CN104406525B - 光栅组微位移传感器及其测量位移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光栅组微位移传感器及其测量位移的方法，它包括光源、分束器、第一光栅层、第二光栅层、增反层、第一红外光电探测器、第二红外光电探测器、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、依据光电信号计算位移的信号处理模块和向电容平板输送电流的电流驱动模块。本发明依据伍德异常现象，利用两层光栅位移时，反射光产生脉冲式变化的现象，通过在两光栅层制作多组光栅，每组光栅中上下两层光栅初始相对位置的不同设定，使得每组光栅产生脉冲式变化对应的上下两层光栅的微位移量不同，从而对位移信号细分，测量位移。本发明实现了传感系统的小型化，精度高，在航空、军事领域都有很广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种光栅组微位移传感器及其测量位移的方法。
背景技术
近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制作工艺为基础的微机械传感器的到了快速的发展。微机械传感器以其体积小、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，迅速占领了各种传感器领域，例如微机械加速度传感器等。目前，随着对微机械位移传感器性能要求的提高，特别是中高精度位移传感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位移传感器的研究成为了一个重要发展方向。
在现有的报到中位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。虽然种类繁多，但是现在的位移传感器的位移精度低，而且动态范围较小，因此，对一些需要高精度位移测量方面起了限制的作用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种光栅组微位移传感器及其测量位移的方法，通过利用伍德异常现象，两层光栅位移时，反射光产生脉冲式信号。再通过在两光栅层制作多组光栅，设定每组光栅中上下两层光栅横向初始位置的不同，使得每组光栅产生脉冲式反射光所对应微位移不同，从而对微位移进行细分，达到高精度测量的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光栅组微位移传感器，包括光源、分束器、第一光栅层、第二光栅层、增反层、第一红外光电探测器、第一聚焦透镜组、第二红外光电探测器、第二聚焦透镜组、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块；所述上层电容平板上刻蚀第一光栅层；上层电容平板的一端通过两个回形悬臂梁与第一固定底座相连，另一端通过两个回形悬臂梁与第二固定底座相连；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上；上层电容平板通过回形悬臂梁、第一固定底座和第二固定底座与增反层电连接；所述下层电容平板上刻蚀第二光栅层，下层电容平板固定在增反层上。
所述光源置于上层电容平板的正上方，光源的下方设有分束器，第一红外光电探测器和第二红外光电探测器对称置于光源的两侧，第一聚焦透镜组置于第一红外光电探测器的正下方，第二聚焦透镜组置于第二红外光电探测器的正下方；第一红外光电探测器和第二红外光电探测器与信号处理模块相连；下层电容平板的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；增反层的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；电流驱动模块与信号处理模块相连。
所述光源为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底组成。
所述第一光栅层和第二光栅层均有34组光栅，厚度均为950-965nm；每组光栅的光栅数为7个，周期T为1400-1500nm，占空比为0.45-0.5；第一光栅层中每组光栅的横向间隔为1560nm；第二光栅层中每组光栅的横向间隔为1575nm；第一光栅层与第二光栅层的空气间隙为300-400nm，上下两层第一组光栅横向初始位置在垂直于光栅方向上的间隔为10%T。
进一步地，所述每个光栅周期T为1441nm，占空比为0.47，第一光栅层和第二光栅层的厚度均为960nm。
进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。
一种利用上述光栅组微位移传感器测量位移的方法，包括以下步骤：
从光源发出的光通过分束器产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组照射到第一红外光电探测器上；另一路激光依次通过上层电容平板的第一光栅层、下层电容平板的第二光栅层和增反层后，经过增反层反射的光束通过第二聚焦透镜组照射到第二红外光电探测器上；
第一红外光电探测器和第二红外光电探测器上接收到的光强信号传送到信号处理模块进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块输出电流到上层电容平板和下层电容平板，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时的电流，此时上层电容平板和下层电容平板发生横向位移产生一系列的脉冲式光强信号，计算此时脉冲式光强信号的脉冲个数，得到第一光栅层相对于第二光栅层的横向移动距离；若由于外界震动的原因造成上层电容平板和下层电容平板之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。
本发明有益的效果是：本发明依据伍德异常现象，利用上下两层光栅发生微位移时，使得反射光在光栅的导通模式和泄露模式之间变换，反射光强会产生脉冲式的变化。通过在两光栅层制作多组光栅，每组光栅中上下两层光栅初始相对位置的不同设定，使得每组光栅反射光强产生脉冲式变化对应的上下两层光栅的微位移量不同，从而达到了精确测量微位移的目的。同时，将光源，探测器以及光栅集成在一起，可以大大缩小系统的体积。本发明结构紧凑、体积小、质量轻；探测信号信噪比高，能够精确反映微位移变化；具有调节能力，系统灵活；测量精度高，突破了现有的位移传感器的探测精度；引入电容平板，调整并保持脉冲的线宽最小，使得测量精度和稳定性更高；器件和基片易加工制作，成本比同类型的位移传感器低。
附图说明
图1 为一种光栅组微位移传感器的总体结构示意图；
图2为上层电容平板的结构示意图；
图3为下层电容平板的结构示意图；
图4为上层电容平板和下层电容平板组合的俯视图；
图5为上层电容平板和下层电容平板组合的立体图；
图6为单组光栅中反射光强随着上下两层光栅相对移动产生的脉冲式变化曲线图；
图7为图6的脉冲局部放大图；
图8为34组光栅反射光强随着上下两层光栅相对移动产生的脉冲式变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
当TE偏振的1530nm的红外光源垂直照射到亚波长光栅上时，会在光栅表面以倏逝波的形式传播。当两个光栅在垂直方向距离很近时，光会在两层光栅之间震荡，光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倏逝场耦合原来的光栅。当两层光栅发生很小的横向、纵向相对位移时，会导致谐振场发生变化，使得反射光的强度急剧提高，通过探测反射光的光强变化，我们可以精确知道发生的横向、纵向相对位移。
如图1至图5所示，本发明一种光栅组微位移传感器，包括光源1、分束器16、第一光栅层2、第二光栅层3、增反层4、第一红外光电探测器5、第一聚焦透镜组6、第二红外光电探测器7、第二聚焦透镜组8、第一固定底座9、第二固定底座15、回形悬臂梁10、上层电容平板11、下层电容平板12、信号处理模块13和电流驱动模块14；所述上层电容平板11上刻蚀第一光栅层2；上层电容平板11的一端通过两个回形悬臂梁10与第一固定底座9相连，另一端通过两个回形悬臂梁10与第二固定底座15相连；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反层4上；上层电容平板11通过回形悬臂梁10、第一固定底座9和第二固定底座15与增反层4电连接；所述下层电容平板12上刻蚀第二光栅层3，下层电容平板12固定在增反层4上，与增反层4绝缘。
所述光源1置于上层电容平板11的正上方，光源1的下方设有分束器16，第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7对称置于光源1的两侧，第一聚焦透镜组6置于第一红外光电探测器5的正下方，第二聚焦透镜组8置于第二红外光电探测器7的正下方；第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7与信号处理模块13相连；下层电容平板12的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块14；增反层4的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块14；电流驱动模块14与信号处理模块13相连。
所述光源1为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层4由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底组成，起到增强反射光信号的作用。
所述第一光栅层2和第二光栅层3均有34组光栅，厚度均为950-965nm，使用聚焦离子束制作而成，材料是Si；每组光栅的光栅数为7个，周期T为1400-1500nm，占空比为0.45-0.5；第一光栅层2中每组光栅的横向间隔为1560nm，第二光栅层3中每组光栅的横向间隔为1575nm，根据每组光栅中上下两层光栅初始相对位置的不同设定，使得每组光栅反射光强产生脉冲式变化对应的上下两层光栅的微位移量不同，从而通过一系列的脉冲信号对位移进行了细分，从而达到了测量微位移的目的。
第一光栅层2与第二光栅层3的空气间隙为300-400nm，形成谐振腔，激发脉冲式光电信号；横向初始位置在垂直于光栅方向上的间隔为10%T。
所述的光源1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、易耦合以及易形成阵列等独特优势。
所述的上层电容平板11和下层电容平板12用于控制第一光栅层2相对于第二光栅层3的空气间隔，通过静电力使其保持在能够产生线宽最窄的脉冲式光强的间隔位置。
所述的第一层光栅2的回形悬臂梁10起到了支撑第一层光栅2的作用，所述的两层光栅之间有相适应的容纳腔，在有外界纵向位移时，容纳腔为第一光栅层2的位移提供了变化的空间。同时回形梁的设计保证了系统拥有较大的弹性系数，从而提高了探测位移的灵敏度，而且也使得光栅移动过程中不会出现垂轴串扰的现象。
一种利用上述光栅组微位移传感器测量位移的方法，具体包括以下步骤：从光源1发出的光通过分束器16产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板11没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组6照射到第一红外光电探测器5上；另一路激光依次通过上层电容平板11的第一光栅层2、下层电容平板12的第二光栅层3和增反层4后，经过增反层4反射的光束通过第二聚焦透镜组8照射到第二红外光电探测器7上；第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7上接收到的光强信号传送到信号处理模块13进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块14输出电流到上层电容平板11和下层电容平板12，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时的电流，此时上层电容平板11和下层电容平板12发生横向位移产生一系列的脉冲式光强信号，计算此时脉冲式光强信号的脉冲个数，得到第一光栅层2相对于第二光栅层3的横向移动距离；若由于外界震动的原因造成上层电容平板11和下层电容平板12之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块14再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。
本发明光栅组微位移传感器的制作方法包括以下步骤：
1.本发明示例中采用的光源1为武汉电信器件有限公司（WTD）的，功率为1-10mW，波长为1530nm，由恒功率电路驱动，光源1经过Thorlab的红外波段准直器后，使发散角小于1度，调整光源1和第一层光栅2表面的距离，使得光斑大小与光栅面积相匹配；第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7采用光电倍增管。
2.取一块直径为150mm的Si片基底表面清洁，对其进行n型掺杂，并通过传统的湿法氧化，在高温环境下（1050℃ ）处理1.5小时，在其上氧化出一层SiO2薄膜，薄膜厚度为600nm。接着通过LPCVD技术在850℃ 温度下在SiO2上沉积800nm的Si3N4。之后利用反应离子束刻蚀的方法在SiO2和 Si3N4层刻蚀出一个开口，该开口用于固定第一固定底座9和第二固定底座15，使得电流可以从基地导通，控制两层光栅的间隔。
3.接着在Si3N4的表面利用LPCVD的方式在580摄氏度的条件下沉积960nm的Si薄膜。这一层Si的厚度有较高的要求，需通过两次沉积完成。第一次沉积大约800nm的Si，第二次降低沉积的速率，使用N型掺杂的Si来沉积，同时使用化学机械抛光法抛光硅层表面，使得硅层达到精确960nm厚度。接着，在蒸镀的Si层表面附上掩膜，利用248nm的紫外光刻技术和反应离子束刻蚀技术刻蚀出第二光栅层3。第二光栅层3的光栅线条数为7条。
4.接着在Si表面沉积一层1.2um的SiO2作为牺牲层，产生上下两层光栅的空气间隔，同时使用CMP技术来平滑其表面，然后附上掩膜。完成后，在SiO2表面使用沉积第二光栅层3的方法再次沉积960nm的Si薄膜，使得硅层达到精确960nm厚度，同时使用化学机械抛光法抛光硅层表面。接着，使用掩膜刻蚀出第一光栅层2、回形悬臂梁10、可移动的上层电容平板11。
5.最后，再沉积0.5um的SiO2牺牲层，用来包裹增反层4以及光栅的各个部件，因为需要将器件在1100摄氏度的高温下用N型杂质沉积到第一光栅层2，以此来释放Si材料的应力。之后将器件浸没在HF溶液中来牺牲SiO2层，形成两层光栅层之间的间隙，然后用去离子水洗净，用CO2进行零点干燥。然后对器件进行封装，与电流驱动模块14相连接。
图6，图7为两层光栅相对横向位移与反射光强的关系图。通过图6可见，本发明中，相对横向位移是160nm或880nm时，曲线会产生脉冲的形状。为了使光强对纵向位移的变化最为灵敏，通过加入电容平板初始驱动电压来调节两层光栅的相对位置，首先给上层电容平板11加上正电压，下层电容平板12加上负电压，然后，调整两者之间的电压差，使其上层光栅相对于下层光栅水平运动，观测两个光电探测器差分后的光强变化，当脉冲线宽最窄时，记下此时两个光栅电容平板加载的电压差并保持。通过图7可见，本发明中脉冲的峰谷值约为90%，脉冲的线宽约为14.4nm。图8为多组光栅形成的一系列脉冲，对横向相对位移进行细分，每两个脉冲对应一组光栅。
Claims (4)
1.一种光栅组微位移传感器，其特征在于：包括光源(1)、分束器(16)、第一光栅层(2)、第二光栅层(3)、增反层(4)、第一红外光电探测器(5)、第一聚焦透镜组(6)、第二红外光电探测器(7)、第二聚焦透镜组(8)、第一固定底座(9)、第二固定底座(15)、回形悬臂梁(10)、上层电容平板(11)、下层电容平板(12)、信号处理模块(13)和电流驱动模块(14)；所述上层电容平板(11)上刻蚀第一光栅层(2)；上层电容平板(11)的一端通过两个回形悬臂梁(10)与第一固定底座(9)相连，另一端通过两个回形悬臂梁(10)与第二固定底座(15)相连；第一固定底座(9)和第二固定底座(15)均固定在增反层(4)上；上层电容平板(11)通过回形悬臂梁(10)、第一固定底座(9)和第二固定底座(15)与增反层(4)电连接；所述下层电容平板(12)上刻蚀第二光栅层(3)，下层电容平板(12)固定在增反层(4)上；
所述光源(1)置于上层电容平板(11)的正上方，光源(1)的下方设有分束器(16)，第一红外光电探测器(5)和第二红外光电探测器(7)对称置于光源(1)的两侧，第一聚焦透镜组(6)置于第一红外光电探测器(5)的正下方，第二聚焦透镜组(8)置于第二红外光电探测器(7)的正下方；第一红外光电探测器(5)和第二红外光电探测器(7)与信号处理模块(13)相连；下层电容平板(12)的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块(14)；增反层(4)的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块(14)；电流驱动模块(14)与信号处理模块(13)相连；
所述光源(1)为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层(4)由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底从上至下依次排布组成；
所述第一光栅层(2)和第二光栅层(3)均有34组光栅，厚度均为950-965nm；每组光栅的光栅数为7个，周期T为1400-1500nm，占空比为0.45-0.5；第一光栅层(2)中每组光栅的横向间隔为1560nm；第二光栅层(3)中每组光栅的横向间隔为1575nm；第一光栅层(2)与第二光栅层(3)的空气间隙为300-400nm，横向初始位置在垂直于光栅方向上的间隔为10％T。
2.根据权利要求1所述一种光栅组微位移传感器，其特征在于：所述的光源(1)为垂直腔表面发射激光器。
3.根据权利要求1所述一种光栅组微位移传感器，其特征在于：所述每组光栅周期T为1441nm，占空比为0.47，第一光栅层(2)和第二光栅层(3)的厚度均为960nm。
4.一种利用权利要求1所述光栅组微位移传感器测量位移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
从光源(1)发出的光通过分束器(16)产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板(11)没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组(6)照射到第一红外光电探测器(5)上；另一路激光依次通过上层电容平板(11)的第一光栅层(2)、下层电容平板(12)的第二光栅层(3)和增反层(4)后，经过增反层(4)反射的光束通过第二聚焦透镜组(8)照射到第二红外光电探测器(7)上；
第一红外光电探测器(5)和第二红外光电探测器(7)上接收到的光强信号传送到信号处理模块(13)进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块(14)输出电流到上层电容平板(11)和下层电容平板(12)，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时的电流，此时上层电容平板(11)和下层电容平板(12)发生横向位移产生一系列的脉冲式光强信号，计算此时脉冲式光强信号的脉冲个数，得到第一光栅层(2)相对于第二光栅层(3)的横向移动距离；若由于外界震动的原因造成上层电容平板(11)和下层电容平板(12)之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块(14)再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。
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