CN103175992A - 集成光栅电光效应的微光学加速度传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成光栅电光效应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、光栅和MEMS传感机构，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向光栅的一面为光反射面，还设有用于检测干涉光束光强的光电探测器，所述的干涉光束为被光栅反射的光束和被光反射面反射的光束发生干涉形成；所述光栅和MEMS传感机构之间设有用于对所述光反射面出射光束进行位相调制的电光晶体，还设有用于驱动所述电光晶体产生电光效应的电压驱动模块，以及根据所述光电探测器的信号得到相应的加速度的信号处理模块。本发明还公开了利用上述微光学加速度传感器的检测方法。

Description

集成光栅电光效应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，尤其涉及一种集成光栅电光效应的微光学加速度传感器。

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。

例如，专利公开号为CN101788570A的专利文献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：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。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；另一路激光通过分光棱镜、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。

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。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，但目前大部分微机械加速度传感器的精度不高，不能适应军事装备发展的需求。

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。

例如，专利公开号为CN102759635A的专利文献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。

发明内容

本发明提供了一种高检测精度和抗外界干扰强的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器及其检测方法。

一种集成光栅电光效应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、光栅和MEMS传感机构，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向光栅的一面为光反射面，还设有用于检测干涉光束光强的光电探测器，所述的干涉光束为被光栅反射的光束和被光反射面反射的光束发生干涉形成；所述光栅和MEMS传感机构之间设有用于对所述光反射面出射光束进行位相调制的电光晶体，还设有用于驱动所述电光晶体产生电光效应的电压驱动模块，以及根据所述光电探测器的信号得到相应的加速度的信号处理模块。

所述光源优选为垂直腔表面发射激光器，垂直腔表面发射激光器是一种低成本、高性能的特定波长光源，具有测试简单、易耦舍以及易形成阵列等独特优势。

所述的MEMS传感机构还包括一矩形框，所述质量块位于矩形框的中部，所述悬臂梁连接在所述质量块和矩形框之间。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；悬臂梁和质量块的顶面处于同一平面，以保证光反射面的唯一性。

所述光电探测器为光电二极管，光电二级管和电压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电压驱动模块来使电光晶体产生电光效应，另一方面用于接收光电探测器收集的信息，信号处理模块通过分析对比光电探测器所反馈的信息计算出质量块的位移量，所述信号处理模块优选为锁相放大差分处理电路。

所述外壳包括用于支撑MEMS传感机构的底座，所述底座带有与所述质量块相适应的容纳腔，在有外界加速度作用下时，容纳腔为质量块提供位移变化的空间。

所述电光晶体的上下面均镀有ITO透明导电膜，所述电压驱动模块与ITO透明导电膜连接。电压驱动模块向ITO透明导电膜输出电压，电光晶体在电场的作用下发生电光效应，对透过电光晶体的光束进行位相调制。

所述光栅为镀设在电光晶体顶面的金属薄膜铬，并采用电子束曝光制作而成的金属光栅。

本发明的微光学加速度传感器工作过程如下：

垂直腔表面发射激光器发出相干光束入射到金属光栅上时，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透过电光晶体照射到质量块的光反射面，然后反射回来透过电光晶体，经过光栅形成多级次的衍射光束；这两部分相同级次的衍射光束产生干涉，干涉信号的强度被光电探测器收集。

当有外界加速度作用时，悬臂梁带动质量块发生位移时，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。电光晶体在电压驱动模块的驱动下产生电光效应，使透过电光晶体的光束的位相产生变化，产生位相调制，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的距离的变化，由此位移变化即可测得加速度的大小。

本发明还提供了一种利用上述微光学加速度传感器的检测方法，包括：

1）光源出射光束经过光栅后投射到质量块的光反射面，被光栅反射的衍射光束和被光反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉，通过光电探测器测得干涉光束的第一强度信号；

2）在有外界加速度作用时，质量块发生位移，光源出射光束经过光栅后投射到质量块的光反射面，被光栅反射的衍射光束和被光反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉，然后通过光电探测器测得干涉光束的第二强度信号；

3）对比两次检测到的干涉光束的强度信号，通过锁相放大和差分技术得到质量块的位移量；

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金属光栅上时，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，金属光栅为固定部分，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为金属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。

本发明的有益效果是：引入电光晶体作为调制器件，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。

附图说明

图1为本发明的微光学加速度传感器的结构总体图。

图2和图3为本发明的微光学加速度传感器的原理示意图。

图4为本发明金属光栅的俯视图。

图5为本发明电光晶体的结构示意图。

图6为本发明MEMS传感机构的结构示意图。

图7为信号调解原理图。

图中，垂直腔表面发射激光器1、金属光栅2、悬臂梁3、质量块4、电光晶体5、光电二极管6、光电二极管7、锁相放大差分处理电路8、电压驱动模块9、底座10、外壳11。

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，包括外壳11，位于外壳11底部的底座10，底座10上方设置有带质量块4和悬臂梁3的MEMS传感机构，MEMS传感机构安装在外壳11内，底座10带有与质量块4相适应的容纳腔，该容纳腔为质量块4的位移变化提供空间，在MEMS传感机构上方设置金属光栅2，金属光栅2和MEMS传感机构之间设有电光晶体5，在金属光栅2的上方及外壳11内壁的顶部设置有垂直腔表面发射激光器1、光电二极管6和光电二极管7；如图2和图3所示，光电二极管6、光电二极管7和电压驱动模块9均与锁相放大差分处理电路8连接。

如图4所示，本发明中采用的金属光栅的周期为2μm，即光栅条宽度为1μm，间隙为1μm。如图5所示，电光晶体（如铌酸锂或者是钽酸锂）片的a面和b面各镀上一层ITO透明导电膜作为电极，电压驱动模块9为两个电极提供电压。本发明采用镀膜和电子束刻蚀工艺，在电光晶体上制作金属光栅使光栅与电光晶体作为一个整体形成调制测量部件，具体的由以下内容实现：首先在电光晶体（如铌酸锂或者是钽酸锂）的上下两个面各镀上一层ITO透明导电膜作为电极，然后在其中一面镀金属薄膜铬Cr，通过电子束曝光制作出金属光栅。

MEMS传感机构通过体硅湿法刻蚀和ICP刻蚀加工出悬臂梁3和质量块4，如图6所示，且悬臂梁3及质量块4的一面镀有金属Al薄膜，该面即为光反射面。MEMS传感机构采用“三明治”结构的SOI（silicon oninsulator）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。质量块和悬臂梁的设计参数为：质量块的厚度为即为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传感机构中质量块和悬臂梁的厚度不等，质量块的厚度远远大于悬臂梁的厚度，因此需要采用深硅ICP刻蚀工艺。

本发明中采用的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。

本发明的工作过程：

垂直腔表面发射激光器1发出相干光束入射到金属光栅2上时，一部分光由金属光栅2条直接反射，形成多级次的衍射光束；另一部分穿过金属光栅2间隙透过电光晶体5照射到质量块4的光反射面，然后反射回来透过电光晶体5，经过金属光栅形成多级次的衍射光束；这两部分相同级次的衍射光束产生干涉，干涉信号的强度被光电二极管6和光电二极管7收集；

当有外界加速度作用时，在惯性的作用下，悬臂梁3带动质量块4发生位移时，金属光栅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。电光晶体5在电压驱动模块9的驱动下产生电光效应，使透过电光晶体5的光束的位相产生变化，产生位相调制，通过光电二极管6和光电二极管7收集这两个不同级次衍射产生的干涉信号的强度；

将两次收集到的干涉信号的强度进行对比分析，并通过锁相放大和差分技术可精确得到光栅和质量块之间的距离的变化，由此位移变化即可测得加速度的大小。

本发明中的金属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，金属光栅为固定部分，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为金属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，如图7所示，b为位相调制信号，a为经过调制后光电探测器探测到的交流信号，交流信号的幅值就是被测信号的大小。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。

式（1）给出了一级衍射光强I与金属光栅和质量块之间的距离d关系，则光强I对位移d的1阶导数为

=(8I_in/πλ)×sin(4πd/λ)

可见，当d等于λ/8的奇数倍时，光强对位移的灵敏度最大。

因而，本发明中，令d的初始值d₀为λ/8的奇数倍。当有外界加速度作用时，一级衍射光的光强将发生改变，探测光强即可得到加速度。为使光强对位移的变化最为灵敏，通过加入电光晶体驱动电压来进行位相调制，可以大大提高检测灵敏度。

本发明的微光学加速度传感器的灵敏度：

由式（1）可知，假定初始质量块与光栅之间的距离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。本发明所采用的MEMS传感机构，1g的加速度引起的质量块发生的最大位移改变量约为20μm，因而，对应1nm的位移该变量测得的加速度约为4.34μg，即灵敏度在μg量级。

Claims (7)

1.一种集成光栅电光效应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、光栅和MEMS传感机构，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向光栅的一面为光反射面，还设有用于检测干涉光束光强的光电探测器，所述的干涉光束为被光栅反射的光束和被光反射面反射的光束发生干涉形成；其特征在于，所述光栅和MEMS传感机构之间设有用于对所述光反射面出射光束进行位相调制的电光晶体，还设有用于驱动所述电光晶体产生电光效应的电压驱动模块，以及根据所述光电探测器的信号得到相应的加速度的信号处理模块。

2.如权利要求1所述的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，其特征在于，所述的MEMS传感机构还包括一矩形框，所述质量块位于矩形框的中部，所述悬臂梁连接在所述质量块和矩形框之间。

3.如权利要求1所述的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管。

4.如权利要求1所述的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，其特征在于，所述外壳包括用于支撑MEMS传感机构的底座，所述底座带有与所述质量块相适应的容纳腔。

5.如权利要求4所述的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，其特征在于，所述电光晶体的上下面均镀有ITO透明导电膜，所述电压驱动模块与ITO透明导电膜连接。

6.如权利要求1所述的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，其特征在于，所述光栅为镀设在电光晶体顶面的金属薄膜铬，并采用电子束曝光制作而成的金属光栅。

7.一种利用权利要求1所述微光学加速度传感器的检测方法，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光反射面，被光栅反射的衍射光束和被光反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉，通过光电探测器测得干涉光束的第一强度信号；

2）在有外界加速度作用时，质量块发生位移，光源出射光束经过光栅后投射到质量块的光反射面，被光栅反射的衍射光束和被光反射面反射经过光栅产生的同级次衍射光束发生干涉，然后通过光电探测器测得干涉光束的第二强度信号；

3）对比两次检测到的干涉光束的强度信号，通过锁相放大和差分技术得到质量块的位移量；

4）根据质量块的位移量计算出加速度。

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