采用导模谐振的角传感器、系统以及方法技术方案

一种角度传感器、系统和方法利用导模谐振。该角传感器包括导模谐振（ＧＭＲ）光栅和谐振处理器。谐振处理器确定入射到ＧＭＲ光栅上的信号的入射角。谐振处理器使用ＧＭＲ光栅对信号的导模谐振响应来确定入射角。角感测系统包括ＧＭＲ光栅、谐振处理器并进一步包括产生信号的光源。该方法包括：提供ＧＭＲ光栅、当接收到入射信号时检测在ＧＭＲ光栅中产生的导模谐振，并根据ＧＭＲ光栅对入射信号的响应中出现的导模谐振的数目或这些导模谐振之间的光谱距离来确定入射信号的入射角。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及传感器。具体地，本专利技术涉及被用作角传感器的装置。2.关联技术的说明角传感器在很多种场合中应用以确定和监测角取向和角运动。例如，角传感器一 般应用于控制系统以监测和控制该系统的特定元件的取向和/或运动。采用角传感器的应 用范围大至宇宙飞船和卫星姿态/取向控制、小至制造过程中确定衬底的取向。因而，角传 感器和角感测一般可以在例如消费电子、汽车、制造设备、导航系统甚至通信系统(例如天 线位置控制)的装置和系统中找到。总地来说，角传感器和角感测可分成两类绝对角传感器/感测和相对角传感器/ 感测。绝对角传感器/感测确定目标的绝对取向(且经常为绝对位置)。绝对角或位置传 感器的例子是在惯性参照系中测量目标的加速度的惯性传感器。另一方面，相对角传感器/ 感测确定目标相对于基准目标、角或方向(例如基准角)的相对角或取向。光角传感器一 般用作相对角传感器。示例性光学相对角传感器通常采用基准光信号的激光干涉和/或准 直。微机电系统(MEM)惯性位置传感器已出现在角感测场合中。遗憾的是，MEM装置 对制造和部署而言常常阻却性地昂贵。基于角感测的激光干涉仪和准直光源同样昂贵并通 常要求稳定的(常常是极端稳定的)工作条件以实现准确的角确定。即使非常简单的基于 角形反射器的直角入射检测器也会随着时间流逝而遭遇质量下降和校准偏移，这部分地因 为环境因素造成的反射器表面条件变化。此外，这些技术经常在集成到集成电路(IC)或在 要求传统制造技术的生产过程中产生问题。简述在本专利技术的一些实施例中提供一种角传感器。该角传感器包括导模谐振(GMR)光栅和谐振处理器。谐振处理器确定入射到GMR光栅上的信号的入射角。谐振处理器根据 GMR光栅对信号的导模谐振响应来确定入射角。在本专利技术的其它实施例中提供一种角感测系统。该角感测系统包括产生光信号的 光源。该角感测系统还包括导模谐振(GMR)光栅。该GMR光栅产生对入射到GMR光栅表面 上的光信号的导模谐振响应。该角感测系统还包括使用导模谐振响应来确定光信号对GMR 光栅表面的入射角的谐振处理器。所确定的入射角是由角感测系统存储和输出的入射角中 的一者或两者。在本专利技术的其它实施例中提供一种入射角确定方法。该入射角确定方法包括提供 导模谐振(GMR)光栅。该入射角确定方法还包括检测当受到入射信号时在GMR光栅中产生的导模谐振。入射角确定方法还包括根据导模谐振的数量和导模谐振之间的光谱距离中的 一者或两者确定入射信号的入射角。导模谐振出现在GMR光栅对入射信号的响应中。本专利技术的某些实施例具有作为上文中描述特征的附加或代替中的一者或两者的 其它特征。本专利技术的这些和其它特征将通过参照下面的附图变得详细。附图简述本专利技术实施例的多个特征可结合附图参照下面的详细说 明而更容易理解，其中相 同附图标记表示相同结构部件，在附图中附图说明图1示出根据本专利技术一个实施例的角传感器的框图。图2A示出根据本专利技术一个实施例的一维(ID) GMR光栅的横截面图。图2B示出根据本专利技术另一实施例的ID GMR光栅的横截面。图3示出根据本专利技术一个实施例的二维(2D) GMR光栅的立体图。图4示出与图1的角传感器关联的导模谐振的示例性光谱图。图5示出根据本专利技术一个实施例的角感测系统的框图。图6示出根据本专利技术一个实施例的入射角确定的方法的流程图。详细说明本专利技术的实施例有利于确定信号入射角和确定平整表面相对于入射信号的角取 向中的一者或两者。具体地说，该平整表面是导模谐振(GMR)光栅的表面。通过信号在GMR 光栅中诱发的导模谐振被用来确定入射角。本专利技术的基于GMR的角确定实施例基本呈现出 高灵敏度、高角分辨率和大动态范围。此外，这些基于GMR的角确定实施例相对不易受到信 号强度波动的影响，并且这些实施例中的一者或全部对于平整表面的某一物理质量下降有 相对弹性并能实现例如高刷新率(> IMHz)。因而，基于GMR的角确定可应用于很宽范围的 工作环境或工况并可用于大量应用中。基于GMR的角确定中采用的GMR光栅可集成到或集成入基本任何表面，并通常利 用相对小的形状因数或表面上的覆盖区域。具体地说，GMR光栅是使用包括但不局限于电路 制造中使用的基于微米光刻法/纳米光刻法的表面布图的许多传统制造方法制造而成的。 例如，可采用传统半导体制造技术(例如CMOS兼容制造工艺)在集成电路(IC)表面上建 立GMR光栅。因而，本专利技术各实施例中采用基于GMR的角确定的角传感器可轻易地与IC上 的传统电路集成。此外，这种示例性集成角传感器可例如使用目前可获得的制造方法实现 在小至1平方毫米(mm)的表面覆盖区域内。在本文中，“导模谐振”定义为通过例如衍射光栅的相位匹配部件在波导中激起同 时从波导提取的反常谐振。入射到衍射光栅上的激励信号或波(例如光)耦合于其中，并 在例如入射角和信号波长的某些组合的某些情形下本质上但通常临时地作为谐振模式中 的能量被“捕获”在波导中。谐振模式可例如显示为金属光栅表面上的表面波的激励(即 表面等离子体激元)或表现为波导的电介质层本体内的谐振波(例如导模或准导模)。被 捕获的能量可从波导中逃逸，并建设性和毁坏性地与通过光栅反射的信号或通过光栅透射 的信号组合。导模谐振通常也被称为“散逸式谐振”。本文使用的“导模谐振(GMR)光栅”被定义为能支持导模谐振的与波导耦合的任 何衍射光栅。GMR光栅也被命名和称为“谐振光栅波导”和“电介质波导光栅”。例如，光学 GMR光栅可包括电介质片波导，在该波导的一个表面层上形成有衍射光栅。衍射光栅可包括形成在电介质板表面上的凹槽或凸脊。在另一示例中，GMR光栅是电介质板内具有周期交 变的折射率的平整介质板(例如相位光栅)。示例性相位光栅可通过在介质板中或贯穿介 质板形成周期性阵列的孔而形成。在其中激励出导模谐振的GMR光栅表面上入射的信号可 同时被提取作为从GMR光栅的入射表面反射的反射信号(即反射波)或透过GMR光栅并逸 出GMR光栅与入射表面相对的一侧的透射信号(即透射波)中的一者或两者。 在各实施例中，GMR光栅可以是一维(ID)光栅或二维光栅。ID GMR光栅可例如包 括一组平行和基本平直的凹槽，这些凹槽仅沿第一方向(例如沿χ轴)周期排列。2D GMR光 栅的一个例子包括介质片或介质板中的孔阵列，在该介质片或介质板中，这些孔沿两个正 交方向(例如沿χ轴和y轴两者)周期地间隔排列。对GMR光栅和导模谐振的进一步讨论可 在例如Magnusson等人的美国专利No. 5，216，680和Wawro等人的美国专利No. 7，167，615 中找到，这两篇文献均通过援弓I整体包含于此。GMR光栅特征之一是入射波的入射角与GMR光栅响应之间的角度关系。该响应可 以是反射响应或透射响应。考虑一种包括相对浅或薄的介质层并具有光栅周期Λ的一维 GMR光栅。作为该一维光栅的入射波的自由空间波长λ的函数的平面波矢量β通过等式 (1)的频散关系给出。I7Tβ (X) = Tteff {λ)—(1)A其中nrff ( λ )是光栅导模的有效折射率。有效折射率Iirff ( λ )是导模在ID GMR光 栅中传播的材料的折射率的加权平均值。ID GMR光栅内的平面动量的准导模和波长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角传感器，包括：导模谐振（ＧＭＲ）光栅；以及谐振处理器，所述谐振处理器根据所述ＧＭＲ光栅对信号的导模谐振响应来确定入射在所述ＧＭＲ光栅上的所述信号的入射角。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：DA法塔勒，A派亚特，RG博索雷，W吴，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：发明
国别省市：US[美国]