CN106524921B - 一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，所述微位移检测装置包括位移传感模块、处理单元、显示单元，所述位移传感模块通过所述处理单元连接所述显示单元；所述位移传感模块包括能相对移动的双层纳米光栅,所述双层纳米光栅包括可动纳米光栅阵列和固定纳米光栅，并所述可动纳米光栅阵列由多个纳米光栅区域拼接而成，并多个所述光栅区域间留有一定间距；所述处理单元包括一细分电路，所述细分电路可提高该光电探测器阵列输出信号的分辨率。本发明与现有微米级的光栅周期相比，其光栅周期更小，提高了光栅检测微位移的精度；通过对可动纳米光栅阵列的光栅区域拼接，量程更大；整体结构紧凑，微型化程度高，实用性更强。

Description

一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置

技术领域

本发明涉及微位移检测技术领域，具体涉及一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置。

背景技术

矢量衍射理论是分析光栅衍射特性的方法之一，它给出光栅衍射特性的精确解，经过二十年的发展较为成熟，分为两类：积分方法和微分方法。积分方法适用具有连续面型的光栅衍射特性分析，求解过程复杂，而微分方法更适用具有不连续的、离散的面型特征的光栅衍射特性分析，求解过程较为简单。微分方法主要包括严格耦合波理论(RigorousCoupled-Wave Analysis，RCWA)和模态法(Modal Method)这两种。严格耦合波理论(RCWA)使用数值和初等数学计算，不需要复杂的数值技术，以简单和通用的优点获得了广泛的应用。

高精度微位移测量技术已成为现代工业测量技术的重要发展方向和测量领域内的研究热点。光栅位移测量技术以其低成本、高稳定性、高分辨力的特点广泛地应用于各种高精度微位移测量领域。1995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阵列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光栅的可行性，为光栅传感器的研制奠定了理论基础。

目前的光栅位移传感器以莫尔条纹位移传感器为主，但是莫尔位移传感器采用栅距较大的光栅，分辨率难以提高，体积较大，难以应用在微纳结构中测量面内运动的微位移。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，对双层光栅结构的关键尺寸进行了改良，设计的光栅周期为纳米级别，与现有微米级的光栅周期相比，其光栅周期更小，提高了光栅检测微位移的精度，将多个纳米光栅拼接，增大了微位移检测装置的量程，固定纳米光栅面积是可动纳米光栅单个区域面积的两倍，可动纳米光栅单个区域间的面积为单个纳米光栅的面积；设计细分电路，提高微位移检测装置的分辨率。本发明中，电源、激光阵列、光电探测器阵列、可动纳米光栅阵列、固定纳米光栅、导轨的整体安放结构紧凑，微型化程度高，实用性更强，可应用在MEMS相关领域。

本发明提供一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置。

本发明使用严格耦合波理论(RCWA)作为光栅衍射特性的分析理论，主要包括以下三个步骤：

1)根据麦克斯韦方程组，分别给出入射区、透射区和光栅区电磁场的表达式，对光栅区的介电常数以及各区电磁场进行展开；

2)利用麦克斯韦方程组求解光栅区内电场和磁场的耦合关系，建立耦合波方程组；

3)在入射区和光栅区的边界以及光栅区和透射区的边界，利用电磁场边值条件，求解各衍射级次的衍射光的振幅和衍射效率。

双层纳米光栅微位移检测装置的分析理论也是基于严格耦合波理论的。

具体技术方案如下：一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，所述微位移检测装置包括：能将位移物理信号转化为初级电信号的位移传感模块、能将初级电信号转化为可读信号的处理单元、能将可读信号显示的显示单元，所述位移传感模块通过所述处理单元连接所述显示单元；

所述位移传感模块包括一能相对移动的双层纳米光栅，所述双层纳米光栅包括可动纳米光栅阵列、固定纳米光栅,所述固定纳米光栅相对所述显示单元固定；

所述可动纳米光栅阵列固定设置在被测量物体的位移敏感端，并能相对所述固定纳米光栅在一导轨上移动；

所述可动纳米光栅阵列由多个纳米光栅区域拼接而成；

所述处理单元包括一细分电路，所述细分电路可提高该光电探测器阵列输出信号的分辨率。

所述固定纳米光栅的光栅面积为所述光栅区域的两倍，并所述光栅区域间的间距面积与所述光栅区域相等；

所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的栅面相互平行设置，并所述可动纳米光栅阵列的栅线平行排列；

所述位移传感模块还包括光电探测器阵列、激光阵列，所述光电探测器阵列、所述激光阵列均设置在所述固定纳米光栅的中心轴线上，所述中心轴线为垂直于所述可动纳米光栅运动方向的中心轴线，并所述激光阵列发射出的光线可穿过所述双层纳米光栅到所述光电探测器阵列。

进一步地，所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的光栅周期Λ取值区间为750nm-850nm，占空比r取值范围为0.48-0.52，光栅厚度d取值范围为350nm-450nm。

进一步地，所述激光阵列的入射光波长λ为800nm-900nm。

进一步地，所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的间距g取值区间为150nm-170nm。

进一步地，所述处理单元还包括光学信号、放大电路、整形电路、A/D转换电路、单片机处理电路、数显电路。

进一步地，所述激光阵列与一电源连接。

本发明的有益效果为：本发明对双层光栅结构的关键尺寸进行了改良，设计的光栅周期为纳米级别，与现有微米级的光栅周期相比，其光栅周期更小，提高了光栅检测微位移的精度，将多个纳米光栅拼接，增大了微位移检测装置的量程；设计细分电路，提高微位移检测装置的分辨率，整体结构紧凑，微型化程度高，实现了对面内运动的测量，实用性更强，可应用在MEMS相关领域。

附图说明：

附图标号：1-光电探测器阵列；2-可动纳米光栅阵列；201-区域光栅；3-固定纳米光栅；4-激光阵列；5-外框；6-键合基板；7-基板；8-光学信号；9-放大电路；10-整形电路；11-细分电路；12-A/D转换电路；13-单片机处理电路；14-数显电路；15-显示单元；16-导轨；

图1为本发明双层纳米光栅微位移测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明双层纳米光栅微位移检测装置面内运动微位移检测原理图；

图3为本发明双层纳米光栅微位移检测装置纳米光栅阵列光栅参数标注图；

图4为本发明双层纳米光栅微位移检测装置电路连接图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示为本发明光栅微位移检测装置的整体连接图，一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，所述检测装置包括位移传感模块，所述位移传感模块包括光电探测器阵列1、可动纳米光栅阵列2、固定纳米光栅3、激光阵列4，所述光电探测器阵列1、所述可动纳米光栅阵列2、所述固定纳米光栅3、所述光源4均设置在所述检测装置中轴线上，该处中轴线指垂直于所述可动纳米光栅运动方向的中轴线，也可以理解为，所述光电探测器阵列1、所述可动纳米光栅阵列2、所述固定纳米光栅3、所述激光阵列4依次设置在同一条直线上，并所述直线与所述可动纳米光栅阵列运动方向垂直，使光源4发出的射线可穿过该图中的所述可动纳米光栅阵列2和所述固定纳米光栅3，并射向该光电探测器阵列1，附图1中示出的该可动纳米光栅阵列2固定在待测装置的位移敏感端，可以在一导轨16上运动，并与所述固定纳米光栅3平行设置；

应当指出的是，所述可动纳米光栅阵列2由多个纳米光栅区域201拼接而成，以增大该检测装置的量程，并多个所述光栅区域201间留有间距面积，此处的间距面积指以相邻两光栅区域201的平行两边长及间距所界定的面积。

所述固定纳米光栅3的光栅面积为所述光栅区域201的两倍，并所述光栅区域201间的间距面积与所述光栅区域201相等，在此对该光栅区域201的面积不做具体限定。

如图2所示为本发明光栅微位移检测装置的总体结构示意图，所述可动纳米光栅阵列2固定在被测量物体位移敏感端，并可随被测量物体发生微小位移移动，所述固定纳米光栅3设置在所述可动纳米光栅阵列2的一侧，并固定在一基板7上，所述可动纳米光栅阵列2另一侧设置所述光电探测器阵列1，并所述光电探测器阵列1设置多个，所述激光阵列4设置在所述固定纳米光栅3的一侧，并相反于设置所述可动纳米光栅阵列2的一侧；

需要补充说明的是，所述基板7上，相反于朝向所述激光阵列4一侧面上，还设置外框5、键合基板6，所述外框5通过所述键合基板6固定连接所述基板7；

所述光电探测器阵列1、所述固定纳米光栅3、所述激光阵列4均相对固定设置，所述可动纳米光栅阵列2相对所述固定纳米光栅3可移动，并可随被测量物体敏感端发生微小位移；

所述激光阵列4的输出端与所述光电探测器阵列1的接收端对应设置，使所述激光阵列4的输出端发射出的光线能穿过所述固定纳米光栅3、所述可动纳米光栅阵列2到达所述光电探测器阵列1的接收端；

需要具体说明的是，所述可动纳米光栅阵列2和所述固定纳米光栅3的栅面相互平行设置，根据需要可拼接N(N≥1)个相同的纳米光栅，并所述可动纳米光栅阵列2的栅线平行排列。

以下结合附图2对本发明做进一步说明：

如附图2所示的为本发明微位移检测装置面内运动时微位移检测原理图，所示激光阵列4、所述固定纳米光栅3、所述可动纳米光栅阵列2及所述光电探测器阵列1均如上述位置关系排列，当上述位移敏感端带动所述可动纳米光栅阵列2做面内运动时，由所述激光阵列4发射的光线穿过所述可动纳米光栅阵列2、所述固定纳米光栅3的光线发生衍射，使光电探测器阵列1的电学输出量相应变化，并将此变化以电学信号的方式输出。此时，纳米光栅的入射光波长λ为800nm-900nm，

需要重点注意的，如附图3所示出的为可动纳米光栅阵列和固定纳米光栅的结构参数，本发明中所述可动纳米光栅阵列2和所述固定纳米光栅3的材料均为硅，其光栅周期和间距均为纳米级，且其光栅周期Λ取值区间为750nm-850nm，占空比r取值范围为0.48-0.52，光栅厚度d取值范围为350nm-450nm，并所述可动纳米光栅阵列2和所述固定纳米光栅3的间距g取值区间为150nm-170nm，该处的间距g是指所述可动纳米光栅阵列2和所述固定纳米光栅3相对面之间的垂直距离)微位移检测装置中，通过简单光栅区域叠加原理，长度就可以将普通位移检测的量程扩大至数倍。

光栅周期和间距纳米级的设置大大提高了物理位移检测精度，超过现有光栅位移传感器，精度大大提高，使微位移检测装置实现了量程扩大和精度提高的问题。

通过双层纳米光栅的波长漂移量可计算出待测量物体的位移，即所测物理位移信号；纳米光栅温度变化同时敏感，该微位移检测装置中的可动纳米光栅阵列2和固定纳米光栅3处于同一环境温度场中，因此由温度变化所引起的两个光纤光栅波长的变化是相等的，故对该间距g取值不产生影响，且操作简单，性能稳定、可靠、精度高，是各种结构微位移检测的首选。

如图4所示为本发明微位移检测装置的电路连接图，所述位移检测装置还包括处理单元、显示单元15，所述位移传感模块通过所述处理单元连接所述显示单元15；

所述光电探测阵列1可探测一光感信号，该信号从激光阵列4发出，穿过可动纳米光栅阵列2、固定纳米光栅并被所述光电探测阵列1接收，并将此探测信号传送到该处理单元。

所述处理单元包括光学信号8、放大电路9、整形电路10、细分电路11、A/D转换电路12、单片机处理电路13、数显电路14，所述光学信号8一端与所述光电探测器阵列1连接；

所述另一端依次连接所述放大电路9、所述整形电路10、所述细分电路11、所述A/D转换电路12、所述单片机处理电路13、所述数显电路14，所述数显电路14与所述显示单元15连接；

所述显示单元15为一数显表，或其它可显示该位移数值的装置，该显示单元作为现有技术中的常规技术手段不做具体限定。

本发明的工作原理为：光线通过双层纳米光栅，当位移敏感端感测到微位移物理信号输入时，即带动可动纳米光栅阵列做面内运动，此时，可动纳米光栅阵列和固定纳米光栅之间发生了水平相对微位移，并导致零级衍射光线透射效率的剧烈变化；设置在该激光阵列输出端对侧的光电探测器阵列检测到该变化，并通过初级电信号的方式传送给处理单元，该处理单元对此初级信号进行整理，通过放大、整形、细分、A/D转换后进入单片机处理电路中进行数据分析和处理，得到可读信号，最后通过显示单元将测得的可读信号输出并显示。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对所述检测装置结构所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述微位移检测装置包括：能将物理位移信号转化为初级电信号的位移传感模块、能将初级电信号转化为可读信号的处理单元、能将可读信号显示的显示单元，所述位移传感模块通过所述处理单元连接所述显示单元；

所述位移传感模块包括一能相对移动的双层纳米光栅，所述双层纳米光栅包括可动纳米光栅阵列、固定纳米光栅,所述固定纳米光栅相对所述显示单元固定；

所述可动纳米光栅阵列固定设置在被测量物体的位移敏感端，并能相对所述固定纳米光栅在一导轨上移动；

所述可动纳米光栅阵列由多个纳米光栅区域拼接而成；

所述位移传感模块还包括光电探测器阵列、激光阵列，所述光电探测器阵列、所述激光阵列均设置在所述固定纳米光栅的中心轴线上，该处中心轴线为垂直于所述可动纳米光栅阵列运动方向的中心轴线，并所述激光阵列发射出的光线可穿过所述双层纳米光栅到所述光电探测器阵列；

所述处理单元包括一细分电路，所述细分电路可提高该光电探测器阵列输出信号的分辨率；

所述固定纳米光栅的光栅面积为所述光栅区域的两倍，并所述光栅区域间的间距面积与所述光栅区域相等；

所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的栅面相互平行设置，并且所述可动纳米光栅阵列的栅线平行排列。

2.根据权利要求1所述的一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的光栅周期Λ取值区间为750nm-850nm，占空比r取值范围为0.48-0.52，光栅厚度d取值范围为350nm-450nm。

3.根据权利要求1所述的一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述激光阵列的入射光波长λ为800nm-900nm。

4.根据权利要求1所述的一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述可动纳米光栅阵列和所述固定纳米光栅的间距g取值区间为150nm-170nm。

5.根据权利要求1所述的一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述处理单元还包括光学信号、放大电路、整形电路、A/D转换电路、单片机处理电路、数显电路。

6.根据权利要求4所述的一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置，其特征在于，所述激光阵列与一电源连接。