CN108593961B - 一种低g值光栅式MEMS加速度计 - Google Patents

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Abstract

一种低g值光栅式MEMS加速度计，包括玻璃底座，玻璃底座一侧连接有LED光源，另一侧外部连接玻璃盖板，玻璃底座和玻璃盖板之间封装有MEMS芯片，MEMS芯片上的弹簧质量系统悬空设置，玻璃盖板连接有光电检测器；弹簧质量系统为一体加工，包括质量块固定框架以及质量块，质量块一端两侧通过弹簧和质量块固定框架连接，质量块另一端一侧通过弹簧和质量块固定框架，质量块通过弹簧支撑而悬空；质量块上刻有指示光栅，玻璃盖板上刻有标尺光栅，两光栅呈一个小角度，LED光源通过玻璃底座照射到指示光栅和标尺光栅上产生莫尔条纹，弹簧质量系统将加速度信号转移到光栅的位移变化上，通过检测莫尔条纹的变化从得到加速度，本发明具有超低g值检测、高灵敏度的优点。

Description

一种低g值光栅式MEMS加速度计
技术领域
本发明涉及加速度传感器技术领域，特别涉及一种低g值光栅式MEMS加速度计。
背景技术
加速度传感器被广泛应用于地质勘探，地震监测及航空航天领域，随着产业升级及生产工艺迭代发展，体积小、能耗低、精度高的微机电系统(MEMS)加速度传感器越来越具有取代传统加速度传感器成为主流的趋势。MEMS加速度传感器按照原理包括光电式、电容式、压阻式、谐振式等，其中光电式加速度传感器随着光电检测技术的发展，对于高精度、非接触测量领域具有重要意义。
Manalis等人利用MEMS集成光栅干涉高分辨率位移测量技术设计了一种微加速度计，但其尺寸较大，而且对工艺限制大，量程小，应用范围受到了很大的限制；叶雄英等人在此基础上，采用玻璃-质量块-玻璃的三明治结构，大大减小了结构的尺寸，降低了工艺难度，量程也得到了提升，但其灵敏度不高。
张文涛等人设计了一种基于悬臂梁的光纤光栅加速度计，封装、制作工艺简单，但其应变不均匀，影响检测；在此基础上，他们又设计了一种纯弯梁的光栅加速度计，解决了均匀应变的问题，并提高了灵敏度，但由于梁本身在测量过程中会发生变形，光栅处的变形也会不一致，导致测量误差增大。
冯丽爽等人在传统的光栅干涉加速度传感器的基础上，通过增加一层下反射镜而形成多光束干涉，提高了光学结构的灵敏度,但也存在不均匀变形的现象；王潇等人在其基础上，提出了一种实用型、易于实现的微米级光栅加速度计差分检测方法(DDM)，从而降低了共模噪声，提高了微米级光栅加速度计的灵敏度，但其性能受到光强度波动的限制，而且差分电压输出可能会影响散粒噪声附近的光学检测。
综上所述，现有技术在低g值的检测中分辨率差、灵敏度较低,容易受到光强度波动的限制，而且在测量过程中由于不均匀变形的现象会存在测量误差增大的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种低g值光栅式MEMS加速度计，采用反弹簧结构和莫尔条纹相位检测原理，具有超低g值检测、高灵敏度的优点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低g值光栅式MEMS加速度计，包括设置在外壳5内的玻璃底座3，玻璃底座3的一侧内部连接有LED光源4，玻璃底座3另一侧外部连接玻璃盖板2，玻璃底座3和玻璃盖板2之间封装有MEMS芯片6，MEMS芯片6设置在玻璃底座3上刻蚀出的下凹矩形槽内，MEMS芯片6和LED光源4的电路板连接，MEMS芯片6上的弹簧质量系统悬空设置；玻璃盖板2的另一侧中间刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽内连接有光电检测器1；
所述的弹簧质量系统为一体加工而成，包括四周的质量块固定框架6-4以及位于中间的质量块6-1，质量块6-1一端两侧通过弹簧6-3和质量块固定框架6-4连接，质量块6-1另一端一侧通过弹簧6-3和质量块固定框架6-4，质量块6-1通过弹簧6-3支撑而悬空，实现单个方向的自由运动；
所述的质量块6-1上刻有一排指示光栅6-2，所述的玻璃盖板2上刻有一排标尺光栅2-1，标尺光栅2-1与指示光栅6-2有相同光栅常数，并且两光栅呈一个小角度θ，LED光源4通过玻璃底座3照射到指示光栅6-2和标尺光栅2-1组成的光栅组上。
所述弹簧6-3采用反弹簧结构。
所述质量块6-1由硅基底加工而成，硅基厚度为30μm。
所述的玻璃底座3的下凹矩形槽和玻璃盖板2上的下凹矩形槽采用湿法刻蚀工艺获得，并保证两下凹矩形槽面之间的平行度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
预应力弹簧结构以其滤波效应和独特的力学效应，被最早用于机械降噪。其特点是当受到的力达到一定范围时，发生“软弹簧效应”，此时胡克定律不再适用。基于此，设计出利用反弹簧效应的微重力加速度传感器。对于μg(10-6g)下的加速度检测，弹簧质量系统的位移通常在nm(10-9m)级别，这就需要高分辨率的位移检测技术，现有的光栅技术已经能够达到nm及更小数量级的分辨率，且适合低频信号的检测，能很好地适应需求。
本发明光栅式MEMS加速度计，其弹簧质量系统采用整体加工制成，采用非对称反弹簧的结构，可以实现低通滤波及放大振动的功能，提高了检测系统的灵敏度。其质量块和盖板上的光栅通过莫尔条纹现象，根据相位变化，能实现至少nm级的位移检测。其上下底座和盖板采用玻璃刻蚀工艺，保证了光的通透性和器件的安装精度。通过光栅技术与MEMS工艺相结合，实现加速度的测量，得到一种高灵敏度、小尺寸、高精度的加速度计。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是莫尔条纹检测位移的原理图。
图3是本发明的主视图。
图4是本发明的玻璃底座(带芯片)的结构示意图。
图5是本发明MEMS芯片的结构示意图。
图6是本发明MEMS芯片的俯视图。
图7是本发明玻璃盖板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1和图2，一种低g值光栅式MEMS加速度计，包括设置在外壳5内的玻璃底座3，玻璃底座3的一侧内部连接有LED光源4，玻璃底座3另一侧外部连接玻璃盖板2，玻璃底座3和玻璃盖板2之间封装有MEMS芯片6，MEMS芯片6设置在玻璃底座3上刻蚀出的下凹矩形槽内，MEMS芯片6和LED光源4的电路板连接，MEMS芯片6上的弹簧质量系统悬空设置；玻璃盖板2的另一侧中间刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽内连接有光电检测器1。
参照图3、图4和图5，所述的弹簧质量系统为一体加工而成，包括四周的质量块固定框架6-4以及位于中间的质量块6-1，质量块6-1一端两侧通过弹簧6-3和质量块固定框架6-4连接，质量块6-1另一端一侧通过弹簧6-3和质量块固定框架6-4，形成质量块固定框架/弹簧/质量块/弹簧/质量块固定框架的结构，质量块6-1通过弹簧6-3支撑而悬空，实现单个方向的自由运动；所述质量块6-1由硅基底加工而成，硅基厚度为30μm；所述弹簧6-3采用反弹簧结构，且三个弹簧6-3形成非对称布置。
所述的质量块6-1上刻有一排指示光栅6-2，指示光栅6-2随质量块6-1运动。
参照图6，所述的玻璃盖板2为透明玻璃制成，其上刻有一排标尺光栅2-1，标尺光栅2-1与MEMS芯片6上的指示光栅6-2有相同光栅常数，并且两光栅呈一个小角度θ。
所述的玻璃底座3为透明玻璃制成，其上的下凹矩形槽和玻璃盖板2上的下凹矩形槽采用湿法刻蚀工艺获得，并保证两下凹矩形槽面之间的平行度。
本发明的工作原理为：
参照图7，LED光源4通过玻璃底座3照射到指示光栅6-2和标尺光栅2-1组成的光栅组上，由于指示光栅6-2和标尺光栅2-1呈小角度θ，产生莫尔条纹的现象，光栅栅距为W,则莫尔条纹的宽度B为
Figure BDA0001621558680000051
当光栅移动一个栅格时，莫尔条纹相应移动一格，通过光电检测器1检测出条纹信号，经过细分处理后得到两个相位相差90°的正弦信号，并经过标准化处理后，得
Figure BDA0001621558680000052
Figure BDA0001621558680000053
即得到敏感元件的位移x，
根据运动方程
Figure BDA0001621558680000062
由于
Figure BDA0001621558680000063
对方程进行拉氏变换，得到
Figure BDA0001621558680000064
令s＝jω0,整理得
Figure BDA0001621558680000065
当ω＜＜ω0时
其所受到的加速度为
A＝ω0 2X
本发明光栅式MEMS加速度计，其弹簧质量系统采用整体加工制成，采用反弹簧的结构，增大了灵敏度和可靠性。其玻璃底座3和玻璃盖板2采用玻璃刻蚀工艺，保证了光的通透性和器件的安装。质量块6-1和玻璃盖板2分别刻有光栅，当质量块6-1加载外力运动，两者产生的莫尔条纹发生位移变化，通过光电检测器1检测出来。通过光栅技术与MEMS工艺相结合，实现加速度的测量，得到一种高灵敏度、小尺寸、高精度的加速度计。

Claims (3)

1.一种低g值光栅式MEMS加速度计，包括设置在外壳(5)内的玻璃底座(3)，其特征在于：玻璃底座(3)的一侧内部连接有LED光源(4)，玻璃底座(3)另一侧外部连接玻璃盖板(2)，玻璃底座(3)和玻璃盖板(2)之间封装有MEMS芯片(6)，MEMS芯片(6)设置在玻璃底座(3)上刻蚀出的下凹矩形槽内，MEMS芯片(6)和LED光源(4)的电路板连接，MEMS芯片(6)上的弹簧质量系统悬空设置；玻璃盖板(2)的另一侧中间刻有下凹矩形槽，玻璃盖板(2)的下凹矩形槽内连接有光电检测器(1)；
所述的弹簧质量系统为一体加工而成，包括四周的质量块固定框架(6-4)以及位于中间的质量块(6-1)，质量块(6-1)一端两侧通过弹簧(6-3)和质量块固定框架(6-4)连接，质量块(6-1)另一端一侧通过弹簧(6-3)和质量块固定框架(6-4)，质量块(6-1)通过弹簧(6-3)支撑而悬空，实现单个方向的自由运动；
所述的质量块(6-1)上刻有一排指示光栅(6-2)，玻璃盖板(2)上刻有一排标尺光栅(2-1)，标尺光栅(2-1)与指示光栅(6-2)有相同光栅常数，并且两光栅呈一个小角度θ，LED光源(4)通过玻璃底座(3)照射到指示光栅(6-2)和标尺光栅(2-1)组成的光栅组上；
所述弹簧(6-3)采用反弹簧结构，且三个弹簧(6-3)形成非对称布置。
2.根据权利要求1所述的一种低g值光栅式MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块(6-1)由硅基底加工而成，硅基厚度为30μm。
3.根据权利要求1所述的一种低g值光栅式MEMS加速度计，其特征在于：所述的玻璃底座(3)的下凹矩形槽和玻璃盖板(2)上的下凹矩形槽采用湿法刻蚀工艺获得，并保证两下凹矩形槽面之间的平行度。
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