CN102759635B - 一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其方法，微光学加速度传感器包括外壳，外壳内设有沿光路依次布置的光源和光栅，所述外壳内沿光路还设有底座、位于底座与光栅之间且滑动安装在所述外壳内的MEMS传感机构和位于所述光栅与MEMS传感机构之间且一面固定在所述光栅上的压电陶瓷部件，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向所述光栅的一面为镀有金属铝膜的反射面。本发明引入压电陶瓷作为调制器件，能够大大提高传感器的探测灵敏度；通过探测两个不同级次衍射光强信号，采用锁相放大和差分处理，降低电路噪声，提高系统测量精度。

Description

一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及微光电子机械系统(MOEMS)加速度传感器领域，具体涉及一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其方法。

背景技术

微机械加速度传感器(Micro-machined Acceleration Sensor)是微机电系统具有代表性的器件之一，它具有体积小、质量轻、易集成的特点，是微型惯性测量组合的核心器件。随着微机械加速度计性能的提高，应用不断向高精度领域发展。微加速度传感器是武器装备所需的关键传感器之一，具有广阔的军事运用前景。

微机械加速度传感器的种类很多，发展也很快，目前，微机械加速度传感器根据其工作原理大致分为以下几类：压阻式微机械传感器、电容式加速度传感器、微机械热对流加速度传感器、力平衡式微机械加速度传感器、微机械谐振式加速度传感器、微机械压电加速度传感器和隧道电流式加速度传感器。

例如，申请号为201110145926.6的中国发明专利申请公开了一种压阻式的MEMS微加速度传感器，包括：敏感质量块、横梁、横梁上的压阻、金属连线、亚焊点及硅衬底，敏感质量块与横梁固定，横梁作为敏感质量块的支撑臂位于加速度传感器的中轴位置，该横梁的底部固定在衬底上。

申请号为201110446684.4的中国发明专利申请公开了一种压电式六维加速度传感器，该传感器包括带安装盘的基座，罩装在该基座上的带插座的壳体，在该壳体内通过预紧螺栓固定地安装在基座安装盘之上的测力计，夹住该测力计两片绝缘电极板和位于最上面的惯性质量块。其中，测力计由八片石英晶片构成，它们在传感器的工作三维直角坐标系的X、Y平面之内均匀布置于一个Z轴通过其圆心的参考圆的圆周上；在两片绝缘电极板内侧，有对应于各石英晶片的成对电极，每对电极均通过信号引线与壳体上的插座连接。

申请号为200310106002.0的中国发明专利申请公开一种用于微电子机械的微重力加速度级电容式加速度传感器，由支撑边缘，由电容动极板及电容定极板构成的电容器和质量块组成，在支撑边缘和电容器上均设在锚区，设在支撑边缘上的锚区通过悬臂梁与设在电容器上的锚区相连，电容器动极板由浓硼重掺杂可动下电极和多晶硅可动上电极组成，在浓硼重掺杂可动下电极和多晶硅可动上电极之间设有可动极板锚区，电容定极板固定与支撑边缘上并位于浓硼重掺杂可动下电极和多晶硅可动上电极之间，质量块为多晶硅质量块并设在浓硼重掺杂可动电极上。

另外，已有文献报道将微加速度传感器与微陀螺运用于增程制导弹药(ERGM)上，能有效改善弹药的战斗性能，但目前大部分微加速度传感器的精度不高，不能适应军事装备发展的需求。

发明内容

本发明提供了一种基于集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其方法，大大提高传感器的检测灵敏度和检测精度。

一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器，包括外壳，外壳内设有沿光路依次布置的光源和光栅，所述外壳内沿光路还设有底座、位于底座与光栅之间且滑动安装在所述外壳内的MEMS传感机构和位于所述光栅与MEMS传感机构之间且一面固定在所述光栅上的压电陶瓷部件，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向所述光栅的一面为镀有金属铝膜的反射面。

所述光源优选为垂直腔表面发射激光器，由垂直腔表面发射激光器发出相干光束入射到光栅上时，一部分光由光栅条直接反射，形成多级次的衍射光束；另一部分穿过光栅间隙照射到质量块的反射面，然后反射回来经过光栅面形成多级次的衍射光束。这两部分反射光中相同级次的衍射光束产生干涉，干涉信号的强度与光栅的周期及光栅与质量块之间的距离有关。当有外界加速度作用时，悬臂梁带动质量块发生位移，光栅与质量块之间的距离发生变化，从而干涉信号的强度发生变化。压电陶瓷部件与光栅连接，压电陶瓷部件在压电驱动模块的驱动下带动光栅运动，产生位移调制，通过检测两个不同级次衍射光强的信号，通过锁相放大和差分技术可精确得到光栅和质量块之间距离的变化，由此位移变化即可达到测量加速度的目的。

因此，所述微光学加速度传感器还设有：用于驱动压电陶瓷部件形变的压电驱动模块；用于检测干涉光束光强的光电探测模块，所述的干涉光束为被光栅反射的光束和被质量块反射的光束发生干涉形成；用于根据光电探测模块的信号来控制压电驱动模块的信号处理模块。

所述的压电陶瓷部件为中心与光路对应的环形部件且带有两个电极，该环形结构使透过光栅的光束通过，不影响该光束的传播。

所述的压电陶瓷部件的两个电极分别接入压电驱动模块对应的接口。

光电探测模块优选为光电二极管，光电二级管和压电驱动模块均与信号处理模块连接，信号处理模块一方面通过控制压电驱动模块来改变压电陶瓷部件的形变量，另一方面用于接收光电探测模块收集的信息，信号处理模块通过分析光电探测模块所反馈的信息以及光栅与质量块之间的间距，并控制压电驱动模块来驱动压电陶瓷调整光栅与反射面之间的距离，同时给压电陶瓷施加一定频率和幅值的调制信号，通过对探测信号采取锁相放大处理可以精确获得质量块位移量的大小，进而可测量加速度，信号处理模块优选为锁相放大差分处理电路。

所述悬臂梁为矩形框，所述质量块位于矩形框的中心部位。以便于质量块的稳固安放，所述质量块可以为矩形或圆形。利用从质量块边缘延伸出的连接件与所述矩形框的内沿相连接。悬臂梁和质量块的顶面处于同一平面，以保证反射面的唯一性。

本发明还提供了一种利用所述微光学加速度传感器检测加速度的方法，包括：

(1)光源出射光束经过光栅后投射到质量块的反射面；

(2)被光栅反射的衍射光束和被反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉；

(3)利用调制电压驱动压电陶瓷部件产生位相调制信号，对探测器探测的干涉光束的光强信号进行锁相放大处理计算得出质量块的位移量；

(4)根据质量块的位移量计算出加速度。

本发明将光栅干涉技术与微电子机械系统(MEMS)结合，通过测量由外界加速度引起的光强变化，进而可测得加速度。当有相干光束入射到光栅上时，一部分光由光栅条直接反射；另一部分通过光栅间隙照射到质量块的反射面，然后反射回来，这两部分光干涉形成多级衍射光斑。

本发明中的光栅与质量块组合构成的结构可等效为光栅光阀结构，即构成一个反射式相位光栅，光栅为固定部分，质量块为可动部分，可动部分与固定部分之间的高度差改变即可影响各级次的衍射光强。

以1级衍射光为例，其光强与位移的关系为

I＝(4I_in/π²)×sin²(2πd/λ)    (1)

式中：I_in为入射光功率；d为光栅与质量块之间的距离；λ为入射光的波长。

由式(1)可见，1级衍射光强随位移d呈正弦变化，衍射光强通过光电二极管转换成电流信号，通过检测光强变化，就可以得到位移变化，进而可测量加速度。

而一级衍射光光强I对间距d的改变量可以表示为：

$\∂I/\∂d=({8I}_{\mathrm{in}}/\mathrm{\π\λ})\×\sin (4\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})$

可见在d取值为λ/8的奇数倍时，为最大，即所探测到的光强改变速率最大，这样，微小位移通过光强的改变量得到放大，通过测量该光强即可间接测量微小位移。

因此，为进一步提高整个系统的检测精度，本发明提出了一种相位载波调制-解调的方法。即：在光栅和反射面之间加入一个小尺寸的压电陶瓷部件，通过对压电陶瓷施加调制电压，同时将光栅与压电陶瓷部件固定在一起，使压电陶瓷部件在垂直于光栅面的方向上带动光栅产生周期位移变化，调节质量块与光栅之间的间距，使光栅与质量块之间的间距始终保持在λ/8的奇数倍附近，即检测灵敏度始终最大，信号处理模块中通过锁相放大将信号提取出来，该方法不仅可以提高检测精度，还可以降低外界干扰的影响。

经压电陶瓷部件调制后一级光强输出为：

$V_{\mathrm{out}}=\mathrm{\ΩAB}(\cos \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{DB}}_0\·\sin \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d+\sin \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{DB}}_0\·\cos \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d)\·J_1\left(\frac{4\mathrm{\πDB}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(2\right)$

其中，V_out为输出电压，A为入射光束复振幅，B为调制电压振幅，B₀为调制信号偏置电压，其中D为PZT(压电陶瓷)在电压(B₀+B)时移动的位移，λ为入射光束的波长，J₁为1阶贝塞尔函数，d为光栅与质量块反射面之间的距离，Ω为光电探测器转换系数。

质量块敏感到的加速度与质量块反射面的位移之间的关系满足关系式：

$\mathrm{kx}+c\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{ma}---\left(3\right)$

式中，x为质量块位移变化量，k为等效弹性系数，c为等效阻尼系数，m为等效惯性质量，t为时间，a为输入加速度。

通过上式获得加速度的值。

本发明的有益效果：

(1)引入压电陶瓷作为调制器件，能够大大提高传感器的探测灵敏度。

(2)通过探测两个不同级次衍射光强信号，采用锁相放大和差分处理，降低电路噪声，提高系统测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2和图3是本发明的原理示意图；

图4为光栅的俯视图；

图5为包括悬臂梁和质量块的MEMS传感结构的俯视图；

图6为信号调制解调原理图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的微光学加速度传感器，包括底座10，倒扣在底座10上的外壳9，底座10上方设置包括质量块4和悬臂梁3的MEMS传感机构，MEMS传感机构沿竖直向滑动安装在外壳9内，在MEMS传感机构上方设置光栅2，光栅2朝向MEMS的一面设置一个环形的压电陶瓷部件5，压电陶瓷部件5与光栅2之间相互固定，且在外壳9内可沿竖直向滑动，在光栅2的上方及外壳9内壁的顶部设置光源1和光电探测模块6，光电探测模块6与信号处理模块7连接，压电陶瓷部件5通过两个电极与压电驱动模块8连接，压电驱动模块8与信号处理模块7连接。

本实施方式中，光电探测模块6选用光电二极管，光源1选用垂直腔表面发射激光器，信号处理模块7选用锁相放大差分处理电路。

采用陶瓷-玻璃键合工艺，将光栅2与压电陶瓷部件5连接为一个整体形成调制测量部件。首先在石英玻璃片一面镀金属铬Cr薄膜，通过电子束曝光制作出金属光栅，光栅2的俯视图如图4所示；然后，采用体硅湿法刻蚀加工出包括悬臂梁3和质量块4的MEMS传感机构；悬臂梁3及质量块4的一面镀有金属Al薄膜，镀有金属Al薄膜的一面朝向光栅2，金属Al薄膜一方面起到反射光的作用，另外还可与金属铬Cr薄膜构成静电驱动的两极，MEMS传感机构的俯视图如图5所示。

金属光栅的周期为2μm，即光栅条宽度为1μm，间隙为1μm。MEMS传感机构采用“三明治”结构的SOI(silicon on insulator)材料，该SOI基片最上层的单晶硅薄膜的厚度为10μm，中间的氧化层SiO₂厚度为1μm左右。质量块4和悬臂梁3的设计参数为：质量块4的厚度为即为SOI基片的总厚度，形状为圆形，直径为3mm；悬臂梁3的厚度为SOI上层单晶硅薄膜的厚度，即10μm左右，长宽为2mm×0.3mm。考虑到MEMS传感机构中质量块4和悬臂梁3的厚度不等，质量块4的厚度远远大于悬臂梁3的厚度，因此需要采用深硅刻蚀工艺。

垂直腔表面发射激光器的功率为1mW，波长为850nm，由恒功率电路驱动；采用的光电二极管可探测的最小光电流为0.1nA，响应灵敏度为0.6A/W。

如图2、图3所示，由垂直腔表面发射激光器发出相干光束入射到光栅2上时，一部分光由光栅条直接反射，形成多级次的衍射光束；另一部分穿过光栅间隙照射到质量块4的反射面，然后反射回来经过光栅面形成多级次的衍射光束。这两部分反射光中相同级次的衍射光束产生干涉，干涉信号的强度与光栅2的周期及光栅2与质量块4之间的距离有关。当有外界加速度作用时，悬臂梁3带动质量块4发生位移，光栅2与质量块4之间的距离发生变化，从而干涉信号的强度发生变化。压电陶瓷部件5与光栅2固定连接，压电陶瓷部件5在压电驱动模块8的驱动下带动光栅2运动，产生位移调制，通过光电探测模块6检测两个不同级次衍射光强的信号，通过锁相放大和差分技术可精确得到光栅2和质量块4之间距离的变化，由此位移变化即可测得加速度。

以1级衍射光为例，其光强与位移的关系为

I＝(4I_in/π²)×sin²(2πd/λ)    (1)

式中：I_in为入射光功率；d为光栅与质量块之间的距离；λ为入射光的波长。

由式(1)可见，1级衍射光强随位移d呈正弦变化，衍射光强通过光电二极管转换成电流信号，通过检测光强变化，就可以得到位移变化，进而可测量加速度。

而一级衍射光光强I对间距d的改变量可以表示为：

$\∂I/\∂d=({8I}_{\mathrm{in}}/\mathrm{\π\λ})\×\sin (4\mathrm{\πd}/\mathrm{\λ})$

可见在d取值为λ/8的奇数倍时，为最大，即所探测到的光强改变速率最大，这样，微小位移通过光强的改变量得到放大，通过测量该光强即可间接测量微小位移。

通过对压电陶瓷施部件5加调制电压，压电陶瓷部件5在垂直于光栅面的方向上带动光栅2产生周期位移变化，调节质量块4与光栅2之间的间距，使光栅2与质量块4之间的间距始终保持在λ/8的奇数倍附近，即检测灵敏度始终最大，信号处理模块中通过锁相放大将信号提取出来。

图6为信号调制解调原理图，通过施加高频调制信号，使输出信号为一个交流量，通过锁相放大器对交流信号进行锁相放大，获取被测的直流信号。

经压电陶瓷部件调制后一级光强输出为：

$V_{\mathrm{out}}=\mathrm{\ΩAB}(\cos \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{DB}}_0\·\sin \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d+\sin \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{DB}}_0\·\cos \frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d)\·J_1\left(\frac{4\mathrm{\πDB}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(2\right)$

其中，V_out为输出电压，A为入射光束复振幅，B为调制电压振幅，B₀为调制信号偏置电压，其中D为PZT在电压(B₀+B)时移动的位移，λ为入射光束的波长，J₁为1阶贝塞尔函数，d为光栅与质量块反射面之间的距离，Ω为光电探测器转换系数。

质量块敏感到的加速度与质量块反射面的位移之间的满足关系式：

$\mathrm{kx}+c\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{ma}---\left(3\right)$

式中，x为质量块位移变化量，k为等效弹性系数，c为等效阻尼系数，m为等效惯性质量，t为时间，a为输入加速度。

通过上式获得加速度的值。

下一步可得微加速度传感器的灵敏度，由式(1)可知，假定初始质量块4与光栅2之间的距离d＝λ/2，对应的光电流为0，当光电流为0.1nA时，对应的位移d为0.0868nm。

本发明中的MEMS传感结构，1g的加速度引起的质量块4发生的最大位移改变量约为20μm。因而，对应1nm的位移改变量测得的加速度约为4.34μg，即灵敏度在μg量级。

Claims (2)

1.一种集成光栅压电调制的微光学加速度传感器，包括外壳(9)，外壳(9)内设有沿光路依次布置的光源(1)和光栅(2)，其特征在于，所述外壳(9)内沿光路还设有底座(10)、位于底座(10)与光栅(2)之间且滑动安装在所述外壳(9)内的MEMS传感机构和位于所述光栅(2)与MEMS传感机构之间且一面固定在所述光栅(2)上的压电陶瓷部件(5)，所述MEMS传感机构包括质量块(4)和连接所述质量块(4)的悬臂梁(3)，所述质量块(4)朝向所述光栅(2)的一面为镀有金属铝膜的反射面；

还设有：

用于驱动压电陶瓷部件(5)形变的压电驱动模块(8)；

用于检测干涉光束的光强信号的光电探测模块(6)，所述的干涉光束为被光栅(2)反射的衍射光束和被质量块(4)的反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉形成；

用于根据光电探测模块(6)的干涉光束的光强信号来控制压电驱动模块(8)的信号处理模块(7)，该信号处理模块为锁相放大差分处理电路；

所述的压电陶瓷部件(5)为中心与光路对应的环形部件且带有两个电极；所述悬臂梁(3)为矩形框，所述质量块(4)位于矩形框的中心部位；所述质量块(4)为矩形或圆形；

通过对压电陶瓷部件施加调制电压，同时将光栅与压电陶瓷部件固定在一起，使压电陶瓷部件在垂直于光栅面的方向上带动光栅产生周期位移变化，调节质量块与光栅之间的间距，使光栅与质量块之间的间距始终保持在λ/8的奇数倍附近，即检测灵敏度始终最大，信号处理模块中通过锁相放大将干涉光束的光强信号提取出来。

2.一种利用权利要求1所述微光学加速度传感器检测加速度的方法，其特征在于，包括：

(1)光源出射光束经过光栅后投射到质量块的反射面；

(2)被光栅反射的衍射光束和被反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉；

(3)利用调制电压驱动压电陶瓷部件产生位相调制信号，对光电探测模块探测的干涉光束的光强信号进行锁相放大处理计算得出质量块的位移量；

通过对压电陶瓷部件施加调制电压，同时将光栅与压电陶瓷部件固定在一起，使压电陶瓷部件在垂直于光栅面的方向上带动光栅产生周期位移变化，调节质量块与光栅之间的间距，使光栅与质量块之间的间距始终保持在λ/8的奇数倍附近，即检测灵敏度始终最大，信号处理模块中通过锁相放大将干涉光束的光强信号提取出来；

(4)根据质量块的位移量计算出加速度。