CN108845364B - 一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，包括底座，底座的一侧凸台连接有敏感元件和CCD探测器，另一侧凸台连接有光源；敏感元件为一体加工而成，包括质量块及其外部的框架，质量块的上端两侧分别通过一根弹簧和框架连接，质量块的下端一侧通过一根弹簧和框架连接，质量块上设置有两条平行的双缝，框架上的限位挡块和质量块的上下两端配合，弹簧采用反弹簧结构；敏感元件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，测得的灵敏度能够比相同几何参数的其他类型MEMS传感器提高一个数量级，使用双缝干涉技术与MEMS工艺相结合，既保证了MEMS工艺下尺寸小，加工精度高的特点，同时也实现了无接触测量、高分辨率的光电检测方式。

Description

一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置

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值双缝干涉式MEMS微重力测量装置。

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按照检测原理可分为光栅式、光腔机械式、法布里珀罗干涉式等，随着光电检测技术的发展，因其受到电磁干扰的影响小，温度效应好，抗过载能力高，非接触测量等特点，对于高精度加速度测试领域具有重要意义。

双缝干涉测试原理是一种公认的高精度计量测试技术，许多精密的测试工作都是通过光的干涉方法来实现的。利用干涉技术，可以测量光束的波长，也可以实现微弱物理位移的检测。实验过程使用一束相干光通过距离较近的2条平行狭缝，由于光的波动性在狭缝后面形成明暗相间的平行条纹，通过条纹的分布信息，可以得到光的波长参数以及实验设备的几何参数。目前还没有将双缝干涉原理应用到加速度检测当中。

贺泽龙等人首次利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度，其采用干涉条纹与光强公式拟合的方法，反推出薄膜厚度。对双缝干涉原理从实验室走向实际应用具有重要推动作用。

王春慧等人使用双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移，将传统的光栅光谱仪替代为原理较为简单的双缝干涉光谱测试系统，降低了检测成本，并且具有线性度高，分辨率好且易于加工的特点。

潘红亮等人设计了一种新型杨氏双缝干涉仪，使用氦氖激光其发射更好地相干性和更高的亮度，并且采用CCD信号采集器直接测定干涉条纹间距，避免因为眼睛疲劳和视角差异而引起的读数误差，是对双缝干涉测试方法的一次较好的革新。

对于μg(10^-6g)及其以下的加速度检测，弹簧质量系统的位移通常在nm(10^-9m)级别，这就需要极高的位移解析方法，而利用双缝干涉方法既能实现非接触式测量，减少噪声，又能较高精度的解析出微弱位移变化，对于MEMS传感器发展起到了很好的促进作用。

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。其特点在于随着受力增大，弹簧不再适用于刚度恒定的胡克定律，发生“软弹簧效应”，基于此，申请人设计出基于反弹簧效应调节力频特性和利用双缝干涉原理检测位移相结合的微重力加速度传感器。

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值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，能够进行超低g值检测，具有高灵敏度的优点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，包括底座4，底座4的一侧凸台连接有敏感元件2和CCD探测器3，另一侧凸台连接有光源1；

所述底座4为整块玻璃加工而成，底座4一侧凸台设有CCD探测器槽13和敏感元件槽11，有CCD探测器槽13和敏感元件槽11通过通光孔12连通，CCD探测器槽13外设有探测器限位挡块14，CCD探测器槽13内安装有CCD探测器3，敏感元件槽11内键合安装有敏感元件2；底座4另一侧凸台设有光源孔10，光源孔10内安装有光源1；

所述敏感元件2为一体加工而成，包括质量块7及其外部的框架9，质量块7的上端两侧分别通过一根弹簧6和框架9连接，质量块7的下端一侧通过一根弹簧6和框架9连接，质量块7上设置有两条平行的双缝8，框架9上的限位挡块5和质量块7的上下两端配合，形成Z、Y方向挡块，Z方向为该传感器敏感轴方向；

所述的CCD探测器3中轴线与敏感元件2的双缝8重合，同时与光源1中轴线重合。

所述的弹簧6采用反弹簧结构。

所述的光源孔10采用超声打孔加工而成，敏感元件槽11使用湿法刻蚀而成，厚度为100μm，通光孔12、CCD探测器槽13采用湿法刻蚀。

所述的敏感元件2下端与敏感元件槽11对齐。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

预应力弹簧结构以其滤波效应和独特的力频特性，其特点在于随着受力增大，弹簧不再适用于刚度恒定的胡克定律，发生“软弹簧效应”。对于μg(10^-6g)下的加速度检测，弹簧质量系统的位移通常小于nm(10^-9m)级别，这就需要极高的位移解析方法，而本发明利用双缝干涉方法既能实现非接触式测量，减少噪声，又能较高精度的解析出微弱位移变化，对于MEMS传感器发展起到了很好的促进作用。

在本发明中，敏感元件整体加工而成，采用非对称反弹簧结构，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，可实现ng(9.8×10^-9m/s²)级别的加速度检测。使用双缝干涉技术与MEMS工艺相结合，既保证了MEMS工艺下尺寸小，加工精度高的特点，同时也实现了无接触测量、高分辨率的光电检测方式。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是图2的B-B剖视图。

图4是本发明双敏感元件示意图。

图5是本发明测试原理图。

图6是本发明实施例CCD探测器一组测试波形图。

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值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，包括底座4，底座4的一侧凸台连接有敏感元件2和CCD探测器3，另一侧凸台连接有光源1；

参照图3，所述底座4为整块玻璃加工而成，底座4一侧凸台设有CCD探测器槽13和敏感元件槽11，有CCD探测器槽13和敏感元件槽11通过通光孔12连通，CCD探测器槽13外设有探测器限位挡块14，CCD探测器槽13内安装有CCD探测器3，敏感元件槽11内键合安装有敏感元件2；底座4另一侧凸台设有光源孔10，光源孔10内安装有光源1；

参照图4，所述敏感元件2为一体加工而成，包括质量块7及其外部的框架9，质量块7的上端两侧分别通过一根弹簧6和框架9连接，质量块7的下端一侧通过一根弹簧6和框架9连接，质量块7上设置有两条平行的双缝8，框架9上的限位挡块5和质量块7的上下两端配合，形成Z、Y方向挡块，Z方向为该传感器敏感轴方向；限位挡块5能够有效防止质量块7过载造成损坏；所述的弹簧6采用反弹簧结构，当质量块7竖直安装时，在重力的作用下，弹簧6在预应力的作用下发生微弯，由于反弹簧的力学性能，系统的刚度降低，灵敏度升高，而随着负载增大，当刚度降低至一定程度，由于非对称布置，系统重新遵循胡克定律，该特性使得系统在动态范围内保持较高的灵敏度，而过载情况下又不至于立刻碰撞限位挡块5；

所述的CCD探测器3中轴线与敏感元件2双缝8重合，同时与光源1中轴线重合。

所述的光源孔10采用超声打孔加工而成，敏感元件槽11使用湿法刻蚀而成，厚度为100μm，通光孔12、CCD探测器槽13采用湿法刻蚀。

所述的敏感元件2下端与敏感元件槽11对齐。

本发明的工作原理为：

由光源1发出的相干光照射在敏感元件2的双缝8上，由于光的波动性，经过通光孔12后在CCD探测器3探头会形成明暗相间的条纹，CCD探测器3外接电脑，计算条纹分布的变化情况。如果外界加速度作用在质量块7上，弹簧质量系统位移发生变化，使得干涉条纹的分布发生改变，CCD探测器3输入电脑的信号解析出条纹变化情况，从而计算出弹簧质量系统的位移变化情况，即可得到外界加速度变化情况。

对于二阶弹簧质量系统，其运动方程等效为：

式中：x为第k亮条纹距离中线的位移，c为弹簧质量系统阻尼，k_s为弹簧刚度，

式中：经过拉斯变换，由此解得其位移x和加速度a的传递函数为：

式中：s＝jw，于是可得弹簧质量系统传递函数：

由于微重力测量装置为低频检测，w＜＜w₀,传递函数简化为：

经过反拉斯变换可得：

a≈w₀ ²x (6)

传递函数表明装置的加速度检测能力和双缝干涉位移分辨率x、带宽(与谐振频率w₀有关)的关系。根据现有的CCD探测器检测分辨率约为10^-12m，所设计的加计谐振频率约为100Hz，由(6)式可推出，则装置加速度检测分辨率可实现40ng(40×9.8×10^-9m/s²)级别的加速度检测精度。

通光孔12、CCD探测器槽13采用湿法刻蚀，通光孔12刻蚀深度应根据以下干涉公式确定：

式中：d为双缝间距，设为2μm，x为第k亮条纹距离中线的位移，D为敏感元件2和CCD探测器3的距离，本实施例设置为250μm，λ为所选相干光波长，本实施例选用400-800nm波长的相干光源；如图5所示，当敏感元件2的弹簧质量系统在力的作用下发生位移Δx时，第k级亮条纹位置从P变化为P'，由公式(1)可知，

Δx＝x'-x (8)

即只需检测第k级亮条纹位置的变化，即可得到敏感元件2的位移，而其所受加速度

参照图6，图6为本实施例CCD探测器3检测到的一组信号视图。CCD探测器3连接电脑，将光强转化为电信号实时显示出来。通过比较实时的第k级亮条纹位置x，与无外力作用下的条纹位置x'对比，即可得到敏感元件2的弹簧质量系统的位移。

本发明将由输入扰动引起的弹簧质量系统位移转换为干涉条纹的位移，同时采用非对称反弹簧结构，测得的灵敏度能够比相同几何参数的其他类型MEMS传感器提高一个数量级。上述是对本发明一种实施方式的描述，在本发明的范围内可以经过各种改变、变化例，在不改变本发明实质内容的前提下所做出的各种改变，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，包括底座(4)，其特征在于：底座(4)的一侧凸台连接有敏感元件(2)和CCD探测器(3)，另一侧凸台连接有光源(1)；

所述底座(4)为整块玻璃加工而成，底座(4)一侧凸台设有CCD探测器槽(13)和敏感元件槽(11)，有CCD探测器槽(13)和敏感元件槽(11)通过通光孔(12)连通，CCD探测器槽(13)外设有探测器限位挡块(14)，CCD探测器槽(13)内安装有CCD探测器(3)，敏感元件槽(11)内键合安装有敏感元件(2)；底座(4)另一侧凸台设有光源孔(10)，光源孔(10)内安装有光源(1)；

所述敏感元件(2)为一体加工而成，包括质量块(7)及其外部的框架(9)，质量块(7)的上端两侧分别通过一根弹簧(6)和框架(9)连接，质量块(7)的下端一侧通过一根弹簧(6)和框架(9)连接，质量块(7)上设置有两条平行的双缝(8)，框架(9)上的限位挡块(5)和质量块(7)的上下两端配合，形成Z、Y方向挡块，Z方向为低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置敏感轴方向；

所述的CCD探测器(3)中轴线与敏感元件(2)的双缝(8)重合，同时与光源(1)中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，其特征在于：所述的弹簧(6)采用反弹簧结构，当质量块(7)竖直安装时，在重力的作用下，弹簧(6)在预应力的作用下发生微弯，由于反弹簧的力学性能，系统的刚度降低，灵敏度升高，而随着负载增大，当刚度降低至一定程度，由于非对称布置，系统重新遵循胡克定律。

3.根据权利要求1所述的一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，其特征在于：所述的光源孔(10)采用超声打孔加工而成，敏感元件槽(11)使用湿法刻蚀而成，厚度为100μm，通光孔(12)、CCD探测器槽(13)采用湿法刻蚀。

4.根据权利要求1所述的一种低g值双缝干涉式MEMS微重力测量装置，其特征在于：所述的敏感元件(2)下端与敏感元件槽(11)对齐。