部结构示意图，所述衍射式芯片05分为上下两层，其中，上层用于光的衍射，下层用于光的反射；当外界的加速度变化时，上层和下层发生位移从而产生高度差的变化，使得所述零级光斑的光功率根据所述高度差的变化而变化；具体的，当外界的加速度增加时，所述上层和下层发生位移从而产生高度差也增加，此时零级光斑的光功率减小；当外界的加速度减小时，所述上层和下层发生位移从而产生高度差也减小，此时零级光斑的光功率增大；做为一种优选的实现方式，在本实施中，所述衍射式芯片05上层包括上层外框07、悬臂梁08和质量块09，所述上层外框07、所述质量块09通过所述悬臂梁08连接，所述悬臂梁08最好带有适度的弹性，以防止惯性作用下外部突发的或剧烈的加速度变化对上层外框07、质量块09造成影响，所述衍射式芯片05下层从外到内依次包括下层外框10、下层镀层11和下层凹层12；其中，所述质量块09与所述下层凹层12均设有镀层，且所述质量块09与所述下层凹层12呈相对设置，做为一种典型的实现方式，如图5所示，所述质量块09上刻蚀几何形态的通孔，所述通孔呈阵列设置，通过所述通孔的衍射形成与不同几何形态相对应的零级光斑，具体的，所述质量块09上会刻蚀n个栅条通孔或者mxn个栅格通孔，栅条或栅格可以为长方形窄间距的栅条孔组成，也可以由其他形状构成的二维栅格孔构
成，如长方形、正方形、菱形、圆形、五边形、三角形等等，本实施例中，如图4所示，是以选用圆形的通孔为例进行说明的，此时对应的零级光斑也为圆形的光斑(一级光斑、二级光斑、...、n级光斑零级光斑同呈同心圆，且逐级向外延伸，亮度逐级减弱)；质量块09的上表面还镀有一层反射膜，一般通过镀金或者镀铝完成，通过在09的上表面镀反射膜，这样就能将不经过栅条通孔或栅格通孔的光通过反射的方式有效滤除，只保留能通过上述栅条通孔或栅格通孔的光，从而得到较优的零级光斑；因上述栅条通孔或栅格通孔的存在，仍然会有一部分的光能通过栅条通孔或栅格通孔的孔壁的反射，最终进入到射式芯片05下层，进而对形成的零级光斑造成影响，为了进一步增强滤除能力，防止因孔壁光反射的光进入到射式芯片05下层，进而得到更优的零级光斑，本实施例还给出了质量块09的另一种优化的设计方案，如图6所述，所述质量块09为上下两层的镂空结构，所述质量块09包括上层通孔和下层通孔，所述上层通孔和所述下层通孔位置关系相互对应，此时，因为通孔孔壁的长度减少，通孔孔壁对光的反射也会减少，进一步的，还可以在下层通孔所在的上表面再镀一层反射膜，将通过上层通孔而不通过下层通孔的光进一步滤除；如图7所述，光线l1能通过质量块09上层通孔但不能经过下层通孔，会被下层反射掉，因此，光线l1无法到达射式芯片05下层，而光线l2能同时穿过质量块09上层通孔和下层通孔，因此光线l2能径直到达射式芯片05下层；通过这种镂空结构设计，将能径直通过通孔的光有效保留，减少了孔壁的反射光对零级光斑的影响，使得零级光斑更优，从而进一步提升加速度计或陀螺仪的精度。
50.在本实施例中，在下层凹层12和质量块09对应的位置也进行镀金或者镀铝，这样可以提高下层的反射率，增强衍射效应的作用；根据不同的应用场景，考虑到衍射式芯片05测量范围会有所不同，可按需要合理预留出质量块09的移动距离，在设计时，下层凹层12的深度相对于下层外框10所处平面而言要低一些，具体的，下层凹层12的深度比下层外框10的所处平面低1～10um(微米),由于光的波长通常为nm(纳米)，例如，常见的有1310nm的波长、1550nm的波长等，因此可以覆盖和满足绝大多数波长的光的衍射需要。
51.为了使得设于光路上的激光器02、光电探测器03和衍射式芯片05在工作状态下的稳定性，如图1和图8-图9所示，还包括第一衬底01和第二衬底13，所述第一衬底01和第二衬底13主要包括硅衬底、二氧化硅衬底、陶瓷衬底以及金属式衬底，例如，可伐金属衬底等，所述第一衬底01位于所述准直透镜04一侧，所述第二衬底13位于所述准直透镜04另一侧；其中，所述第一衬底01用于所述激光器02和所述光电探测器03的连接固定，所述第二衬底13用于所述衍射式芯片05的连接固定，所述连接固定方式，主要可通过胶粘或焊接等方式固定，关于固定的位置，做为一种优选的实现方式，所述激光器02和所述光电探测器03关于所述准直透镜04的轴线p呈对侧设置。
52.本实施例的实现过程如下，根据激光器02发出的光的波长，可事先将衍射式芯片05的上层(包括质量块09)和下层(包括下层凹层12)的位置关系设置好，如图11所示，以1个波长为例：
53.当应用于衍射式加速度计、陀螺仪时，当没有外界加速度时，衍射式芯片05的上层和下层的间隔为1/4波长的偶数倍(如图11中0、1/2波长和1波长处)，此时衍射式芯片05主要起到的是反射作用；当受到外界的加速度时，衍射式芯片05的上层和下层产生一定的高度差，从而产生衍射效应，因为衍射的效果，几乎所有的光能量都集中到零级光斑中，随着高度差的增大，零级光斑的能量会逐渐转移到其他能级的光斑中(一级光斑、二级光
斑、...、n级光斑)，当高度差增加为波长的1/4时，此时，衍射式芯片05的上层和下层的间隔为1/4波长的奇数倍(如图11中1/4波长和3/4波长处)，零级光斑能量衰减为零。
54.当应用于衍射式陀螺仪时，当没有外界加速度时，衍射式芯片05的上层和下层的间隔为1/4波长的偶数倍(如图11中0、1/2波长和1波长处)，此时衍射式芯片05主要起到的是反射作用；当受到外界的加速度时，衍射式芯片05的上层和下层产生一定的高度差，从而产生衍射效应，因为衍射的效果，几乎所有的光能量都集中到零级光斑中，随着高度差的增大，零级光斑的能量会逐渐转移到其他能级的光斑中(一级光斑、二级光斑、...、n级光斑)，当高度差增加为波长的1/4时，此时，衍射式芯片05的上层和下层的间隔为1/4波长的奇数倍(如图11中1/4波长和3/4波长处)，零级光斑能量衰减为零。
55.本实施例提出的衍射式芯片05除了能应用于衍射式加速度计或者衍射式陀螺仪技术领域以外，还能广泛应用于其他衍射式传感器技术领域，基于同样的原理，任何微小位移量的测量都可以通过这种衍射式方法进行测量。
56.通过准直透镜04将衍射式芯片05反射的零级光斑会聚到光电探测器03上的光敏面上，衍射式芯片05反射出的其他能级的光斑(一级光斑、二级光斑、...、n级光斑)由于角度不同，会聚到光电探测器03的光敏面以外，通过光电探测器03接收到的零级光斑的光功率变化，可以得出加速度计或者陀螺仪的加速度值。
57.需要说明的是，由于衍射效应对质量块09的栅条或者栅格的位移极其敏感，每移动1/4个波长的距离，零级光斑的能量就会衰减为0；为扩大测量的量程，还可采用计数的方式，通过光功率变化的周期数，以及当前的光功率值，就可以计算得出更大量程的加速度值。
58.本实施例提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，具有高精度、低成本的综合优势，并且其中的衍射式测量方法在传感领域，应用范围广。
59.实施例2:
60.在实施例1的基础上，结合实际的应用场景，本实施例2提供一种衍射式加速度计、陀螺仪在双光纤分离式封装结构下的具体应用，如图8所示，还包括封装帽子14、毛细管15、光纤16，在本实施例中，激光器02和光电探测器03封装到一端，可以使用单独封装好的带尾纤的激光器02和单独封装的光电探测器03，也可以将激光器芯片02和光电探测器芯片03封装成一个整体，例如，常规的to封装(同轴封装)结构，其中，激光器芯片02和光电探测器芯片03的控制可以采用金丝键合的方式引到外部，衍射式芯片05和准直透镜04封装到一端，可以采用烧结的工艺直接将准直透镜04直接烧结到封装帽子14上，中间采用两根光纤16作为传感的介质，一根光纤16作为发射光的传输介质，另外一根光纤16作为接收光的传输介质。
61.这种封装方式可以将衍射式加速度计或者衍射式陀螺仪的有源部分和无源部分进行分开，其中的有源部分和无源部分通过光纤16进行连接，有源部分指的是激光器芯片02和光电探测器03的所在端，有源部分需要进行电路控制，无源部分是指插针、准直透镜04、衍射式芯片05所在端。
62.本实施例可以应用于远端高精度的测量环境中，如海底探测等，可以避免探测端的电磁干扰等问题，光纤16和准直透镜04的固定通过将两根光纤16放入到一根毛细管15中，两根光纤16穿到毛细管15中通过胶水固定，其中光纤16和毛细管15组成的结构通常称
为插针，并且毛细管15的前端面需要研磨8度角，防止光纤端面回损问题导致激光器02的输出不稳定，毛细管15和准直透镜04通过胶水进行粘接，也可以采用毛细管15和透镜04外边再套接一个玻璃管进行粘接，在本实施例中，准直器透镜04为g-lens，应用中也可以将其替换为非球透镜、c透镜等。
63.本实施例提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，能应用于远距离、高精度的测量环境，同时抗干扰能力强。
64.实施例3:
65.在实施例1和实施例2的基础上，结合实际的应用场景，本实施例3提供一种衍射式加速度计、陀螺仪在单纤分离式封装结构下的具体应用，如图9所示，还包括光学环形器17，在本实施例中，以单根光纤16同时作为收发介质，在激光器02的后端接一个光学环形器17，通过光学环形器17，将返回的光信号输出到光电探测器03中。
66.本实施例提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，同样能应用于远距离、高精度的测量环境，且抗干扰能力强，本实施例通过光学环形器17的应用，还能节省光纤的传输费用，应用成本进一步降低。
67.实施例4:
68.在实施例1的基础上，结合实际的应用场景，本实施例4提供一种衍射式加速度计、陀螺仪在集成式的封装结构下的具体应用，如图10所示，还包括外封壳18、内层封装帽19、基底座20和to引脚或电极21，内层封装帽19和基底座20可以通过压阻焊、共晶焊、激光焊等方式连接到一起，其中，激光器02和光电探测器03通过粘接的方式粘接到基底座20上，激光器02和光电探测器03的控制方法，可以在内部通过金丝键合的方式，将激光器02和光电探测器03的电路接口，引到基底座20的to引脚或者电极21上，这样就可以将激光器02和光电探测器03的电路控制端口引出到封装外，衍射式芯片05通过粘接的方式直接固定到准直透镜04的上表面，因为准直器透镜04采用的是g-lens方案，其中透镜的焦距可以设计的非常小，外封壳18采用胶水转接的方法将整个结构封装成一个整体。
69.在本实施例中，准直器透镜04采用的是g-lens方案，其中的g-lens通过烧结的方式固定到内层封装帽19上，其中的准直透镜04也可以采用c透镜或者非球透镜，虽然c透镜和非球透镜的后焦距不为零，但是可以将衍射式芯片05粘接到外壳18上，即当使用的是c透镜或非球透镜时，相当于使得准直透镜04与衍射式芯片05保持一个合适的距离，同样能实现与g-lens类似的后焦距为零的应用效果。
70.本实施例提供一种衍射式加速度计、陀螺仪，可以实现集成式小型化的封装结构，能应用于体积小、集成要求程度高的场景。
71.实施例5:
72.为了有效降低传统光学的方法探测加速度导致的位移变化的成本，并且进一步提升光学检测的市场应用可能性，本发明提供一种衍射式加速度计、陀螺仪的制造方法，如图12所示，包括如下步骤：
73.步骤s101，将所述激光器02和光电探测器03设于准直透镜04一侧，所述衍射式芯片05设于准直透镜04另一侧，使得所述激光器02发出的光能通过准直透镜04会聚到衍射式芯片05，并使得经所述衍射式芯片05发出的光能通过准直透镜04会聚到光电探测器03。
74.其中，所述所述激光器02包括fp,vcsel,dfb,eml,dml,eel等，所述光电探测器03
包括pin(二极管)，apd(雪崩二极管),spad(单光子探测器)等，所述准直透镜04包括但g透镜，c透镜，非球透镜等，具体可根据使用需要灵活选择使用。
75.步骤s102，将所述激光器02、光电探测器03、准直透镜04和衍射式芯片05进行封装。
76.其中，所述封装形式包括双光纤分离式封装、单纤分离式封装或集成式的封装，具体可根据使用需要灵活选择使用。
77.步骤s103，通过光电探测器03接收到的衍射式芯片05反射的零级光斑光功率变化读取加速度值。
78.其中，所述加速度值通过外接的运算处理单元计算得出。
79.综上所述，本发明提出的一种衍射式加速度计、陀螺仪及其制造方法，具有高精度、低成本的综合优势，并且，本发明提出的衍射性加速度计、陀螺仪的制造方法，不仅能应用于衍射式加速度计、陀螺仪相关的技术领域，在传感器技术领域也具有极其多的应用前景。
80.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。