【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及慣性傳感器的領域，并且更具體地，本專利技術涉及集成在原子芯片中的干涉測量慣性冷原子傳感器。更具體地，本專利技術涉及在對慣性參數(通常是旋轉速度)的測量期間使用的陀螺儀類型的原子芯片上冷原子傳感器，其使用微波場和適當的dc電流在空間上分離和移動在兩個內部狀態下的兩個原子云。
技術介紹
1、通常，慣性傳感器是使得有可能測量與移動相關的物理參數(諸如加速度或角速度)的設備，其在與時鐘相關聯時允許確定空間位置。測量加速度和旋轉速度的設備被稱為慣性測量單元(imu)。
2、芯片上冷原子干涉測量法技術允許執行這種類型的慣性測量，并且往往足夠緊湊并且表現得足以在嵌入式應用中使用。
3、冷原子陀螺儀的操作是基于干涉測量法的，并且測量干涉儀的相位差允許獲得對旋轉的測量。
4、在冷原子干涉儀中，使原子(諸如銣87)的兩個電子狀態(即第一內部狀態|a>和第二內部狀態|b>)以ramsey順序進行干涉。ramsey干涉儀順序經由對選擇的狀態|a>或|b>的至少一個群的測量(優選地，為了更大精度，對兩個群的測量)來測量在該順序的實現期間累積的相位
5、為了使這樣的干涉儀對旋轉是敏感的，兩個狀態都必須跟蹤界定非零區域的閉合路徑，并且針對|a>和|b>在相反方向上這樣做。因此，取決于sagnac效應并且因此取決于旋轉速度的項被添加到兩個狀態之間的能量差。
6、下面將提供對基于時鐘類型的ramsey順序的干涉測量法測量旋轉的操作原理的簡要概括，其中在該
7、在時鐘的情況下，干涉儀的相位是由以下項來給出的：
8、
9、其中：
10、ωab＝ω0a-ω0b
11、是原子在狀態|a>下的相位，以及是原子在狀態|b>下的相位，
12、ω是本地振蕩器的角頻率，
13、是級別|a>的電子能量，以及是級別|b>的電子能量。
14、ωab是與狀態|a>和|b>之間的能量差相對應的角頻率，以及tr是自由演化時間(ramsey時間)。
15、如果在該順序期間，使得在狀態|a>下的原子和在狀態|b>下的原子各自在相反方向上跟蹤包含非零區域的相同閉合路徑，則描述對于圍繞該區域的法線的旋轉敏感的相移的項由于sagnac效應而出現：時鐘成為陀螺儀。
16、如果狀態|a>的路徑描述例如順時針跟蹤的矩形，并且狀態|b>描述相同路徑但是逆時針，則該相移是由以下項來給出的：
17、
18、其中ωz是圍繞z軸的角速度，ra和va(分別為rb和vb)是在與傳感器聯系的參考系中在狀態|a>(分別為狀態|b>)下的原子的位置和速度，以及a是傳感器所經歷的加速度，該加速度是沿著兩個狀態的分離軸來定向的并且是可測量的。m是原子的質量，以及是減小的普朗克常數。
19、對于形成循環使得每個狀態在該順序的結束處返回到其初始位置的路徑，可以表明，如果a為常數，則以a·r表示的項等于0，并且項(ωz∧ra)2和(ωz∧rb)2抵消。然后，可以以如下形式(在ωz在tr期間恒定的情況下)寫入相移：
20、
21、其中，a是垂直于由兩個狀態的路徑描述的區域的向量，并且其范數等于該區域，以及n是由每個狀態跟蹤的完整轉數。
22、因此，在該順序的結束處由干涉儀輸出的總相位是：
23、
24、知道該相位以及公式(1)的其它量和參數使得有可能確定垂直于路徑的平面的圍繞z軸的旋轉速度。
25、下文將概括基于原子芯片的超冷原子陀螺儀使得有可能生成超冷原子云并且路徑允許經由諸如上述的相位來測量旋轉速度的操作原理。
26、超冷原子被定義為其溫度低于400納開爾文并且優選地低于300納開爾文的原子。熱超冷原子的溫度(例如對于銣原子來說)是在50和400納開爾文之間，并且優選地在100和300納開爾文之間。
27、原理是獲得要由被磁性地俘獲的原子的兩個反向傳播的云跟蹤的路徑。磁阱的創建以及其沿著該路徑的移動是經由被放置在原子芯片上和原子芯片中的導線/元件和微波導來實現的。
28、各種導電元件和波導拓撲對于本領域技術人員來說是已知的。
29、在文檔us2018/0352642中描述了在圖1中所示的第一示例。
30、芯片的表面定義垂直于z軸的xy平面或測量平面。
31、芯片1包括適合于生成第一超冷原子阱t1和第二超冷原子阱t2的單元，阱允許超冷原子云12被固定在不同于與所述測量平面13相距預定距離h的另一阱的內部狀態下。例如，阱t1包括在電子級別或狀態|a>下的原子(云cl1)，而阱t2包括在狀態|b>下的原子(云cl2)。級別|a>和|b>分離開頻率ωab/2π。例如，在銣87的情況下，涉及的是兩個超精細級別|f＝1,m-f＝-1>和|f＝2,m-f＝1>，其分離開大約6.8ghz。
32、這些單元還允許云沿著位于平行于測量平面13的在距該平面的高度h處的平面中的路徑16(也被表示為tz)移動，諸如圖1所示。這些單元由波導和導線組成。
33、波導cpw1和cpw2適合于以角頻率ωb和ωa傳播微波。波導是相對于測量平面的y軸對稱地、優選地平行地布置的。兩個波導cpw1和cpw2連接到用于以微波頻率來生成電壓或電流的至少一個生成器。例如，通過平行地沉積三條導線使得形成共面波導來產生這些波導中的每個波導。在其它實施例中，可以使用其它類型的波導，特別是其的產生與采用沉積或蝕刻的微制造工藝兼容的波導。例如，有可能產生微帶線。
34、集成到芯片1中的導線能夠傳遞dc電流。導線被分類為沿著垂直于x并且被包含在測量平面13中的對稱軸y的導線wiz以及相互平行并且平行于x軸的多個(n個)導線wldi，索引i從1變化到n，n至少等于2。在圖1的示例中，n＝3，即存在三條導線wid1、wid2和wid3。導線被布置為使得定義位于y軸上的n個交叉點ci(在wz和wldi之間交叉)，此處是3個交叉點c1、c2、c3。
35、每條導線連接到一個或多個電流和/或電壓生成器，一個或多個電流和/或電壓生成器本身連接到包括至少一個微處理器的處理單元。電壓和/或電流生成器允許驅動dc電流和ac電流兩者通過導線。具體地，dc電流被驅動通過導線。
36、在傳感器中，原子芯片1被放置在真空室中，其真空是例如使用離子泵來保持的并且優選地包括磁屏蔽。傳感器包括用于生成超冷原子的設備，其包括：
37、-原子分配器，其例如是遞送銣蒸氣的加熱燈絲；
38、-主要(光學和/或磁性)原子阱，其允許將超冷原子云預冷卻并且被定位在芯片附近(在加載下面描述的具有原子的磁阱t1和t2的視圖的情況本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種陀螺儀類型的干涉測量慣性超冷原子傳感器(10)，包括：
2.根據前述權利要求所述的傳感器，其中，所述供電設備(PSD)還被配置為將DC電流施加到所述波導。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的傳感器，其包括被配置為分別進行對圍繞三個正交軸的旋轉的測量的至少三個集合。
4.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，所述原子芯片具有矩陣陣列結構，所述矩陣陣列結構的像素定義潛在基本傳感器，集合包括所述矩陣陣列的兩個像素。
5.根據前述權利要求所述的傳感器，其中，第一基本傳感器和第二基本傳感器的集合具有共同的一對波導或者共同的至少一個導電元件。
6.一種慣性測量單元，其包括至少三個根據權利要求4和5中任一項所述的陀螺儀類型的傳感器，所述傳感器被配置為分別進行對圍繞三個正交軸的旋轉速度的測量，所述矩陣陣列原子芯片還包括被配置為進行至少一個時鐘測量的像素和被配置為進行對沿著至少兩個正交軸的加速度的測量的像素。
7.一種用于使用干涉測量慣性超冷原子傳感器(10)測量旋轉速度的方法，所述干涉測量慣性超冷原子傳感器(
8.根據前述權利要求所述的方法，其中，步驟C包括將DC電流施加到至少一個導電元件。
9.根據權利要求7和8中任一項所述的方法，其中，步驟E包括將微波信號施加到所述第一對波導。
10.根據前述權利要求所述的方法，其中，步驟F包括將微波信號施加到所述第二對中的至少一個波導。
11.根據權利要求7到10中的一項所述的方法，其中，步驟F包括將DC電流施加到特定導電元件。
...【技術特征摘要】
1.一種陀螺儀類型的干涉測量慣性超冷原子傳感器(10)，包括：
2.根據前述權利要求所述的傳感器，其中，所述供電設備(psd)還被配置為將dc電流施加到所述波導。
3.根據權利要求1和2中任一項所述的傳感器，其包括被配置為分別進行對圍繞三個正交軸的旋轉的測量的至少三個集合。
4.根據前述權利要求中任一項所述的傳感器，其中，所述原子芯片具有矩陣陣列結構，所述矩陣陣列結構的像素定義潛在基本傳感器，集合包括所述矩陣陣列的兩個像素。
5.根據前述權利要求所述的傳感器，其中，第一基本傳感器和第二基本傳感器的集合具有共同的一對波導或者共同的至少一個導電元件。
6.一種慣性測量單元，其包括至少三個根據權利要求4和5中任一項所述的陀螺儀類型的傳感器，所述傳感器被配置為分別進行對圍繞三個正交軸的旋轉速度的測量，所述矩陣陣列原子芯片還包括被配置為進行至少一個...
【專利技術屬性】
技術研發人員：B·維特夏夫特，M·杜邦尼維特，S·埃洛，
申請(專利權)人：塔萊斯公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。