本发明涉及光学微腔加速度传感器，具体是一种大量程腔光力加速度传感器及测量方法。
背景技术：
1、光学微腔加速度传感器因其具有抗干扰能力强的优点，而被广泛应用于加速度信号的测量。然而在实际应用中，现有光学微腔加速度传感器由于自身结构所限，存在如下问题：其一，现有光学微腔加速度传感器在测量高g值加速度信号时，其敏感单元容易发生断裂，由此导致其量程较小。其二，现有光学微腔加速度传感器在工作过程中，其光路中存在较大的噪声和漂移，由此导致其测量精度较低。基于此，有必要发明一种大量程腔光力加速度传感器及测量方法，以解决现有光学微腔加速度传感器量程较小、测量精度较低的问题。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有光学微腔加速度传感器量程较小、测量精度较低的问题，提供了一种大量程腔光力加速度传感器及测量方法。
2、本发明是采用如下技术方案实现的：
3、一种大量程腔光力加速度传感器，包括激光器、电光调制器、分束器、第一光衰减器、1×2光开关、光功率计、第二光衰减器、光环行器、封装盒、平衡光电探测器、示波器、频谱仪、计算机、pid控制器、低通滤波器、压控振荡器；
4、封装盒的顶壁贯通开设有透光微孔；封装盒的内腔封装有敏感单元；所述敏感单元包括soi衬底；所述soi衬底包括自下而上依次层叠的底硅层、氧化层、顶硅层；底硅层的下表面层叠有底二氧化硅层；顶硅层的上表面层叠有顶二氧化硅层；顶二氧化硅层的上表面开设有微凹腔，且微凹腔同时贯穿顶二氧化硅层和顶硅层；顶二氧化硅层的上表面层叠有氮化硅薄膜，且氮化硅薄膜覆盖于微凹腔的开口上；氮化硅薄膜的上表面与透光微孔正对；soi衬底、底二氧化硅层、顶二氧化硅层、微凹腔、氮化硅薄膜均呈正方形；
5、激光器的出射端通过电光调制器与分束器的入射端连接；分束器的第一个出射端通过第一光衰减器与平衡光电探测器的第一个入射端连接；分束器的第二个出射端与1×2光开关的入射端连接；1×2光开关的第一个出射端与光功率计的入射端连接；1×2光开关的第二个出射端通过第二光衰减器与光环行器的第一端口连接；光环行器的第二端口与封装盒上的透光微孔连接；光环行器的第三端口与平衡光电探测器的第二个入射端连接；平衡光电探测器的信号输出端一方面依次通过示波器、频谱仪与计算机的信号输入端连接，另一方面依次通过pid控制器、低通滤波器、压控振荡器与电光调制器的调制端连接。
6、分束器的分光比为50:50；第一光衰减器、第二光衰减器均为可变光衰减器；1×2光开关为机械光开关；封装盒的内壁贴附有采用铁磁合金制成的屏蔽箔层；封装盒的内腔为真空腔；透光微孔内密封嵌设有凸透镜；底二氧化硅层的厚度、顶二氧化硅层的厚度均为2μm。
7、所述敏感单元采用如下步骤制备而成：
8、步骤一：选取soi衬底，并将soi衬底进行清洗；
9、步骤二：在soi衬底的底硅层的下表面沉积底二氧化硅层，在soi衬底的顶硅层的上表面沉积顶二氧化硅层；
10、步骤三：在顶二氧化硅层的上表面旋涂光刻胶层，并在光刻胶层上制作光刻图形；
11、步骤四：沿光刻图形在顶二氧化硅层和顶硅层上刻蚀形成微凹腔；
12、步骤五：去除光刻胶层；
13、步骤六：选取氮化硅薄膜，并将氮化硅薄膜键合于顶二氧化硅层的上表面，同时保证氮化硅薄膜覆盖于微凹腔的开口上，由此制得敏感单元。
14、所述步骤一中，所述清洗包括有机超声清洗和无机酸碱清洗；所述步骤二中，采用icpcvd工艺进行沉积；所述步骤三中，光刻胶为az6130光刻胶，旋涂速度为3000r/min；所述步骤四中，采用反应离子刻蚀工艺和深反应离子刻蚀工艺进行刻蚀；所述步骤五中，采用丙酮和无水乙醇去除光刻胶。
15、一种大量程腔光力加速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种大量程腔光力加速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
16、首先，拨动1×2光开关，使得1×2光开关的入射端和第一出射端接通，由此使得传感器进入校准模式；校准模式具体为：激光器发出探测光，探测光经电光调制器入射到分束器，并经分束器分为两路光信号：第一路光信号经第一光衰减器入射到平衡光电探测器；第二路光信号经1×2光开关入射到光功率计；此时，通过光功率计对探测光的功率进行校准；
17、然后，拨动1×2光开关，使得1×2光开关的入射端和第二出射端接通，由此使得传感器进入工作模式；工作模式具体为：激光器发出探测光，探测光经电光调制器入射到分束器，并经分束器分为两路光信号：第一路光信号经第一光衰减器入射到平衡光电探测器；第二路光信号依次经1×2光开关、第二光衰减器、光环行器、封装盒上的透光微孔入射到氮化硅薄膜的上表面，并经氮化硅薄膜的上表面反射后依次经封装盒上的透光微孔、光环行器入射到平衡光电探测器；两路光信号经平衡光电探测器转换为电信号；电信号传输至示波器，并经示波器转换为谐振谱；谐振谱一方面显示于示波器上，另一方面传输至频谱仪；频谱仪提取出谐振谱的谐振频率，并将谐振谱的谐振频率传输至计算机；
18、在工作模式下，当加速度信号作用于氮化硅薄膜时，氮化硅薄膜发生上下谐振，使得谐振谱的谐振频率发生变化；此时，pid控制器根据电信号生成控制信号，控制信号依次经低通滤波器、压控振荡器施加至电光调制器，由此将探测光锁定在谐振谱一侧的最大斜率处；计算机实时监测谐振谱的谐振频率变化量，并将谐振谱的谐振频率变化量代入传感器的加速度测量方程，由此计算出加速度；所述传感器的加速度测量方程表示如下：
19、；
20、式中：表示加速度；表示氮化硅薄膜的弹性模量；表示氮化硅薄膜的厚度；表示谐振谱的谐振频率变化量；表示氮化硅薄膜的等效质量；表示氮化硅薄膜的边长；表示氮化硅薄膜的泊松比。
21、该方法还包括计算传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限，具体计算公式如下：
22、；
23、式中：表示传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；表示玻尔兹曼常数；表示绝对温度；表示氮化硅薄膜无阻尼时的共振频率；表示氮化硅薄膜的等效质量；表示氮化硅薄膜的机械振荡品质因数。
24、与现有光学微腔加速度传感器相比，本发明具有如下优点：其一，本发明利用氮化硅薄膜刚度极大的特性（通过图9所示氮化硅薄膜的外力-位移曲线图可以看出：当外力为15000nn时，氮化硅薄膜无明显断裂，这表明氮化硅薄膜的刚度极大），设计了抗断裂能力更强的敏感单元，增加了挠性支承的约束力，该敏感单元在测量高g值加速度信号时不易发生断裂，由此使得本发明的量程更大。其二，本发明设计了全新的光路，该光路通过引入反馈回路，有效减小了光路中的噪声和漂移，由此使得本发明的测量精度更高。
25、本发明有效解决了现有光学微腔加速度传感器量程较小、测量精度较低的问题，适用于加速度信号的测量。
1.一种大量程腔光力加速度传感器，其特征在于：包括激光器（1）、电光调制器（2）、分束器（3）、第一光衰减器（4）、1×2光开关（5）、光功率计（6）、第二光衰减器（7）、光环行器（8）、封装盒（9）、平衡光电探测器（16）、示波器（17）、频谱仪（18）、计算机（19）、pid控制器（20）、低通滤波器（21）、压控振荡器（22）；
2.根据权利要求1所述的一种大量程腔光力加速度传感器，其特征在于：分束器（3）的分光比为50:50；第一光衰减器（4）、第二光衰减器（7）均为可变光衰减器；1×2光开关（5）为机械光开关；封装盒（9）的内壁贴附有采用铁磁合金制成的屏蔽箔层；封装盒（9）的内腔为真空腔；透光微孔内密封嵌设有凸透镜；底二氧化硅层（13）的厚度、顶二氧化硅层（14）的厚度均为2μm。
3.根据权利要求1所述的一种大量程腔光力加速度传感器，其特征在于：所述敏感单元采用如下步骤制备而成：
4.根据权利要求3所述的一种大量程腔光力加速度传感器，其特征在于：所述步骤一中，所述清洗包括有机超声清洗和无机酸碱清洗；所述步骤二中，采用icpcvd工艺进行沉积；所述步骤三中，光刻胶为az6130光刻胶，旋涂速度为3000r/min；所述步骤四中，采用反应离子刻蚀工艺和深反应离子刻蚀工艺进行刻蚀；所述步骤五中，采用丙酮和无水乙醇去除光刻胶。
5.一种大量程腔光力加速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种大量程腔光力加速度传感器实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
6.根据权利要求5所述的一种大量程腔光力加速度测量方法，其特征在于：该方法还包括计算传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限，具体计算公式如下：
