CN100529761C - 基于激光反馈干涉的微光机电加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，所述加速度计由上检测组件(1)、加速度敏感件(2)、下检测组件(3)组成，加速度敏感件(2)放置于上检测组件(1)与下检测组件(3)中间；且上检测组件(1)与下检测组件(3)结构相同。该加速度计由于采用激光反馈干涉技术，故加速度计结构简单，为进一步减少加速度计的尺寸和重量，对加速度计所需部件的空间分布做了优化设计。在本发明中利用微加工技术加工加速度敏感件、微光学反射镜等结构，同时将光源、光电探测器、光束准直器等器件集成在一起，利用键合工艺实现多层组装和封装，从而满足加速度计在精度、可靠性、小型化、使用寿命等方面的要求。

Description

基于激光反馈干涉的微光机电加速度计

技术领域

本发明涉及一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，属于激光和精密测量技术领域。

背景技术

加速度计是惯性导航系统和惯性制导系统的重要器件，用来测量运动物体的加速度和线性位移。已有的加速度计种类繁多，基本上都具有敏感质量快、检测部分以及信号处理电路三部分组成。敏感质量块用来感受外界加速度信号，并将其转化为自身的位移信息。检测部分是测量敏感质量块的位移，可分为电信号检测和光信号检测两种。信号处理电路则都是将检测部分得到的信息进行处理，输出加速度信息特征。

光信号检测的加速度计，即光学加速度计具有灵敏度高的优点，得到广泛的应用。光学加速度计主要分为光强调制型、相位调制型和波长调制型。光强调制型结构简单，但精度不高；相位调制型和波长调制型精度较高，但由于存在光纤元件，体积不能做得很小。随着航空、航海和宇航事业的发展，对于加速度计的要求越来越高，不但要求高精度，还要求减轻重量，减小体积等。传统的光学加速度计的体积已经不能满足要求。

微光机电加速度计，简称为MOEMS加速度计，是一种基于光学测试技术和MEMS制造技术的新型加速度计。在抗电磁干扰、减小体积、提高精度和可实现批量化生产等方面具有独特的优势。

自King于1963年首次报道了激光反馈干涉(又称激光自混合干涉)现象以来，激光反馈干涉技术，尤其是半导体激光反馈干涉技术得到了国际上很多学者的关注，将其应用于形貌、距离、位移、速度及振动等参数的测量。激光反馈干涉是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔，该反馈光携带了外部物体的相关信息，与激光腔内激光相混合后，会调制激光器的输出。激光反馈干涉变化规律与光的干涉现象类似，当外部物体移动半个光源波长时激光器输出功率改变一个周期，人们利用激光反馈干涉的影响来检测物理量，从而形成了一门新兴的光学测量技术。此技术可利用被反射面反射的反馈激光对激光器谐振腔的调制来测试反射面的运动情况，从而实现用简单的结构完成高精度的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，该加速度计由于采用激光反馈干涉技术，故加速度计结构简单，为进一步减少加速度计的尺寸和重量，对加速度计所需部件的空间分布做了优化设计。在本发明中利用微加工技术加工加速度敏感件2、微光学反射镜(A微光学反射镜11、B微光学反射镜31)等结构，同时将上下检测组件中的光源(半导体激光器)、光电探测器、光束准直器等器件集成在一起，利用键合工艺实现多层组装和封装，从而满足加速度计在精度、可靠性、小型化、使用寿命等方面的要求。

本发明采用差动式结构设计，有上下两套测量系统，当加速度敏感件发生位移时，上下两套测量系统的空间光路发生相反的变化，两个激光器的光强也发生相反的变化，可利用信号处理电路进行差动测量来减小测量误差，提高系统的测量分辨率。

本发明是一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，由上检测组件1、加速度敏感件2、下检测组件3组成，加速度敏感件2放置于上检测组件1与下检测组件3之间，且上检测组件1与下检测组件3结构相同，上检测组件1、加速度敏感件2和下检测组件3采用键合方式进行封装。加速度敏感件2采用悬臂梁结构，其悬臂梁可以是一对、两对或四对，悬臂梁可以直梁、带有上下弯折(拱形)的梁或其他形式(如波浪形)的梁。

本发明微光机电加速度计的优点在于：(1)由于采用激光反馈干涉技术，干涉光路只有一条，所以避免了传统干涉结构普遍存在的结构庞大，光路复杂等问题，使得本发明加速度计变得更加简单、紧凑、稳定。(2)由于敏感质量块结构的上下表面可以对光反射或散射，因此对准直不敏感，易于装调，可降低加工难度。(3)由于可利用微加工技术及光电集成技术将各器件实现集成，所以本发明的加速度计体积小，可批量化生产，成本低，其商业前景广阔。

附图说明

图1是本发明微光机电加速度计的外部结构图。

图2是本发明加速度敏感件的结构图。

图3是本发明上检测组件的结构图。

图4是本发明下检测组件的结构图。

图5A是本发明准直器的结构图。

图5B是本发明另一准直器的结构图。

图6A是三角形微光学反射镜的结构图。

图6B是具有铰链结构微光学反射镜的结构图。

图7是本发明加速度计工作时的光路走向示意图。

图中：1.上检测组件11.A微光学反射镜                                    12.A光束准直器

13.A半导体激光器  14.A电路板       15.A光电探测器

101.A基体         103.腔体         104.腔体底面      2.加速度敏感件   21.A悬臂梁

22.B悬臂梁        23.C悬臂梁       24.D悬臂梁        25.E悬臂梁       26.F悬臂梁

27.G悬臂梁        28.H悬臂梁       201.基板          202.敏感质量块   3.下检测组件

31.B微光学反射镜  310.B镜面        311.C连接体       312.D连接体

313.A铰链         314.B铰链        315.A卡扣         316.B卡扣        317.C卡扣

318.D卡扣         319.E卡扣        31a.A镜面         31b.E连接体      32.B光束准直器

321.球透镜        322.A连接体      323.方形槽        324.渐变折射率透镜

325.B连接体       326.V形槽        33.B半导体激光器    34.B电路板

35.B光电探测器    301.B基体        302.通孔          303.B腔体        304.B腔体底面

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，该加速度计安装在被测装置上，在被测装置有加速度存在时，(参见图2所示)加速度敏感件2上的敏感质量块202将产生惯性力，从而使敏感质量块202产生微位移，(参见图8所示)导致空间光路光程发生变化；由于激光反馈干涉作用，反馈回激光器的反馈光用于调制激光器的输出光，使得激光器的出射光光强发生变化；(参见图3、图4所示)利用两个光电探测器(是指上检测组件1中的A光电探测器15，下检测组件3中的B光电探测器35)将出射光光强信号转化为电信号，通过信号检测电路板34(安装在下检测组件3的腔体303内)上的信号检测电路进行处理，得到加速度的结果。加速度计的空间光路由两个半导体激光器(是指上检测组件1中的A半导体激光器13，下检测组件3中的B半导体激光器33)的激光腔和敏感质量块202的上下表面构成。

参见图1所示，本发明的基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，由上检测组件1、加速度敏感件2、下检测组件3组成，加速度敏感件2放置于上检测组件1与下检测组件3之间，且上检测组件1、加速度敏感件2和下检测组件3采用键合方式进行封装。下检测组件3的一侧面设有通孔302，该通孔302用于电导线通过。由于本发明设计的微光机电加速度计的检测原理中对光束准直不敏感的优势，以及敏感质量块上下表面远大于及光束直径，因此降低了对于封装精度的要求，从而降低了加工难度。在本发明中，上检测组件1与下检测组件3结构相同。

参见图3所示，所述上检测组件1包括有一A基体101、A微光学反射镜11、A光束准直器12、A半导体激光器13、A信号检测电路板14、A光电探测器15，在A基体101的中心位置开设有A腔体103，在A腔体103的腔体底面板104上从左至右安装有A微光学反射镜11、A信号检测电路板14，A信号检测电路板14上除了电子元器件组成的信号检测电路之外，还从左至右地安装有A光束准直器12、A半导体激光器13、A光电探测器15，且A光束准直器12、A半导体激光器13和A光电探测器15安装在A信号检测电路板14上的中心轴线上。A光电探测器件15的信号输出端与信号检测电路的信号输入端连接，用来对检测到的信号进行分析计算并给出分析结果，分析结果作为此加速度计的输出。A微光学反射镜11用来改变A半导体激光器13出射的激光的方向，A微光学反射镜11与A光束准直器12的前端有一定的距离d，d＝0.5～10mm，A微光学反射镜11的表面法线与A光束准直器12的中心轴线方向呈45°角，将A半导体激光器13发出的水平方向的光折转成竖直方向，这样即可以调节由空间光路构成的激光器外腔的长度，又可以减小整体微光机电加速度计的尺寸。

参见图4所示，所述下检测组件3包括有一B基体301、B微光学反射镜31、B光束准直器32、B半导体激光器33、B信号检测电路板34、B光电探测器35，在B基体301的中心位置开设有B腔体303，B基体301的一侧面设有B接口302，在B腔体303的腔体B底面板304上从左至右安装有B微光学反射镜31、B信号检测电路板34，B信号检测电路板34上除了电子元器件组成的信号检测电路之外，还从左至右地安装有B光束准直器32、B半导体激光器33、B光电探测器35，且B光束准直器32、B半导体激光器33和B光电探测器35安装在B信号检测电路板34上的中心轴线上。B光电探测器件35的信号输出端与信号检测电路的信号输入端连接，用来对检测到的信号进行分析计算并给出分析结果，分析结果作为此加速度计的输出。B微光学反射镜31用来改变B半导体激光器33出射的激光的方向，B微光学反射镜31与B光束准直器32的前端有一定的距离d，d＝0.5～10mm，B微光学反射镜31的表面法线与B光束准直器32的中心轴线方向呈45°角，将B半导体激光器33发出的水平方向的光折转成竖直方向，这样即可以调节由空间光路构成的激光器外腔的长度，又可以减小整体微光机电加速度计的尺寸。

在本发明中，A微光学反射镜11、B微光学反射镜31采用微光机电技术实现加工，也可利用刻蚀技术直接加工(参见图6A所示)，或利用表面加工工艺加工出带有铰链的微型结构(参见图6B所示)，保证反射镜的镜面与腔体底面板304形成45°±5°角。在图6A中，在E连接体31b的一倾斜面上采用刻蚀技术直接加工出A镜面31a。在图6B中，B微光学反射镜31包括有B镜面310、C连接体311、D连接体312、A铰链313、B铰链314，B镜面310采用表面加工工艺加工在D连接体312上，D连接体312通过A铰链313、B铰链314与C连接体311连接，C连接体311通过A卡扣315、B卡扣316安装在腔体底面板304上，D连接体312的底端通过C卡扣317、D卡扣318、E卡扣319安装在腔体底面板304上。采用A铰链313、B铰链314拉撑起D连接体312，其目的是保证D连接体312与腔体底面板304形成一定的角度，即保证B镜面310与腔体底面板304形成40°～50°角。

在本发明中，A光束准直器12、B光束准直器32可以是渐变折射率透镜(如图5B所示)、C透镜、球透镜(如图5A所示)或菲涅尔透镜，可利用组装或键合技术集成在衬底(A连接体322、或者是B连接体325)上。菲涅尔透镜是利用二元光学原理制作而成的。

在本发明中，A半导体激光器13、B半导体激光器33可以是FP型、DFB型或DBR型的半导体激光器。

参见图2所示，加速度敏感件2是在一基板201上通过微加工刻蚀技术在其中心位置形成有敏感质量块202，在敏感质量块202的四周分别形成有A悬臂梁21、B悬臂梁22、C悬臂梁23、D悬臂梁24、E悬臂梁25、F悬臂梁26、G悬臂梁27、H悬臂梁28。A悬臂梁21、B悬臂梁22、C悬臂梁23和D悬臂梁24结构相同，臂长有0.5～5mm，臂宽有0.1～1mm。E悬臂梁25、F悬臂梁26、G悬臂梁27和H悬臂梁28结构相同，臂长有0.5～5mm，臂宽有0.1～1mm。在本发明中，加速度敏感件2结构使用悬臂梁结构形式，在竖直方向的加速度作用下，A悬臂梁21、B悬臂梁22、C悬臂梁23、D悬臂梁24、E悬臂梁25、F悬臂梁26、G悬臂梁27和H悬臂梁28使得敏感质量块202可以沿加速度方向发生位移。敏感质量块202在微光学反射镜的竖直方向上，与腔体底面板平行，使入射激光与敏感质量块表面基本垂直。在本发明中，加速度敏感件2的结构可以有多种形式。其基板201上的悬臂梁可以是一对、两对或四对，悬臂梁可以直梁、带有上下弯折(拱形)的梁或其他形式(如波浪形)的梁。

参见图5A所示，在本发明中B准直器32可以是由球透镜321、A连接体322组成，球透镜321安装在A连接体322上端面的方形槽323中。A连接体322一方面用于支撑球透镜321，另一方面用于与腔体底面板304固定安装，从而确定球透镜321在腔体303中的具体位置。

参见图5B所示，在本发明中B准直器32可以是由渐变折射率透镜324、B连接体组成，渐变折射率透镜324安装在B连接体上端面的V形槽326中。B连接体325一方面用于支撑渐变折射率透镜324，另一方面用于与腔体底面板304固定安装，从而确定渐变折射率透镜324在腔体303中的具体位置。

所述的加速度计采用基于激光反馈干涉技术的光学方式实现检测。图7所示的是加速度计工作时激光所走的路径，在下检测组件3中，由B半导体激光器33发出的激光照射到B光束准直器32上，B光束准直器32将发散光准直成平行光出射，平行光照射到B微光学反射镜31上时被反射，反射光垂直照射到敏感质量块202的下表面上，被敏感质量块202下表面反射或散射后，部分光沿原光路返回，经过B微光学反射镜31、B光束准直器32进入B半导体激光器33，在B半导体激光器33中发生反馈干涉效应，并对B半导体激光器33的输出光强进行调制。B光电探测器35检测到B半导体激光器33后端出射的被调制的激光光强，并将光强信号转化成电信号输出。B光电探测器35输出的信号作为信号检测电路的一路输入信号。

在上检测组件1中，激光走的是类似的光路，只是在敏感质量块202的上表面发生反射或散射，A光电探测器15输出的信号作为信号检测电路的另一路输入信号。

在本发明中由于采用差动结构，两个光电探测器(分别安装在上检测组件1和下检测组件3中的)输出给信号检测电路的信号是差动信号，外部的信号检测系统可同时接收两路信号，并对信号进行分析处理，判断出敏感质量块202的运动情况，进而得到固连加速度计的外部物体的加速度情况，作为加速度计的输出。

本发明设计的加速度计的测量灵敏度可以分为两部分，一部分是加速度敏感结构的灵敏度，即将外界加速度转化为敏感质量块的位移的灵敏度；另一部分是光学检测的灵敏度，即光学检测系统将敏感质量块位移转化为激光器光强变化的灵敏度。加速度敏感结构的灵敏度采用了在同一基板上制作敏感质量块和悬臂梁的优化结构设计使其得到提高；光学检测的灵敏度与干涉法检测的灵敏度相当，但此种方法结构更加简单、紧凑、降低对加工、调整及封装的要求，利用微光机电加工工艺，可实现批量化生产。

Claims (8)

1、一种基于激光反馈干涉的微光机电加速度计，其特征在于：所述加速度计由上检测组件(1)、加速度敏感件(2)、下检测组件(3)组成，加速度敏感件(2)放置于上检测组件(1)与下检测组件(3)中间；且上检测组件(1)与下检测组件(3)结构相同；

所述加速度敏感件(2)是在一基板(201)上通过微加工刻蚀技术在其中心位置形成有敏感质量块(202)，在敏感质量块(202)的四周分别形成有A悬臂梁(21)、B悬臂梁(22)、C悬臂梁(23)、D悬臂梁(24)、E悬臂梁(25)、F悬臂梁(26)、G悬臂梁(27)、H悬臂梁(28)；A悬臂梁(21)、B悬臂梁(22)、C悬臂梁(23)和D悬臂梁(24)结构相同，臂长有0.5～5mm，臂宽有0.1～1mm；E悬臂梁(25)、F悬臂梁(26)、G悬臂梁(27)和H悬臂梁(28)结构相同，臂长有0.5～5mm，臂宽有0.1～1mm；

所述加速度计敏感件(2)结构使用悬臂梁结构形式，在竖直方向的加速度作用下，A悬臂梁(21)、B悬臂梁(22)、C悬臂梁(23)、D悬臂梁(24)、E悬臂梁(25)、F悬臂梁(26)、G悬臂梁(27)和H悬臂梁(28)使得敏感质量块(202)沿加速度方向发生位移；

所述上检测组件(1)包括有一A基体(101)、A微光学反射镜(11)、A光束准直器(12)、A半导体激光器(13)、A信号检测电路板(14)、A光电探测器(15)，在A基体(101)的中心位置开设有A腔体(103)，在A腔体(103)的腔体底面板(104)上从左至右安装有A微光学反射镜(11)、A信号检测电路板(14)，A信号检测电路板(14)上除了电子元器件组成的信号检测电路之外，还从左至右地安装有A光束准直器(12)、A半导体激光器(13)、A光电探测器(15)，且A光束准直器(12)、A半导体激光器(13)和A光电探测器(15)安装在A信号检测电路板(14)上的中心轴线上；

所述下检测组件(3)包括有一B基体(301)、B微光学反射镜(31)、B光束准直器(32)、B半导体激光器(33)、B信号检测电路板(34)、B光电探测器(35)，在B基体(301)的中心位置开设有B腔体(303)，在B腔体(303)的腔体底面板(304)上从左至右安装有B微光学反射镜(31)、B信号检测电路板(34)，B信号检测电路板(34)上除了电子元器件组成的信号检测电路之外，还从左至右地安装有B光束准直器(32)、B半导体激光器(33)、B光电探测器(35)，且B光束准直器(32)、B半导体激光器(33)和B光电探测器(35)安装在B信号检测电路板(34)上的中心轴线上；在B基体(301)的一侧面设有B接口(302)。

2、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：A微光学反射镜(11)与A光束准直器(12)的前端相距d＝0.5～10mm，A微光学反射镜(11)的表面法线与A光束准直器(12)的中心轴线方向呈45°角。

3、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：B微光学反射镜(31)与B光束准直器(32)的前端相距d＝0.5～10mm，B微光学反射镜(31)的表面法线与B光束准直器(32)的中心轴线方向呈45°角。

4、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：B微光学反射镜(31)包括有B镜面(310)、C连接体(311)、D连接体(312)、A铰链(313)、B铰链(314)，B镜面(310)采用表面加工工艺加工在D连接体(312)上，D连接体(312)通过A铰链(313)、B铰链(314)与C连接体(311)连接，C连接体(311)通过A卡扣(315)、B卡扣(316)安装在腔体底面板(304)上，D连接体(312)的底端通过C卡扣(317)、D卡扣(318)、E卡扣(319)安装在腔体底面板(304)上；采用A铰链(313)、B铰链(314)拉撑起D连接体(312)，使B镜面(310)与腔体底面板(304)形成30°～45°角。

5、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：A光束准直器(12)、B光束准直器(32)是渐变折射率透镜、C透镜、球透镜或菲涅尔透镜。

6、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：A光束准直器(12)、B光束准直器(32)是采用组装或键合技术集成在A连接体(322)、B连接体(325)上。

7、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：A半导体激光器(13)、B半导体激光器(33)是FP型、DFB型或DBR型的半导体激光器。

8、根据权利要求1所述的微光机电加速度计，其特征在于：加速度计敏感件(2)的基板(201)上的悬臂梁是一对、两对或四对，悬臂梁是直梁、带有上下弯折的梁或波浪形的梁。

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