CN108196091A - 基于cmos的光电加速度传感器 - Google Patents

基于cmos的光电加速度传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN108196091A
CN108196091A CN201810293685.1A CN201810293685A CN108196091A CN 108196091 A CN108196091 A CN 108196091A CN 201810293685 A CN201810293685 A CN 201810293685A CN 108196091 A CN108196091 A CN 108196091A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cmos
barn door
photoelectricity
light
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810293685.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108196091B (zh
Inventor
陆颢瓒
戴瑞萍
宁楠楠
王德波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Post and Telecommunication University
Original Assignee
Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Post and Telecommunication University filed Critical Nanjing Post and Telecommunication University
Priority to CN201810293685.1A priority Critical patent/CN108196091B/zh
Publication of CN108196091A publication Critical patent/CN108196091A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108196091B publication Critical patent/CN108196091B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于CMOS的光电加速度传感器，采用MEMS平面加工，该加速度传感器由短波平行光源、Y向遮光板，X向遮光板以及CMOS光电阵列组成。在遮光板上刻蚀出若干条条纹使得光线透过。当物体沿Y（X）轴运动时，Y（X）向遮光板产生的条纹位置会产生变化，同时CMOS光电阵列感应这些条纹位置的变化并计算单位时间内条纹的位移，即可得到Y（X）轴方向上的运动情况。当物体沿Z轴方向运动，X向遮光板和Y向遮光板产生的光照条纹所围成的方形内光敏元件数目会发生变化，通过计算数目的变化即可得到Z轴方向的运动情况。本发明的加速度传感器采用多位二进制数表示光照强度，具有精度高、灵敏度高等优点。

Description

基于CMOS的光电加速度传感器
技术领域
本发明涉及基于CMOS的光电加速度传感器，属于MEMS微机械传感器领域。
背景技术
随着微机械技术的发展，微加速度传感器的制作技术越来越成熟，微加速度传感器与传统传感器相比具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等优点，广泛应用于航空航天、汽车工业及机器人等领域，具有广阔的应用前景。
然而近年来虽然有多个单位MEMS加速度传感器进行研究，但在精度上仍未取得突破。一般微加速度传感器工作原理为牛顿定律，而随着光电效应的不断研究，使得光电效应应用于加速度传感器成为可能。
发明内容
本发明针对现有技术存在的精度低等问题，提出了基于CMOS的光电加速度传感器。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是，提出了基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：
所述加速度传感器的结构从上往下依次由短波平行光源、Y向遮光板、X向遮光板和CMOS光电阵列组成；
所述Y向遮光板上刻蚀出若干条等宽且平行于X轴的长条用于透光，并通过支撑梁在X轴方向上被固定；
所述X向遮光板上刻蚀出若干条等长且平行于Y轴的长条用于透光，并通过支撑梁在Y轴方向上被固定；
所述CMOS光电阵列主要由单色CMOS光点传感器组成。
进一步地，所述单色CMOS光点传感器可将透过两个遮光板的光信号转化为电信号，CMOS单元后级经AD采样利用多位二进制数表示光信号的强弱程度。
进一步地，当传感器沿Y轴方向上加速或减速时，通过观察Y向遮光板透射出的条纹的位置变化即可得到Y方向上的运动情况。
进一步地，当传感器沿X轴方向上加速或减速时，通过观察X向遮光板透射出的条纹的位置变化即可得到X方向上的运动情况。
进一步地，当传感器沿Z轴方向上运动时，X向遮光板和Y向遮光板的透射条纹围成的方形内的光敏元件个数会变化，通过计算光敏元件数目的变化，即可得到Z轴方向上的运动情况。
有益效果：
1.本发明由于采用MEMS工艺进行加工，因此相比于传统的加速度传感器具有体积小，集成度高等优点。
2.本发明利用光信号表示运动情况，根据光电效应将光信号转换为电信号，光信号的强弱程度利用多位二进制数表示，能够更精确地表示运动变化情况，结果的精度相比于传统的传感器高，可靠性强。
3.本发明可以通过改变二进制的位数改变结果的精度和范围，位数越高，而精度越高。因此，此加速度传感器灵敏度高，测量范围广。
附图说明
图1为本发明的加速度传感器的三维结构图。
图2为遮光板示意图。
图3为在Z轴负方向上运动时光电阵列上光信号的变化。
其中，1-短波平行光源、2-Y向遮光板、3-X向遮光板、4-CMOS光电阵列、5-支持梁、6-透光条纹、7-x方向遮光板上的光照条纹，8-y方向遮光板上的条纹。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
参阅图1本发明的基于CMOS的光电加速度传感器由短波平行光源1、Y向遮光板2、X向遮光板3和CMOS光电阵列4组成；
参阅图2，X轴遮光板和Y轴遮光板结构一样，在最终制造过程中二者垂直设置，遮光板上有刻蚀出的透光条纹6，沿透光条纹方向的遮光板两侧设置有支持梁5，遮光板受到垂直于透光条纹方向的作用力时将沿作用力方向产生较大的位移，而遇到水平于透光条纹方向的作用力时将不会产生较大的位移。由于两块板的固定方向不一样，因此对于外力的相应也不一样，以此分别对应X/Y方向的外力。
当传感器受到X（Y）轴方向的作用力时，X（Y）向遮光板沿受力方向产生位移，光电阵列上的X（Y）光照条纹会相应的移动，受到光照的CMOS单元也将发生改变。因此，通过计算单位时间内光照条纹的位移，即可计算出传感器在X（Y）轴方向的加速度。单个CMOS单元可以有多个亮度级别，在工作过程中可以对比相同亮度级别的条纹位置产生的位移，并与其他亮度级别的条纹产生的位移综合计算，即可提高测量精度。
当传感器受到Z轴方向的作用力时，光电阵列的变化参照图3。分别以x遮光板和y遮光板上一条条纹为例，图中7为x方向遮光板上的光照条纹，8为y方向遮光板上的条纹，条纹7和条纹8围成一个方形。当传感器沿z轴方向负方向（正方向）移动时，根据惠更斯原理，围成的方形会变小（变大），此时只要通过计算方形内包含的CMOS元件的个数变化情况，即可得到传感器在Z轴方向上加速度。由于单个CMOS单元可以有多个亮度级别，因此可以通过计算方形内CMOS单元的亮度级别变化情况来计算加速度的大小，同时提高了测量精度。
所属的CMOS光电阵列有若干CMOS光电传感器单元组成，CMOS单元受到上述两个遮光板透过的光纹后由光电效应将光信号转换为电信号，后面经AD采样得到多位二进制的光强数据。通过光电列阵上的条纹位置的变化或者受到光照的CMOS单元的个数变化，根据一定的数学关系即可计算得到物体的运动情况。
综上所述：该基于CMOS的光电加速度传感器采用MEMS平面加工工艺，具有体积小，集成度高等优点。此外利用光电信号的转换，具有精度高、灵敏度高的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：
所述加速度传感器的结构从上往下依次由短波平行光源、Y向遮光板、X向遮光板和CMOS光电阵列组成；
所述Y向遮光板上刻蚀出若干条等宽且平行于X轴的长条用于透光，并通过支撑梁在X轴方向上被固定；
所述X向遮光板上刻蚀出若干条等长且平行于Y轴的长条用于透光，并通过支撑梁在Y轴方向上被固定；
所述CMOS光电阵列主要由单色CMOS光点传感器组成。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：所述单色CMOS光点传感器可将透过两个遮光板的光信号转化为电信号，CMOS单元后级经AD采样利用多位二进制数表示光信号的强弱程度。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：当传感器沿Y轴方向上加速或减速时，通过观察Y向遮光板透射出的条纹的位置变化即可得到Y方向上的运动情况。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：当传感器沿X轴方向上加速或减速时，通过观察X向遮光板透射出的条纹的位置变化即可得到X方向上的运动情况。
5.根据权利要求1所述的基于CMOS的光电加速度传感器，其特征在于：当传感器沿Z轴方向上运动时，X向遮光板和Y向遮光板的透射条纹围成的方形内的光敏元件个数会变化，通过计算光敏元件数目的变化，即可得到Z轴方向上的运动情况。
CN201810293685.1A 2018-03-30 2018-03-30 基于cmos的光电加速度传感器 Active CN108196091B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810293685.1A CN108196091B (zh) 2018-03-30 2018-03-30 基于cmos的光电加速度传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810293685.1A CN108196091B (zh) 2018-03-30 2018-03-30 基于cmos的光电加速度传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108196091A true CN108196091A (zh) 2018-06-22
CN108196091B CN108196091B (zh) 2024-01-26

Family

ID=62596654

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810293685.1A Active CN108196091B (zh) 2018-03-30 2018-03-30 基于cmos的光电加速度传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108196091B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1696607A (zh) * 2005-05-20 2005-11-16 浙江大学 图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法
JP2006105764A (ja) * 2004-10-05 2006-04-20 Matsushita Electric Works Ltd 加速度センサ
CN103292686A (zh) * 2012-01-06 2013-09-11 株式会社三丰 图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头
CN103791844A (zh) * 2014-01-20 2014-05-14 浙江大学 光学位移测量系统
CN104166015A (zh) * 2014-08-15 2014-11-26 浙江大学 基于单片集成的高精度、大量程光学nems微加速度计
CN104930977A (zh) * 2015-07-09 2015-09-23 成都华量传感器有限公司 一种位移测量方法及系统
CN105092056A (zh) * 2015-05-19 2015-11-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 数字相移点衍射干涉仪及光学系统波像差测量方法
CN106199069A (zh) * 2016-07-15 2016-12-07 中北大学 一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置
CN106500600A (zh) * 2016-10-11 2017-03-15 石家庄铁道大学 一种大范围位移的精确测量方法、装置及其应用
JP2017146202A (ja) * 2016-02-17 2017-08-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 モアレ法による高速変位・ひずみ分布測定方法及び測定装置
CN107462168A (zh) * 2017-08-31 2017-12-12 广东工业大学 一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统及方法
CN208188151U (zh) * 2018-03-30 2018-12-04 南京邮电大学 基于cmos的光电加速度传感器

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006105764A (ja) * 2004-10-05 2006-04-20 Matsushita Electric Works Ltd 加速度センサ
CN1696607A (zh) * 2005-05-20 2005-11-16 浙江大学 图像传感器细分纳米分辨率光栅测量方法
CN103292686A (zh) * 2012-01-06 2013-09-11 株式会社三丰 图像传感器、姿势检测器、接触探头以及多传感探头
CN103791844A (zh) * 2014-01-20 2014-05-14 浙江大学 光学位移测量系统
CN104166015A (zh) * 2014-08-15 2014-11-26 浙江大学 基于单片集成的高精度、大量程光学nems微加速度计
CN105092056A (zh) * 2015-05-19 2015-11-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 数字相移点衍射干涉仪及光学系统波像差测量方法
CN104930977A (zh) * 2015-07-09 2015-09-23 成都华量传感器有限公司 一种位移测量方法及系统
JP2017146202A (ja) * 2016-02-17 2017-08-24 国立研究開発法人産業技術総合研究所 モアレ法による高速変位・ひずみ分布測定方法及び測定装置
CN106199069A (zh) * 2016-07-15 2016-12-07 中北大学 一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置
CN106500600A (zh) * 2016-10-11 2017-03-15 石家庄铁道大学 一种大范围位移的精确测量方法、装置及其应用
CN107462168A (zh) * 2017-08-31 2017-12-12 广东工业大学 一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统及方法
CN208188151U (zh) * 2018-03-30 2018-12-04 南京邮电大学 基于cmos的光电加速度传感器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SCHAEPER M, ET AL: "Fourier-based layout for grating function structure in spatial filtering velocimetry", 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》, vol. 28, no. 5, pages 1 - 12 *
石磊;吴武臣;: "CMOS图像传感器在光栅传感器中的应用探讨", 安阳工学院学报, no. 01, pages 28 - 31 *
陆颢瓒等: "植入式医疗设备智能充电与管理系统", 《2017年全国物联网技术与应用大会和2017年全国无线电应用与管理学术会议论文集》, pages 160 - 161 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108196091B (zh) 2024-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101907448B (zh) 一种基于双目三维视觉的深度测量方法
CN105865320A (zh) 位移、力的产生和测量系统及压痕、划伤和表面轮廓仪
CN110940830B (zh) 一种基于二维光栅和四象限探测器的两轴加速度计结构
CN102607391A (zh) 一种平面电机动子位移的测量方法
CN204373607U (zh) 基于非接触式传感器的两端固支压电梁振动检测控制装置
CN208188151U (zh) 基于cmos的光电加速度传感器
CN1161600C (zh) 结构光三维双视觉标定点发生方法及装置
CN105841857B (zh) 一种并联式五维力传感器
CN101118148A (zh) 基于电容测量原理的平面电容传感器
CN102096133A (zh) 可调纳米光栅及纳米光栅加速度计及其加工方法
CN103759753B (zh) 一种光栅光电信号速度测试装置
CN111999263B (zh) 一种介观尺度微纳光纤湿度传感器
CN108196091A (zh) 基于cmos的光电加速度传感器
CN205719350U (zh) 一种并联式五维力传感器
CN106092498B (zh) 一种五分量压电式“双天平”
CN102371506B (zh) 一种多轴工具机量测装置
CN115575661A (zh) 二维电容差分式mems风速风向传感器
CN113551818B (zh) 一种基于负泊松比结构的测量方法及系统
CN108593961A (zh) 一种低g值光栅式MEMS加速度计
CN205102783U (zh) 一种直接入射式光臂放大型一维线性测头
CN108303566B (zh) 基于光栅衍射的加速度传感器
CN208188150U (zh) 基于光栅衍射的加速度传感器
CN112834782A (zh) 分布式质量块结构mems压阻式加速度传感器芯片
CN111024278A (zh) 一种多敏感体分区灵敏力传感器
CN108225205B (zh) 一种基于光栅应变测量的筒结构形变解算方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant