CN104166015A - 基于单片集成的高精度、大量程光学nems微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅、四个悬臂梁和基底组成；光学位移测量系统包括激光器、光电探测器、上层基底层、支撑和连接部分、处理电路和计算机；其中光栅既作为光学位移测量系统中的光学调制元件，又在加速度敏感系统中充当了质量块的角色；本发明微加速度计利用了单片集成的NEMS加速度敏感系统实现了大动态范围的线性加速度敏感，并利用了衍射光栅的干涉现象和亚波长光栅的伍德异常现象实现了很高的位移测量灵敏度，综合两个系统可以达到高精度、大动态范围的加速度测量。

Description

基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计

技术领域

本发明涉及光学加速度传感器领域，尤其涉及一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计。

背景技术

加速度计是测量物体加速度的传感器，作为惯性导航系统的关键部件之一，加速度计在航空航天、抗振动测量、地震监测和交通运输等方面都有着广泛应用。微加速度计是微型惯性导航系统的核心器件之一，相比于传统加速度计有着体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高和易集成等优点。现在，微加速度计的实际应用已经扩展至自动控制、汽车制动启动检测、报警系统、各种玩具、结构物与环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析、电子数码产品，高层建筑结构动态特性测量等各个领域。事实上，无论是加速度计还是微加速度计，低精度的还是高精度的，它们的应用范围都在不断扩展中。当然，微加速度计最大的需求是来源于国防上的要求。近年来，我国在军事和国防研究领域，尤其是导弹、运载火箭与舰船等新式武器方面取得了非常大的进步。这些国防应用就为不同灵敏度、多测试维度、大动态范围的微加速度计的研制提出了要求。

现有的微加速度计通常是采用电容式、压电式或者压阻式的方法，以电容式为例，电容的变化与位移的平方成正比，而其位移的分辨率有限，因此在保证质量块微小尺寸的前提下很难做到高分辨率。而光学加速度计以其精度高、防电磁干扰的特点也逐渐成为近些年来国内外的研究热点。例如：美国专利申请号为US2013327146的“Optical Accelerometer System”，公开了一种基于线偏振光的光学腔系统。它包括一个线偏振光源、带有弹簧、四分之一波片和反射镜的光学腔以及至少一个的光电探测器。外部加速度的输入会导致反射回的光强信号ACCEL的频率与光学腔中的反射镜的运动相关，这样就可以建立起ACCEL与外部加速度的关系，通过探测ACCEL的频率变化即可计算得到外界输入的加速度值。但是这种光学加速度计系统庞大且用到的频率探测方法精度不高，很难做到小型化和高精度。

近年来，包括MEMS和NEMS在内的微纳加工工艺逐渐成熟，微纳加工技术的发展也带来了集成光学的发展。集成光学器件技术的发展为包括加速度计在内的光学传感器提供了新的发展方向，通过将各种元件集成在一个衬底上可以实现传感器的体积进一步缩小，而且集成光学传感器还具有较高的稳定性、可靠性和较低的成本。微纳加工技术可以用来研制高集成度和高精度的光学NEMS加速度计。

如能将光学加速度计和微加速度计的优势结合起来，一种高性能的加速度计是有可能实现的。例如：美国专利号为US8783106B1的“Micromachined Force-balance FeedbackAccelerometer with Optical Displacement Detection”，公开了一种基于位移传感的带有力反馈的光学微加速度计。这种微加速度计能较好地做到集成，并且利用了F-P腔干涉的原理，拥有较高的位移测量精度。但是该加速度计的制作工艺相当复杂，不利于大规模制造，集成度还可以继续提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术不足，提供一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计。

本发明的目的可以通过以下两个技术方案来实现：一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅、四个悬臂梁和基底组成，所述SOI为Si-SiO2-Si的三层结构；所述悬臂梁为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅和四个悬臂梁，其中，光栅位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁中心对称地分布在光栅的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔；最后通过镀膜的方式在光栅表面和透过光栅的基底区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅充当质量块的角色，其光栅周期为1.5-2μm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器、两个光电探测器、上层基底层、支撑和连接部分、处理电路和计算机；上层基底层通过支撑和连接部分与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器和光电探测器均固定在上层基底层下方，VCSEL激光器位于光栅中心的正上方，两个光电探测器对称分布在±1级衍射级次上，均与处理电路相连，处理电路与计算机相连。

一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅、四个悬臂梁和基底组成，所述SOI为Si-SiO2-Si的三层结构；所述悬臂梁为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅和四个悬臂梁，其中，光栅位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁中心对称地分布在光栅的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔；最后通过镀膜的方式在光栅表面和透过光栅的基底区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅充当质量块的角色，其光栅周期为500-700nm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器、光电探测器、上层基底层、支撑和连接部分、处理电路和计算机和分光棱镜；上层基底层通过支撑和连接部分与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器和光电探测器均固定在上层基底层下方，VCSEL激光器位于光栅中心的正上方；分光棱镜位于VCSEL激光器的正下方；光电探测器固定在支撑和连接部分的内侧壁上，从分光棱镜出射的光束垂直于光电探测器的光敏面；光电探测器与处理电路相连，处理电路与计算机相连。

进一步地，所述每个悬臂梁宽度为300nm～500nm，具有20-60的弯折数，每一个弯折的长度为10-20μm，光栅和悬臂梁的厚度均为250nm～1μm，空气间隙4为2-5μm。

本发明的有益效果是：

1、利用微纳加工技术实现了光栅、质量块、悬臂梁、基底的单片集成，并且有望实现光源和探测器的集成，大大减小了整个加速度计的体积、提高了系统的稳定性和可靠性，也有助于后期的成本降低。

2、设计了单片上的光栅(质量块)和悬臂梁结构，可以在保证单片集成的基础上实现加速度敏感系统较高的机械位移敏感度；同时通过新颖的光学原理实现了小尺寸的高精度光学位移测量，两个系统的配合实现了较高的加速度测量灵敏度。

3、微加速度计尺寸的缩小使得单片集成的光栅(质量块)悬臂梁弹性系统的基频大大提高，这也实现了动态性能的提高。改变光栅(质量块)和悬臂梁的参数也可以很容易地实现大动态范围的高g值加速度测量。

4、该加速度计的加速度敏感系统具有各个方向上高度对称的结构设计，可以有效减小不同轴向加速度的交叉耦合，这样有利于多个加速度计的配合以实现多轴的加速度测量。

附图说明

图1是基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计的加速度敏感系统俯视图；

图2是加速度敏感系统的正视剖面图；

图3是基于衍射光栅的方案的光学NEMS微加速度计的结构示意图；

图4是基于伍德异常的方案的光学NEMS微加速度计的结构示意图；

图5是基于衍射光栅的光学位移测量系统实测的位移数据波形图；

图6是基于衍射光栅的光学位移测量系统的输出电压/位移的斜率拟合曲线；

图7是基于伍德异常的光学位移测量系统的光强透过率与光栅1的位移之间的关系曲线；

图中，光栅1、悬臂梁2、基底3、空气间隙4、VCSEL激光器5、光电探测器6、上层基底层7、支撑和连接部分8、处理电路9、计算机10、分光棱镜11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。

本发明基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成；通过单片SOI制作出高灵敏度的加速度敏感系统，如图1、2所示，该加速度敏感系统由单片SOI上的光栅1、四个悬臂梁2和基底3组成，所述SOI为Si-SiO2-Si的三层结构；所述悬臂梁2为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者聚焦离子束刻蚀出光栅1和四个悬臂梁2，其中，光栅1位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁2中心对称地分布在光栅1的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔4；最后通过镀膜的方式在光栅1表面和透过光栅1的基底3区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅1充当质量块的角色。

加速度敏感系统的工作过程描述如下：

由充当质量块的光栅1和悬臂梁2组成的弹性系统在有外界加速度输入的条件下，悬臂梁2会发生弹性形变，带动光栅1沿垂直于光栅1平面方向运动。在单晶硅的屈服强度内，光栅1的位移量和输入加速度呈线性关系。该加速度敏感系统优化了光栅1和悬臂梁2的尺寸使得其加速度位移灵敏度较高；而且该系统采用了高度对称的结构设计，因此各个轴向的加速度的交叉耦合相当小，可认为对非敏感轴的加速度脱敏；且该结构的加速度敏感系统能够承受的最大加速度也很大，拥有较大的动态范围。

加速度敏感系统的实施例：所述每个悬臂梁2宽度为300nm，具有57个弯折数，每一个弯折的长度为40μm，光栅1和悬臂梁2的厚度均为1μm，空气间隙4为5μm。

如表1所示，加速度敏感系统在受到沿敏感轴的1g加速度作用下，光栅1轴向位移为0.993μm，也即说明该系统能够将1g的加速度转化为0.993μm这个不小的位移量；加速度敏感系统在受到非敏感轴(垂直于敏感轴)的1g加速度作用下，光栅1轴向位移仅为0.206nm，可以计算得到该系统的交叉耦合Crosstalk为：

$\mathrm{Crosstalk}=\frac{0.206\mathrm{nm}}{0.993\mathrm{\μm}}=0.021\%$

因此该加速度敏感系统拥有小的交叉耦合，对非敏感轴向的加速度基本脱敏。加速度敏感系统在沿敏感轴的50g加速度作用下，von-Mises等效应力仅为1.977*10⁷Pa，远小于单晶硅的屈服强度70MPa-200MPa，即使考虑到加工误差和实际应用环境，该加速度敏感系统的动态范围依然可以达到±50g。综合来看，该加速度敏感系统具有较高的加速度位移灵敏度，同时兼具很小的交叉耦合、较大的动态范围。

表1  加速度敏感系统性能指标

加速度大小	1g(沿敏感轴)	1g(垂直于敏感轴)	50g(沿敏感轴)	50g(垂直于敏感轴)
					光栅1轴向位移	0.993μm	0.206nm	50.672μm	105.280nm
Von-Mises等效应力	3.873*105Pa	2.436*105Pa	1.977*107Pa	1.243*107Pa

本发明光学位移测量系统分为两种，一种为基于衍射光栅的光学位移测量方案，该方案对应的光栅1周期为1.5-2μm；另一种为基于伍德异常的光学位移测量方案，该方案对应的光栅1周期为500-700nm。

如图3所示，基于衍射光栅的光学位移测量系统包括：VCSEL激光器5、两个光电探测器6、上层基底层7、支撑和连接部分8、处理电路9和计算机10。上层基底层7通过支撑和连接部分8与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器5和光电探测器6均固定在上层基底层7下方，VCSEL激光器5位于光栅1中心的正上方，两个光电探测器6对称分布在±1级衍射级次上，均与处理电路9相连，处理电路9与计算机10相连。

基于衍射光栅的技术方案，其工作过程描述如下：

由VCSEL激光器5出射的激光经过准直垂直入射到光栅1上，经过光栅1反射衍射出0级、±1级和±3级等级次的衍射光，而透射经过光栅1的光束被基底3表面所镀金属膜反射后再次经过光栅1发生衍射，同样形成0'级、±1'级和±3'级衍射光，两次产生的衍射光发生干涉形成干涉光斑。干涉光斑的光强与光栅1到基底3之间的间距有着三角函数的平方关系，且干涉光斑位置不会随着光栅1到基底3之间的间距改变而发生变化。当光栅1受到外界加速度作用时，根据牛顿第二定律，光栅1和悬臂梁2组成的弹性系统受到该加速度对应的惯性力，光栅1在垂直方向发生位移，位移量与加速度在弹性范围内成线性关系。在两次±1级次衍射光发生干涉处放置光电探测器6即可测得相应干涉光强，之后经过处理电路9进行差分放大、滤波和AD转换进入计算机10完成数据采集和分析，并以此计算得到光栅1的位移量和最终的加速度值。

基于衍射光栅的技术方案的实施例：

由衍射光栅的光学位移测量系统实测的位移数据如图5所示，其斜率的拟合曲线如图6所示。从图6中可以得到该光学位移测量系统的最大位移测量灵敏度达到15mV/nm，相应的系统噪声峰峰值为0.44mV，因此可以计算得到该方案的光学位移测量系统位移测量分辨率达到了0.44/15＝0.029nm。联系加速度敏感系统的加速度位移灵敏度为0.993μm/1g，可以得到采用该光学位移测量系统的微加速度计加速度测量灵敏度为2.92*10^-5g。如果将系统的噪声进一步降低到0.1mV或更低水平，采用衍射光栅方案的微加速度计有望在保证±50g的量程情况下达到μg甚至更高的分辨率和测量精度。

如图4所示，基于伍德异常的光学位移测量系统包括：VCSEL激光器5、光电探测器6、上层基底层7、支撑和连接部分8、处理电路9和计算机10和分光棱镜11；上层基底层7通过支撑和连接部分8与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器5和光电探测器6均固定在上层基底层7下方，VCSEL激光器5位于光栅1中心的正上方；分光棱镜11位于VCSEL激光器5的正下方；光电探测器6固定在支撑和连接部分8的内侧壁上，从分光棱镜11出射的光束垂直于光电探测器6的光敏面；光电探测器6与处理电路9相连，处理电路9与计算机10相连。

基于伍德异常的技术方案，其工作过程描述如下：

在加速度敏感系统将加速度转化为亚波长光栅1的位移量后，由VCSEL激光器5出射的激光经过准直垂直入射到亚波长光栅1上，光束经过光栅1、空气间隔4和基底3反射再经过光栅1，由于光栅周期小于光波长，因此衍射消失，伍德异常体现在本发明中的现象为当光栅1相对基底3发生微小位移时，透射的光强会发生剧烈变化。在反射光路中放置分光棱镜11或者偏振分光系统可以使反射光强被光电探测器6接收，经过后面的处理电路9和计算机10对光强进行采集和细分即可通过光强的变化实现高精度的位移测量，从而最终测得加速度值。

基于伍德异常的技术方案的实施例：

由FDTD仿真可以得到基于伍德异常的光学位移测量系统的光强透过率与光栅1的位移之间的关系，如图7所示。其最大的透过率变化斜率约为0.3％/nm，考虑到所用VCSEL激光器的输出功率和等效噪声功率分别2.2mW和5nW。再考虑到光强衰减和环境因素为90％左右，可以计算得到基于伍德异常的光学位移测量系统的位移测量分辨率Resolution为：

$\mathrm{Resolution}=\frac{5\mathrm{nW}}{2.2\mathrm{mW}\×10\%\×0.3\%/\mathrm{nm}}=0.0076\mathrm{nm}$

联系加速度敏感系统的加速度位移灵敏度为0.993μm/1g，可以得到采用该光学位移测量系统的微加速度计加速度测量灵敏度为7.62*10^-6g。如果保证光强衰减较少并优化光栅1参数，采用伍德异常方案的微加速度计有望在保证±50g的量程情况下达到超过μg的分辨率和测量精度。

综上所述，本发明中的加速度敏感系统具有较高的加速度位移灵敏度，同时兼具很小的交叉耦合、较大的动态范围；两种光学位移测量系统都具有很高的位移测量分辨率，加速度敏感系统和光学位移测量系统结合可以得到高精度、大量程的光学微加速度计。同时，本发明采用了MEMS/NEMS微加工工艺并且利用到了VCSEL光源和PIN管，因此敏感系统、光源和探测器都可以进行装配集成做到很小的体积。

本发明基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计主要应用在外部加速度的测量或和陀螺仪共同组成惯性导航器件，可适用于电磁场复杂等恶劣环境。并且该微加速度计的动态范围和测量灵敏度可以通过微调悬臂梁2和光栅1的参数进行适当调整以适应不同需求的应用场合。

Claims (3)

1.一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅（1）、四个悬臂梁（2）和基底（3）组成，所述SOI为Si-SiO₂-Si的三层结构；所述悬臂梁（2）为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅（1）和四个悬臂梁（2），其中，光栅（1）位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁（2）中心对称地分布在光栅（1）的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔（4）；最后通过镀膜的方式在光栅（1）表面和透过光栅（1）的基底（3）区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅（1）充当质量块的角色，其光栅周期为1.5-2μm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器（5）、两个光电探测器（6）、上层基底层（7）、支撑和连接部分（8）、处理电路（9）和计算机（10）；上层基底层（7）通过支撑和连接部分（8）与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器（5）和光电探测器（6）均固定在上层基底层（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光栅（1）中心的正上方，两个光电探测器（6）对称分布在                                                级衍射级次上，均与处理电路（9）相连，处理电路（9）与计算机（10）相连；

由VCSEL激光器（5）出射的激光经过准直垂直入射到光栅（1）上，经过光栅（1）反射衍射出0级、级和级衍射光，而透射经过光栅（1）的光束被基底（3）表面所镀金属膜反射后再次经过光栅（1）发生衍射，同样形成级、级和级衍射光，两次产生的衍射光相干叠加形成干涉光斑；当光栅（1）受到外界加速度作用时，光栅（1）在垂直方向发生位移，位移量与加速度在弹性范围内成线性关系；干涉光斑的光强随着光栅（1）的垂直位移发生变化，但干涉光斑的位置不变；通过光学位移测量系统测得光栅（1）的位移量即可最终得到加速度值。

2.一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅（1）、四个悬臂梁（2）和基底（3）组成，所述SOI为Si-SiO₂-Si的三层结构；所述悬臂梁（2）为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅（1）和四个悬臂梁（2），其中，光栅（1）位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁（2）中心对称地分布在光栅（1）的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔（4）；最后通过镀膜的方式在光栅（1）表面和透过光栅（1）的基底（3）区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅（1）充当质量块的角色，其光栅周期为500-700nm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器（5）、光电探测器（6）、上层基底层（7）、支撑和连接部分（8）、处理电路（9）和计算机（10）和分光棱镜（11）；上层基底层（7）通过支撑和连接部分（8）与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器（5）和光电探测器（6）均固定在上层基底层（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光栅（1）中心的正上方；分光棱镜（11）位于VCSEL激光器（5）的正下方；光电探测器（6）固定在支撑和连接部分（8）的内侧壁上，从分光棱镜（11）出射的光束垂直于光电探测器（6）的光敏面；光电探测器（6）与处理电路（9）相连，处理电路（9）与计算机（10）相连；

由VCSEL激光器5出射的激光经过准直垂直入射到光栅（1）上，光束经过光栅（1）、空气间隔（4）和基底（3）反射再经过光栅（1），由于光栅周期小于光波长，衍射消失但存在伍德异常现象；当光栅（1）相对基底（3）发生微小位移时，透射的光强会发生剧烈变化；在反射光路中放置分光棱镜（11）使反射光强被光电探测器（6）接收，经过处理电路（9）和计算机（10）对光强进行采集和细分，通过光强的变化实现高精度的位移测量，并最终测得加速度值。

3.根据权利要求1或2所述一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，所述每个悬臂梁（2）宽度为300nm~500nm，具有20-60的弯折数，每一个弯折的长度为10-20μm，光栅（1）和悬臂梁（2）的厚度均为250nm~1μm，空气间隙（4）为2-5μm。