CN106199069A - 一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加速度检测技术领域，提供了一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，包括凸台、3轴加速度敏感结构、光电探测器阵列；凸台上布置有固定纳米光栅，凸台下方布置有对应的激光光源阵列，3轴加速度敏感结构包括分别检测X、Y、Z轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构，位于凸台上方，纳米光栅加速度敏感结构上设有与固定纳米光栅对应的可动纳米光栅，3轴加速度敏感结构通过连接块与凸台可移动连接；激光光源阵列、固定纳米光栅、可动纳米光栅、光电探测器阵列自下而上对应布置在一条竖直轴线上。本发明的有益效果为：能同时检测三轴方向的加速度，精度高，使用惰性气体封装，寿命长，微型化、集成化、多功能，适于推广应用。

Description

一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置

技术领域

本发明涉及加速度检测技术领域，特别涉及一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置。

背景技术

纳米光栅研究起源于90年代，主要分为两个阶段，第一阶段主要集中在衍射理论及加工探索方面(1996年—2003年)，后期研究集中在纳米光栅在位移和位移敏感的传感器的应用(2003—今)，1996年，M.G.Moharam首次运用严格耦合波理论，以TE波和TM波为例讨论了衍射光栅在激光照射下的反射和透射特性，证明了利用严格耦合波理论分析纳米光栅的可行性，为纳米光栅传感器的研制奠定了理论基础。此后，严格耦合波理论逐渐由理论分析走向设计应用。

随着严格耦合理论解决光栅的衍射效率的技术不断成熟，科学研究工作者开始把经历转移到纳米光栅的传感器设计及应用技术上，美国sandia国家实验室于2003年在论文中首次提出水平可调纳米光栅位移传感器，在理论及实验上验证了两个水平交错的纳米光栅间距的微小变化会引起光栅反射光强都的极大变化，实现了的位移分辨率，该位移传感器具有非常高的灵敏度，可达10％/nm。但是该位移传感器是单轴位移传感器，只能检测某一个方向的微位移。2005年，美国研究者首次提出了水平可调纳米光栅的加工方法，在其实用性上迈出坚实一步。

2007年，sandia实验室实现了世界上首个纳米光栅加速度计，重点解决了弱悬臂梁与大质量块集成，高深宽比纳米光栅加工，器件湿法腐蚀后应力释放及可靠刻蚀等一系列问题，光束以一定角度照射到纳米光栅上，临近光栅之间的栅格发生近场(远场)衍射，当有外部加速度作用时，纳米光栅间距发生纳米量级的位移，引起亚波长结构的有效折射率的变化，反射光和衍射光的振幅将发生大的变化，通过探测这种变化从而实现高灵敏的加速度测量，这种水平可调结构的纳米光栅易于实现单片式的多轴加速度传感器。该器件的灵敏度为598V/g，分辨率为非常接近该器件的热噪声极限水平是当时精度最高的MOEMS加速度计。

2011年南佛罗里达大学在论文中提出一种垂直可调纳米光栅位移传感器，并将它应用在加速度计设计方案中，硅质量块底部和玻璃基板上分别刻有纳米光栅，他们之间的间隙为波长量级，形成近场耦合区。外界加速度使质量块先对底层光栅发生垂直位移，引起近场耦合区的间隙变化，通过检测投射光强的改变，得到外界加速度的大小。

现有水平可调或垂直可调的纳米光栅加速度传感器都具有局限性，例如北京航空航天大学在2010年申请了一个专利，专利名称为：《可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工》，专利号为：ZL201010607706.6，该专利只能检测单轴的加速度，结构较单一，且结构都暴露在空气中，使用寿命短，而本发明可以检测空间三轴的加速度，设计的结构新颖，用氦气进行封装，功能更多，使用寿命更长。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，可检测空间三轴方向的加速度，延长寿命且能保证检测结果的一致性和准确性。

本发明一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，包括凸台、3轴加速度敏感结构、光电探测器阵列；凸台上布置有固定纳米光栅，凸台下方布置有与固定纳米光栅对应的激光光源阵列，3轴加速度敏感结构包括分别检测X、Y、Z轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构，位于凸台上方，所述纳米光栅加速度敏感结构上设有与固定纳米光栅对应的可动纳米光栅，3轴加速度敏感结构通过连接块与凸台可移动连接；激光光源阵列、固定纳米光栅、可动纳米光栅、光电探测器阵列自下而上对应布置，且均在同一条竖直轴线上。

进一步的，激光光源阵列、固定纳米光栅、可动纳米光栅、光电探测器阵列均为5组，2组用于检测面内X轴加速度，2组用于检测面内Y轴加速度，1组用于检测离面Z轴加速度。

进一步的，纳米光栅的制作材料为硅。

进一步的，固定纳米光栅和可动纳米光栅的结构参数均为：入射光波长λ为850nm，光栅周期Λ为800nm，占空比r为0.5，光栅厚度d为400nm。

进一步的，上述检测装置用惰性气体封装。

进一步的，所述惰性气体为氦气。

本发明的有益效果为：能同时检测空间三轴方向的加速度，可获得ng级的加速度检测分辨率；使用惰性气体氦气进行封装，寿命长；该装置尺寸只有微纳级别，应用广泛；该装置微型化、集成化、精度高、多功能、寿命长，适于推广应用。

附图说明

图1所示为本发明实施例高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置结构示意图。

图2所示为本发明实施例中单层光栅模型图。

图3所示为双层纳米光栅离面加速度检测示意图。

图4所示为双层纳米光栅面内加速度检测示意图。

图5所示为连接块与可动纳米光栅结构示意图。

图6所示为凸台与固定纳米光栅结构示意图。

其中：1-激光光源阵列、2-光电探测器阵列、3-连接块、4-可动纳米光栅、5-固定纳米光栅、6-凸台、7-面内X轴的加速度敏感结构、8-面内Y轴的加速度敏感结构、9-离面Z轴的加速度敏感结构。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1-6所示，本发明实施例一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，包括凸台6，3轴加速度敏感结构7、8、9，光电探测器阵列2；凸台6上布置有固定纳米光栅5，凸台6下方布置有与固定纳米光栅5对应的激光光源阵列1，3轴加速度敏感结构7、8、9包括分别检测X、Y、Z轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构，分别为面内X轴的加速度敏感结构7、面内Y轴的加速度敏感结构8、离面Z轴的加速度敏感结构，3轴加速度敏感结构7、8、9位于凸台6上方，所述纳米光栅加速度敏感结构7、8、9上设有与固定纳米光栅5对应的可动纳米光栅4，3轴加速度敏感结构7、8、9通过连接块3与凸台6可移动连接；激光光源阵列1、固定纳米光栅5、可动纳米光栅4、光电探测器阵列2自下而上对应布置，且均在同一条竖直轴线上。

优选的，激光光源阵列1、固定纳米光栅5、可动纳米光栅4、光电探测器阵列2均为5组，2组用于检测面内X轴加速度，2组用于检测面内Y轴加速度，1组用于检测离面Z轴加速度。

优选的，纳米光栅4、5的制作材料为硅。

优选的，固定纳米光栅5和可动纳米光栅4的结构参数均为：入射光波长λ为850nm，光栅周期Λ为800nm，占空比r为0.5，光栅厚度d为400nm。

优选的，所述检测装置用惰性气体封装，惰性气体可选择氦气，电路、电源等由引线引出。

光栅可以使入射光的相位或振幅(或者同时)受到周期性空间调制，光栅的衍射性能主要是由入射光的波长、偏振特性以及光栅的槽深、周期、槽型等决定的。根据光波的性质划分，有标量衍射理论和矢量衍射理论；按照光栅衍射性能的精确程度划分，有近似衍射理论和严格衍射理论。标量衍射理论没有考虑光的矢量特性，主要被用来分析特征尺寸远大于波长(周期大于10倍波长)的光栅的衍射特性，根据该理论计算可以很方便地得到光栅的色散、分辨率、衍射效率等光栅性能指标，但是对于特征尺寸与波长相近甚至小于波长的情况下，标量衍射理论就会失效，计算就可能会产生错误的结果，这时需要采用矢量衍射理论。矢量衍射理论是分析光栅衍射特性的严格方法，主要包括微分法、积分法、模式法和严格耦合波法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)，其中严格耦合波法已经被广泛用于分析光栅的衍射问题。本发明中，光栅的特征尺寸与光源波长相近，为了更加精确的分析双层纳米光栅的衍射特性，我们采用严格耦合波法作为双层光栅衍射特性的分析方法。

严格耦合波分析(RCWA)是一种直接有效的电磁场理论，它在光栅区域严格的求解麦克斯韦方程，将麦克斯韦方程的求解问题化为一个求解特征函数的问题，得到光栅区域由特征函数耦合起来的电磁场表达式，然后在光栅区域与其它区域交界面上求解边界条件，最后得到衍射效率或者反射效率。这种方法广泛使用在各种形状光栅的分析设计中。严格耦合波理论是没有近似的严格方法，将介质光栅当作周期调制的平面波导处理，通过Maxwell方程组和边界条件进行求解波导模式的本征方程。

光栅模型如图1所示，光栅槽深为d，周期为Λ，占空比f为ɑ/Λ，入射平面与xz平面的夹角为Φ(方位角)，入射角为θ，Ψ是电位移矢量E和入射平面的夹角，波长为λ。入射区域I和透射区域III的折射率分别为n_I和n_III。在区域II，设光栅本身材料的折射率为n_rd，光栅之间的间隙的折射率为n_gr。

当光栅为无损介质材料时，各反射、透射级次的衍射效率相加为1，若为有损介质，由于光在传播过程中介质吸收了部分能量，衍射效率总和小于1。

双层纳米光栅的分析理论也是基于严格耦合波理论的。

双层纳米光栅加速度检测主要有离面检测和面内检测两种检测方式。其基本工作原理是：光通过双层纳米光栅时，当连接块3受加速度作用运动时，连接块3带动可动纳米光栅4作离面或面内运动，可动纳米光栅4和固定纳米光栅5之间发生了垂直或水平相对位移，该微小的位移变化，将会导致零级衍射光透射效率发生剧烈变化。通过检测零级衍射光透射效率的变化来得到加速度的变化。可动纳米光栅4结构图如图5所示，固定纳米光栅5结构图如图6所示。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

1、双层纳米光栅离面加速度检测

如图3所示，激光光源阵列1、固定纳米光栅5、可动纳米光栅4和光电探测器阵列2在一条竖直直线上，当连接块3受加速度作用运动时，连接块3带动可动纳米光栅4做离面运动，光电探测器阵列2电学量输出就会有相应的变化。如图4所示，纳米光栅的结构参数为：入射光波长λ为850nm，光栅周期Λ为800nm，占空比r为0.5，光栅厚度d为400nm，上下两层光栅结构的参数相同。

当双层纳米光栅结构之间产生的离面位移变化范围为0-140nm时，面内保持无运动，零级衍射光的衍射效率变化灵敏度最大，达到了1.75％/nm；当双层纳米光栅结构之间产生的离面位移变化大于140nm时，面内保持无运动，零级衍射光的衍射效率变化灵敏度会发生周期性变化，达到了0.236％/nm。

2、双层纳米光栅面内加速度检测

如图4所示，激光光源阵列1、固定纳米光栅5、可动纳米光栅4和光电探测器阵列2在一条竖直直线上，当连接块3受加速度作用运动时，连接块3带动可动纳米光栅4做面内运动，光电探测器阵列2电学量输出就会有相应的变化。如图4所示，纳米光栅的结构参数为：入射光波长λ为850nm，光栅周期Λ为800nm，占空比r为0.5，光栅厚度d为400nm，上下两层光栅结构的参数相同，上下两层光栅结构的间距为160nm。

双层纳米光栅面内检测的加速度变化与零级衍射光的衍射效率变化之间为正弦关系，其灵敏度为0.178％/nm。

本发明实施例的双层纳米光栅三轴加速度敏感结构示意图如图2所示。

双层纳米光栅三轴加速度敏感结构包括2组检测X轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构7，2组检测Y轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构8和1组检测Z轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构9；5组纳米光栅加速度敏感结构上设置了5组可动纳米光栅4；可动纳米光栅4上方设置了5组光电探测器阵列2；凸台6上布置的固定纳米光栅5和可动纳米光栅4、光电探测器阵列2共同组成加速度敏感器件。如图3所示，1组纳米光栅加速度敏感结构9、1组固定纳米光栅结构5、1组光电探测器阵列2、1组激光光源阵列1组成了Z轴加速度检测单元。如图4所示，1组纳米光栅加速度敏感结构7或8、1组固定纳米光栅结构5、1组光电探测器阵列2、1组激光光源阵列1组成了X轴或Y轴加速度检测装置。

本发明的有益效果为：能同时检测空间三轴方向的加速度，可获得ng级的加速度检测分辨率；使用惰性气体氦气进行封装，寿命长；该装置尺寸只有微纳级别，应用广泛；该装置微型化、集成化、精度高、多功能、寿命长，适于推广应用。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (6)

1.一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，包括凸台、3轴加速度敏感结构、光电探测器阵列；凸台上布置有固定纳米光栅，凸台下方布置有与固定纳米光栅对应的激光光源阵列，3轴加速度敏感结构包括分别检测X、Y、Z轴加速度的纳米光栅加速度敏感结构，位于凸台上方，所述纳米光栅加速度敏感结构上设有与固定纳米光栅对应的可动纳米光栅，3轴加速度敏感结构通过连接块与凸台可移动连接；激光光源阵列、固定纳米光栅、可动纳米光栅、光电探测器阵列自下而上对应布置，且均在同一条竖直轴线上。

2.如权利要求1所述的高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，激光光源阵列、固定纳米光栅、可动纳米光栅、光电探测器阵列均为5组，2组用于检测面内X轴加速度，2组用于检测面内Y轴加速度，1组用于检测离面Z轴加速度。

3.如权利要求1所述的高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，纳米光栅的制作材料为硅。

4.如权利要求1所述的高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，固定纳米光栅和可动纳米光栅的结构参数均为：入射光波长λ为850nm，光栅周期Λ为800nm，占空比r为0.5，光栅厚度d为400nm。

5.如权利要求1-4任一项所述的高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，所述检测装置用惰性气体封装。

6.如权利要求5所述的高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置，其特征在于，所述惰性气体为氦气。