CN106093469B - 基于微悬臂投影的光电式加速度传感器 - Google Patents

基于微悬臂投影的光电式加速度传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，包括不透明的矩形壳体(9)、封装在矩形壳体(9)底部的芯片和矩形壳体(9)侧壁上部固定的光源(8)；其中，所述的芯片依次由基底(1)、下绝缘材料层(2)、光敏材料层(3)、微悬臂结构层(5)组成；其特征在于：所述的微悬臂结构层(5)的中部和上绝缘材料层(4)的中部为贯通的矩形空腔；空腔内的矩形质量块(7a)通过条状的微悬梁(7b)连接在微悬臂结构层(5)的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块(7a)在微悬梁(7b)方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁(7b)方向的长度的1/2。其灵敏度高、分辨率高、响应快、可靠性强、寿命长；且结构简单，体积小，成本低，易于批量化生产。

Description

基于微悬臂投影的光电式加速度传感器
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其涉及一种光电式加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量惯性力的电子设备，广泛应用于汽车制动/启动检测、地震检测、振动测试与分析、地质勘探、安全保卫振动侦察、图像自动翻转、惯性导航、硬盘保护、游戏控制等领域。目前加速度传感器主要有压电式、压阻式、电容式和光电式等四种。其中，光电式加速度传感器主要包括相位调制型、光强调制型和光纤布拉格光栅型三种。
相位调制型加速度传感器利用被测物体加速度发生改变之后，反射回来的信号光束与参考光束发生干涉的现象实现加速度的检测。该类型的加速度传感器具有体积小、频带宽、失真度小、不受电磁干扰等优点；但是，其成本高，并且由于温度漂移的存在，其测量精度低、可靠性差、重复性差。
光强调制型加速度传感器利用入射光受到对加速度敏感的结构的影响之后，光敏器件所接收到反射光、透射光或偏振光的强度变化来实现加速度的检测。该类型的加速度传感器具有体积小、稳定性好、精度较高等优点；但是其机械部分的结构复杂、机械加工难度大，导致其分辨率低、重复性较差、可靠性不好。
光纤布拉格光栅加速度传感器利用受力状态下的悬臂梁不同厚度层产生的不同应变所引起光纤光栅的啁啾效应或波长漂移来实现加速度的检测。具有抗电磁干扰、体积小、动态范围宽、精度高、易组网等优点，但是其寿命短、不耐高温、且易受温度影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，该种光电式加速度传感器的检测灵敏度高、分辨率高、响应快、可靠性强、使用寿命长；且其结构简单，体积小，加工成本低，易于批量化生产。
本发明解决其发明目的，所采用的技术方案是：一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，包括不透明的矩形壳体、封装在矩形壳体底部的芯片和矩形壳体侧壁上部固定的光源；其中，所述的芯片的组成是：基底、基底上表面沉积的下绝缘材料层、下绝缘材料层的上表面生长有光敏材料层、光敏材料层的上表面沉积有上绝缘材料层和两个金电极；上绝缘材料层的上表面生长有一层不透明的结构材料层；其特征在于：
所述的结构材料层的中部和上绝缘材料层的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块通过条状的微悬梁连接在结构材料层靠近光源一侧的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块在微悬梁方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁方向的长度的1/2。
本发明的工作过程和原理是：
将本发明的光电式加速度传感器固装于运动物体上，使其芯片与物体运动方向垂直。当物体加速或减速运动时，矩形质量块受到惯性力的作用并传递给微悬梁，使微悬梁相应的弯曲，其弯曲程度与加速度大小正相关；进而使矩形质量块发生与加速度大小正相关的倾斜而不再与运动方向垂直；在光源的照射下，异形微悬臂的矩形质量块在光敏材料层表面的投影面积的大小会也随之而产生相应的变化，导致光敏材料层产生的光电流发生改变，光敏材料层通过金电极向外输出的电流发生改变。从而通过光电流的变化而对运动物体的加速度的进行实时监测。
与现有光电式加速度传感器相比，本发明的有益效果：
一、本发明采用异形微悬臂结构，通过矩形质量块受到惯性力的作用并传递给细小的微悬梁，微悬梁弯曲并使矩形质量块发生倾斜，进而使其在光敏材料层表面的投影面积的大小产生变化，导致光敏材料层产生的光电流发生改变，最终实现加速度的检测。这种基于微悬梁弯曲的加速度微悬臂感应结构，其灵敏度高、分辨率高、响应快、抗电磁干扰、受温度影响小，重复性好、可靠性强。
二、较之在不同的厚度层产生的不同应变的光纤光栅结构，本发明的异形微悬臂结构由矩形质量块通过条状的微悬梁连接在微悬臂结构层的空腔壁上构成，其结构简单，加工容易、成本低，可批量化生产。
进一步本发明的矩形质量块的宽度大于等于条形微悬梁宽度的5倍；光源的光斑中心与矩形质量块的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
矩形质量块的宽度大于条形微悬梁宽度的的5倍，保证了异形微悬臂的灵敏度和响应效率，而且具有较大的受光面积，提高了加速度的检测范围。
光源的光斑中心与矩形微悬梁和矩形质量块的连接中心的连线与水平面成40-50度的夹角，这对光敏材料层表面的阴影面积进行了二次放大(第一次放大：在光线在传播的过程中遇到遮挡物之后，会在投影面上产生一个阴影，阴影面积的放大程度与光源到遮挡物的距离和遮挡物到投影面的距离有关；第二次放大：当光线以一定的角度倾斜照射到遮挡物上时，其在水平面上的投影面积比垂直于水平面照射要大，此时投影面积的放大程度与光源与水平面的夹角成反比关系)，从而在更大程度上提高了加速度检测的灵敏度和分辨率。40-50度角既使阴影的放大倍数大，同时其检测范围也大。
进一步，本发明的基底由单晶硅、石英或碳化硅制成。
进一步，本发明的的基底由PDMS、PET或PI材料制成。
进一步，本发明的上绝缘材料层和下绝缘材料层均由二氧化硅或氮化硅形成。
进一步，本发明的的光敏材料层为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
附图说明
图1为本发明实施例的在微悬梁未弯曲(被检测物体加速度为零)时的结构示意图。
图2为本发明实施例的在微悬梁弯曲(被检测物体加速度不为零)时的结构示意图。
图1、图2中带箭头的线表示光源发出的光线，黑色的矩形部分表示光源的光线被矩形质量块遮挡后在光敏材料层表面形成的阴影。
具体实施方式
实施例
图1-2示出，本发明的一种具体实施方式是：一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，包括不透明的矩形壳体9、封装在矩形壳体9底部的芯片和矩形壳体9侧壁上部固定的光源8；其中，所述的芯片的组成是：基底1、基底1上表面沉积的下绝缘材料层2、下绝缘材料层2的上表面生长有光敏材料层3、光敏材料层3的上表面沉积有上绝缘材料层4和两个金电极3a；上绝缘材料层4的上表面生长有一层不透明的微悬臂结构层5；其特征在于：
所述的微悬臂结构层5的中部和上绝缘材料层4的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块7a通过条状的微悬梁7b连接在微悬臂结构层5靠近光源8一侧的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块7a在微悬梁7b方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁7b方向的长度的1/2。
本例的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述的矩形质量块7a的宽度大于等于条形微悬梁7b宽度的5倍；所述的光源8的光斑中心与矩形质量块7a的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
本例的基底1由单晶硅、石英或碳化硅制成。
本例的基底1由PDMS、PET或PI材料制成。
本例的上绝缘材料层2和下绝缘材料层4均由二氧化硅或氮化硅形成。
本例的光敏材料层3为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
本发明的光电式加速度传感器可以单个独立使用，也可多个并联形成传感器阵列使用。多个传感器构成阵列使用时，可成倍提高其检测灵敏度、分辨率和可靠性。

Claims (6)

1.一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，包括不透明的矩形壳体(9)、封装在矩形壳体(9)底部的芯片和矩形壳体(9)侧壁上部固定的光源(8)；其中，所述的芯片的组成是：基底(1)、基底(1)上表面沉积的下绝缘材料层(2)、下绝缘材料层(2)的上表面生长的光敏材料层(3)、光敏材料层(3)的上表面沉积的上绝缘材料层(4)和两个金电极(3a)；上绝缘材料层(4)的上表面生长的一层不透明的微悬臂结构层(5)；其特征在于：
所述的微悬臂结构层(5)的中部和上绝缘材料层(4)的中部为贯通的矩形空腔；矩形空腔内的矩形质量块(7a)通过条状的微悬梁(7b)连接在微悬臂结构层(5)靠近光源(8)一侧的空腔壁上构成异形微悬臂；且矩形质量块(7a)在微悬梁(7b)方向的长度小于或等于矩形空腔在微悬梁(7b)方向的长度的1/2。
2.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述的矩形质量块(7a)的宽度大于等于条形微悬梁(7b)宽度的5倍；所述的光源(8)的光斑中心与矩形质量块(7a)的几何中心的连线与水平面成40-50度的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述的基底(1)由单晶硅、石英或碳化硅制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述的基底(1)由PDMS、PET或PI材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述上绝缘材料层(2)和下绝缘材料层(4)均由二氧化硅或氮化硅形成。
6.根据权利要求1所述的一种基于微悬臂投影的光电式加速度传感器，其特征在于：所述的光敏材料层(3)为锑化铟红外光敏材料层、碲镉汞红外光敏材料层、氧化锌紫外光敏材料层。
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