CN101788570B - 三明治式光学微机械加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三明治型光学微机械加速度传感器及其方法。它包括部件组成：激光光源、分光棱镜、第一光电探测器、第一硅基底、第二硅基底、第一亚波长光栅、弹性梁、位移执行器、第二光电探测器、质量块、第二亚波长光栅等组成。光从激光光源发出，通过扩束透镜组、分光棱镜产生两路激光、一路激光通过聚焦透镜组，照射到第一光电探测器上，另外一路激光通过分光棱镜、至玻璃基底、第一亚波长光栅、第二亚波长光栅，由第二光电探测器接收。为了使系统小型化，本发明将玻璃基和第一硅基底以及第二硅基底通过键合组成了一个三明治结构。本发明大大缩小系统的体积，能够实现传感系统的小型化，精度高，在航空，军事领域都具有很广泛的应用前景。

Description

三明治式光学微机械加速度传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及一种三明治式光学微机械加速度传感器。

背景技术

加速度传感器作为最重要的惯性仪表之一，在惯性导航和惯性制导系统中有着广泛的应用，尤其与海陆空天运载体的自动驾驶及先进武器的高精度制导联系在一起而倍受重视。近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制造工艺为基础的微机械加速度传感器得到了快速发展。微机械加速度传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，不仅成为微型惯性测量组合的核心器件，也迅速扩大到其他民用领域。目前，随着对微机械加速度传感器性能要求的提高，特别是中高精度微加速度传感器应用需求的不断扩展，与光学测量和微光学技术相结合的高精度微光机电加速度传感器的研究成为了一个重要发展方向。

在现有报道中，光学微机械加速度传感器大多采用基于干涉或衍射等理论，通过外界加速度的变化引起干涉条纹或者衍射条纹的变化。由于干涉测量的精度主要为波长量级，因此对加速度的精度的提高起了限制作用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种三明治式光学微机械加速度传感器。

本发明的目的是基于以下方法实现的：

三明治式光学微机械加速度传感器包括激光光源、扩束透镜组、分光棱镜、第一光电探测器、玻璃基底、多晶硅薄膜层、第一硅基底、第二硅基底、聚焦透镜组、第一亚波长光栅、弹性梁、位移执行器、第二光电探测器、质量块正面浅凹槽、质量块、质量块背面凹槽、第二亚波长光栅；玻璃基底上依次设有激光光源、扩束透镜组、分光棱镜、聚焦透镜组、第一光电探测器，玻璃基底下依次设有多晶硅薄膜层、第一硅基底、第二硅基底，多晶硅薄膜层上设有第一亚波长光栅，第一硅基底上设有设有质量块正面浅凹槽，质量块正面浅凹槽内设有第二亚波长光栅、弹性梁、位移执行器、质量块正面浅凹槽、质量块，质量块上部设有第二亚波长光栅，质量块两端分别设有弹性梁，质量块两侧分别设有位移执行器，质量块下部设有质量块背面凹槽，第二硅基底上设有第二光电探测器；光从激光光源发出，通过扩束透镜组、分光棱镜产生两路激光、一路激光通过聚焦透镜组，照射到第一光电探测器上，另外一路激光通过分光棱镜、至玻璃基底、第一亚波长光栅、第二亚波长光栅，由第二光电探测器接收。

所述的第一亚波长光栅或第二亚波长光栅的周期为0.3～2微米，厚度为0.5～3微米，第一亚波长光栅与第二亚波长光栅之间的空气间隙为0.05～1微米。

本发明利用两组亚波长光栅之间的相互运动，来对反射光强进行调制，通过此方法，可以突破传统加速度计的精度，可以被用于惯性导航，地表探测等方面。采用三明治的结构，能够大大缩小系统的体积，将光源，传感单元，探测器集成在一起，能够实现传感系统的小型化，在航空，军事领域都具有很广泛的应用前景。

本发明结构紧凑、体积小、质量轻；探测信号信噪比高，能够精确反映加速度的变化；系统灵活；测量精度高，突破了现有加速度传感器的探测精度。

附图说明

图1是三明治式光学微机械传感器的系统结构示意图；

图2是三明治式光学微机械传感器的系统结构分解图；

图3是本发明的表面加工有亚波长光栅的玻璃基底图；

图4是本发明的表面刻有凹槽，并加工有亚波长光栅、质量块、弹性梁、和电容式微位移执行器的硅基底的正面图；

图5是本发明的表面刻有凹槽，并加工有亚波长光栅、质量块、弹性梁、和电容式微位移执行器的硅基底的背面图；

图6是本发明的玻璃基底和硅基底键合后，两组亚波长光栅耦合后的剖面示意图；

图7是本发明的加工在另一硅基底上的光电探测器的示意图。

具体实施方式

如附图所示，三明治式光学微机械加速度传感器包括激光光源1、扩束透镜组2、分光棱镜3、第一光电探测器4、玻璃基底5、多晶硅薄膜层6、第一硅基底7、第二硅基底8、聚焦透镜组9、第一亚波长光栅10、弹性梁11、位移执行器12、第二光电探测器13、质量块正面浅凹槽14、质量块15、质量块背面凹槽16、第二亚波长光栅17；玻璃基底5上依次设有激光光源1、扩束透镜组2、分光棱镜3、聚焦透镜组9、第一光电探测器4，玻璃基底5下依次设有多晶硅薄膜层6、第一硅基底7、第二硅基底8，多晶硅薄膜层6上设有第一亚波长光栅10，第一硅基底7上设有设有质量块正面浅凹槽14，质量块正面浅凹槽14内设有第二亚波长光栅17、弹性梁11、位移执行器12、质量块正面浅凹槽14、质量块15，质量块15上部设有第二亚波长光栅17，质量块15两端分别设有弹性梁11，质量块15两侧分别设有位移执行器12，质量块15下部设有质量块背面凹槽16，第二硅基底8上设有第二光电探测器13；光从激光光源1发出，通过扩束透镜组2、分光棱镜3产生两路激光、一路激光通过聚焦透镜组9，照射到第一光电探测器4上，另外一路激光通过分光棱镜3、至玻璃基底5、第一亚波长光栅10、第二亚波长光栅17，由第二光电探测器13接收。

所述的第一亚波长光栅10或第二亚波长光栅17的周期为0.3～2微米，厚度为0.5～3微米，第一亚波长光栅10与第二亚波长光栅17之间的空气间隙为0.05～1微米。

当偏振单色光垂直入射到亚波长光栅上时，会在光栅表面以倏逝波的方式进行传播。当两个亚波长光栅在垂直方向距离很近时，光会通过倏逝场从一个光栅传到另外一个光栅，同时另外一个光栅的倏逝波也会通过到倏逝场耦合回原来的光栅，由此原理，可以在两个亚波长光栅之间形成谐振场。当两个亚波长彼此之间发生相对位移时，会导致谐振场发生变化，在很小的位移范围内，会使得透射光强度急剧提高，通过探测透射光的变化，我们可以精确得到两个亚波长光栅之问的水平相对位移。为了标定两个亚波长光栅之间的初始水平位置，本发明采用位移执行器来推动质量块，使得两个亚波长光栅的水平位移在谐振区域。此外，为了提高探测信号的信噪比，本发明利用两个光电探测器，一个用来探测激光的光强，另一个用来探测通过两个亚波长光栅的透射光光强。通过将两个光电探测器得到的信号进行差分运算，可以得到精确得到透射光和两个亚波长光栅之间的相对位移的关系。通过合理设计质量块，使得质量块受到的加速度和发生的相应位移成线性关系。就能够对加速度进行非常灵敏的探测。为了使系统小型化，通过键合的方法，将光源，传感部件以及探测部件连接成一个系统，这对于日常应用来说，具有非常重大的意义。

三明治式光学微机械传感器制作方法包括以下步骤：

1.将普通玻璃(例如K9玻璃)表面清洁干净，烘干。接着利用高温蒸镀的方法，在玻璃表面镀上一层厚度为400纳米的多晶硅薄膜。接着，制作一个材料为铬，周期为800纳米的光栅掩膜，并通过干法刻蚀，将玻璃基底上的多晶硅薄膜刻蚀成周期为800纳米的光栅。

2.在硅基底的正面通过光刻，湿法刻蚀的方法，刻蚀一个宽度为5毫米×5毫米，深度为100纳米的凹槽。然后，在凹槽内刻蚀一个大小为500微米×500微米，厚度为400微米的质量块。在质量块的背面，通过光刻和湿法刻蚀的方法，将大小为10微米×10微米的中心区域，刻蚀出一个深度为399.6微米的凹槽，即将中心区域的质量块厚度减薄为400纳米。在此中心区域，通过干法刻蚀的方法，加工出一个周期为800纳米的亚波长光栅。

3.在上述硅基底的质量块侧壁，通过干法刻蚀，加工出四个弹性梁，并在相邻的两个侧壁，通过湿法刻蚀的方法，加工出两组对称的电容式位移执行器。并在电容位移执行器上镀上电极，并连接可变电压源。

4.取另一个硅片，擦拭干净，并在其表面镀上电极，接着将第二光电倍增管和外围电路焊接到硅片上。

5.通过高温键合的方法，将玻璃基底，带有质量块的硅片以及带有第二光电倍增管的硅片依次键合。

6.在玻璃基底背面，键合上带有扩束透镜组小型激光器，激光器的波长为805纳米。同时，顺着激光光路的方向，再键合上分光棱镜，调整光路，使得激光器发出的光垂直入射到亚波长光栅的表面。接着，在分光棱镜后再键合上带有聚焦透镜的第一光电倍增管，来探测光源的输出光强。

当系统要探测加速度时，首先，将系统放置于加速度测试转台上，然后，调整电容位移执行器上施加的电压，使得硅基底上的亚波长光栅相对玻璃基底上的光栅水平运动，观测玻璃基底上第一光电倍增管的输出电压值，当电压值达到最小时，保持施加的电压不变。接着，对第一光电倍增管和第二光电倍增管输出的信号进行差分探测，得到最终的信号。通过对系统施加不同的加速度，可以得到不同的最终信号的输出电压值，从而得到加速度的大小。

Claims (2)

1.一种三明治式光学微机械加速度传感器，其特征在于包括激光光源(1)、扩束透镜组(2)、分光棱镜(3)、第一光电探测器(4)、玻璃基底(5)、多晶硅薄膜层(6)、第一硅基底(7)、第二硅基底(8)、聚焦透镜组(9)、第一亚波长光栅(10)、弹性梁(11)、位移执行器(12)、第二光电探测器(13)、质量块正面浅凹槽(14)、质量块(15)、质量块背面凹槽(16)、第二亚波长光栅(17)；玻璃基底(5)上从左到右依次设有激光光源(1)、扩束透镜组(2)、分光棱镜(3)、聚焦透镜组(9)、第一光电探测器(4)，玻璃基底(5)下从上到下依次设有多晶硅薄膜层(6)、第一硅基底(7)、第二硅基底(8)，多晶硅薄膜层(6)上设有第一亚波长光栅(10)，第一硅基底(7)上设有设有质量块正面浅凹槽(14)，质量块正面浅凹槽(14)内设有第二亚波长光栅(17)、弹性梁(11)、位移执行器(12)、质量块(15)，质量块(15)上部设有第二亚波长光栅(17)，质量块(15)两端分别设有弹性梁(11)，质量块(15)两侧分别设有位移执行器(12)，质量块(15)下部设有质量块背面凹槽(16)，第二硅基底(8)上设有第二光电探测器(13)；光从激光光源(1)发出，通过扩束透镜组(2)、分光棱镜(3)产生两路激光、一路激光通过聚焦透镜组(9)，照射到第一光电探测器(4)上，另一路激光通过玻璃基底(5)、第一亚波长光栅(10)、第二亚波长光栅(17)，由第二光电探测器(13)接收。

2.如权利要求1所述的一种三明治式光学微机械加速度传感器，其特征在于所述的第一亚波长光栅(10)或第二亚波长光栅(17)的周期为0.3～2微米，厚度为0.5～3微米，第一亚波长光栅(10)与第二亚波长光栅(17)之间的空气间隙为0.05～1微米。

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