CN110850113B - 一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学mems加速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括基座，基座的上面和传感器壳体连接形成腔室，腔室内的基座上连接半导体制冷片，半导体制冷片的上方连接有第二支架，第二支架的内部连接有激光二极管，半导体制冷片上表面与激光二极管粘接，第二支架的上方连接有敏感芯片，敏感芯片的上方连接有第一支架，第一支架的上方连接有光电检测芯片及其电路板；敏感芯片为MEMS法布里珀罗光学弹簧质量结构，由可动镜面、腔体、固定镜面形成法布里珀罗腔；本发明采用法布里珀罗干涉光学加速度检测方式，结合闭环温度控制系统，具有高分辨率和灵敏度；敏感芯片采用分体式弹簧质量结构，有效隔绝横向加速度，降低了传感器的横向灵敏度。

Description

一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)传感器技术领域，特别涉及一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器。

背景技术

MEMS加速度传感器由于其精度高、体积小、功耗低、易于大批量生产等优势正在逐步取代传统机械式加速度传感器，并广泛应用于地震监测、国防安全、资源勘探、工业自动化及电子消费品等领域。

法布里珀罗腔是一种由两块互相平行的具有一定反射率的镜面组成的光学干涉结构，其经常被用作光谱仪、滤光器及激光谐振腔等器件的核心感光及调节部件。随着MEMS技术和集成光学技术的发展，人们将法布里珀罗腔与弹簧质量结构集成于一体，制作成光学MEMS加速度传感器。由于其采用光学干涉检测方式，使得加速度传感器具有很高的检测精度、灵敏度以及抗强电磁干扰的特性。但是，目前国内鲜有公开有关法布里珀罗光学MEMS加速度传感器的专利，而相关文献中报道的MEMS法布里珀罗光学加速度传感器也存在着分辨率低，便携实用性差，横向灵敏度高，温度稳定性差等缺点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，具有检测精度高、横向灵敏度低、温度稳定性好、便携实用性强等优点。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括基座7，基座7的上面和传感器壳体1连接，形成腔室，腔室内的基座7上连接半导体制冷片5，半导体制冷片5的上方连接有第二支架3，第二支架3的内部连接有激光二极管8，半导体制冷片5上表面与激光二极管8粘接，第二支架3的上方连接有敏感芯片9，敏感芯片9的上方连接有第一支架2，第一支架2的上方连接有电路板10，电路板10的下表面连接有光电检测芯片11，半导体制冷片5、敏感芯片9、电路板10和第一引脚组4电连接，激光二极管8和第二引脚组6电连接，第一引脚组4、第二引脚组6穿过基座7伸出腔室外。

所述的敏感芯片9为MEMS法布里珀罗光学弹簧质量结构，由可动镜面9-1、腔体9-2、固定镜面9-3形成法布里珀罗腔，当激光二极管8发出的单频激光进入敏感芯片9之后会在其腔体内发生多次反射透射，并最终输出干涉光；当传感器受到纵向加速度作用时，可动镜面9-1发生上下振动，导致法布里珀罗腔的腔长，即可动镜面9-1与固定镜面9-3之间的距离发生变化，进而使得干涉相位发生变化，通过解调相位的变化量便得出所受加速度大小；所述可动镜面9-1和固定镜面9-3的上下表面分别加工有由氮化硅构成的红外光增透膜及由氧化硅和锗构成的红外光增反膜，使得敏感芯片9具有高光学精细度；此外，在可动镜面9-1和固定镜面9-3的上表面加工有金电极，用于调节敏感芯片9的腔长，提高体传感器灵敏度。

所述的可动镜面9-1采用分体式弹簧质量结构，包括框架9-1-1、横向加速度隔绝质量块9-1-2、弹簧9-1-3和中心质量块9-1-4，框架9-1-1通过弹簧9-1-3和横向加速度隔绝质量块9-1-2外侧连接，横向加速度隔绝质量块9-1-2内侧通过弹簧9-1-3和中心质量块9-1-4连接，横向加速度隔绝质量块9-1-2为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成；可动镜面9-1的工作方向即加速度敏感方向为Z轴方向(垂直于纸面方向)，在受到横向加速度(平行于纸面方向)作用时，横向加速度隔绝质量块9-1-2发生扭转，而中心质量块9-1-4始终保持水平状态，降低了传感器的横向灵敏度。

所述的半导体制冷片5在工作时上表面制冷，下表面放热；所述半导体制冷片5为长方体结构，在其正中心存在一个通孔，用来放置激光二极管8，通过热敏电阻及温度控制芯片形成温度闭环控制系统，从而对激光二极管8由于工作造成的发热进行冷却，使得激光二极管8的波长输出保持稳定，进而降低传感器的检测噪声，提高传感器测量精度。

所述的传感器壳体1、第一支架2、第二支架3及基座7联合使用，将半导体制冷片5、激光二极管8、敏感芯片9及光电检测芯片11固定集成于一体，提高了传感器的便携实用性。

所述的激光二极管8为分布式反馈(DFB)激光二极管，并集成有汇聚透镜。

所述的第二支架3下表面具有和激光二极管8同样形状规格的凹槽。

所述的第一引脚组4共包含8个接线引脚，分别为半导体制冷片5、敏感芯片9、电路板10提供接线点；所述的第二引脚组6共包含4个接线引脚，为激光二极管8通电接线点。

所述的壳体1及基座7为的材质为铝。

本发明的有益效果为：本发明采用法布里珀罗干涉光学检测方式，结合分体式弹簧质量结构，使得本发明具有检测精度高、横向灵敏度低的优点；同时，本发明内置由半导体制冷片组成的温度闭环控制系统，结合铝质传感器封装，使得本发明具有温度稳定性好、便携实用性强的优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构剖面图。

图2为本发明敏感芯片9的剖面图。

图3为本发明可动镜面9-1的三维结构示意图。

图4为本发明第一支架2、第二支架3及半导体制冷片5构成的组合夹具剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细描述。

参照图1，一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括基座7，基座7的上面和传感器壳体1连接，形成腔室，基座7为法布里珀罗光学MEMS加速度传感器的最底层结构，起到承载整个传感器及散热的作用，传感器壳体1作用为将传感器内部零件与外部环境隔绝，同时承担一部分散热作用；腔室内的基座7上表面利用导热胶粘接有半导体制冷片5，半导体制冷片5在工作时其上表面制冷，下表面发热，通过导热胶将其下表面的发热量传递至基座7，进而向外界散去；半导体制冷片5的上方连接有第二支架3，第二支架3的内部连接有激光二极管8；半导体制冷片5上表面利用导热胶与激光二极管8粘接，与第二支架3组合使用，定位固定激光二极管8，同时半导体制冷片5还起到冷却激光二极管8的作用；第二支架3的上方连接有敏感芯片9，敏感芯片9的上方连接有第一支架2，第一支架2的上方连接有电路板10，电路板10的下表面连接有光电检测芯片11，电路板10和光电检测芯片11共同作用起到检测干涉光强的作用；第一支架2上表面承载光电检测芯片11及电路板10，下表面压紧固定敏感芯片9；半导体制冷片5、敏感芯片9、电路板10和第一引脚组4电连接，激光二极管8和第二引脚组6电连接，第一引脚组4、第二引脚组6穿过基座7伸出腔室外。

所述传感器壳体1的材质为铝，其作用为将传感器内部器件与外部环境隔绝，同时承担一部分散热作用。

所述的第二支架3下表面具有和激光二极管8同样形状规格的凹槽，以达到定位及紧固激光二极管8的作用。

所述的第一引脚组4共包含8个接线引脚，分别为半导体制冷片5、敏感芯片9、电路板10提供接线点。

所述半导体制冷片5在工作时上表面制冷，下表面放热。所述半导体制冷片为长方体结构，在其正中心存在一个5mm通孔，用来放置激光二极管8，通过热敏电阻及温度控制芯片形成温度闭环控制系统，从而对激光二极管8由于工作造成的发热进行冷却，使得激光二极管8的波长输出保持稳定,进而降低传感器的检测噪声，提高传感器测量精度。

所述的第二引脚组6共包含4个接线引脚，为激光二极管8通电接线点。

所述的基座7为铝制基座。

所述的激光二极管8为分布式反馈(DFB)激光二极管，并集成有汇聚透镜；激光二极管8为传感器提供干涉光源，同时可以通过激光调谐技术为后续信号解调系统提供相位载波信号。

参照图2，所述的敏感芯片9为MEMS法布里珀罗光学弹簧质量结构，由可动镜面9-1、腔体9-2、固定镜面9-3形成法布里珀罗腔，当激光二极管8发出的单频激光进入敏感芯片9之后会在其腔体内发生多次反射透射，并最终输出干涉光；当传感器受到纵向加速度作用时，可动镜面9-1发生上下振动，导致法布里珀罗腔的腔长，即可动镜面9-1与固定镜面9-3之间的距离发生变化，进而使得干涉相位发生变化，通过解调相位的变化量便得出所受加速度大小；所述可动镜面9-1由分体式弹簧质量结构，在其上下表面分别镀有190nm的氮化硅的红外光增透膜和由264nm二氧化硅和94nm锗组成的红外光增反膜。

所述的敏感芯片9结合MEMS技术和集成光学技术将加速度感知惯性弹簧质量结构与法布里珀罗干涉腔集成于一体，形成光学MEMS结构；在可动镜面9-1的上下表面利用薄膜沉积工艺分别沉积有红外光增透膜和红外光增反膜，在固定镜面9-3的上下表面利用薄膜沉积工艺分别沉积有红外光增反膜和红外光增透膜，使得敏感芯片9具有高光学精细度。此外，在可动镜面9-1和固定镜面9-3的上表面加工有金电极，用于调节所述敏感芯片9的腔长，从而提高体传感器灵敏度。

参照图3，所述的可动镜面9-1采用分体式弹簧质量结构，包括框架9-1-1、横向加速度隔绝质量块9-1-2、弹簧9-1-3和中心质量块9-1-4，框架9-1-1通过弹簧9-1-3和横向加速度隔绝质量块9-1-2外侧连接，横向加速度隔绝质量块9-1-2内侧通过弹簧9-1-3和中心质量块9-1-4连接，横向加速度隔绝质量块9-1-2为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成；可动镜面9-1的工作方向即加速度敏感方向为Z轴方向(垂直于纸面方向)，在受到横向加速度(平行于纸面方向)作用时，横向加速度隔绝质量块9-1-2发生扭转，从而保证中心质量块9-1-4始终保持水平状态，从而极大地降低了传感器的横向灵敏度。

参照图4，所述的第一支架2、第二支架3、半导体制冷片5组合使用，起到定位紧固激光二极管8、敏感芯片9、电路板10及光电检测芯片11的作用；第一支架2和第二支架3均采用3D打印技术加工制成。

所述的传感器壳体1、第一支架2、第二支架3及基座7联合使用，将半导体制冷片5、激光二极管8、敏感芯片9及光电检测芯片11固定集成于一体，极大地提高了传感器的便携实用性。

所述的电路板10和光电检测芯片11通过导电银浆粘接在一起，用作干涉信号的检测。

本发明的工作原理为：本发明公开了一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其核心部件包括激光二极管8、敏感芯片9、光电检测芯片11及半导体制冷片5，激光二极管8为发生法布里珀罗干涉提供光源，敏感芯片9为加速度感知部件，光电检测芯片11为检测带有加速度调制信息的干涉光强部件，半导体制冷片5为温度控制部件。敏感芯片9由可动镜面9-1、腔体9-2、固定镜面9-3共同形成法布里珀罗干涉腔，当激光二极管8发出的单频激光进入敏感芯片9之后会在其腔体内发生多次反射透射，最终输出干涉光，并进入光电检测芯片11进行检测。当传感器受到纵向加速度作用时，其惯性质量块会发生上下振动，导致法布里珀罗腔的腔长，即可动镜面9-1与固定镜面9-3之间的距离发生变化，进而使得干涉光的相位发生变化，通过解调相位的变化量便可得出所受加速度大小；半导体制冷片5的制冷面贴装于激光二级管8下方，通过相应的温度控制芯片及热敏电阻形成温度闭环控制系统，从而保持激光二极管8的温度恒定，使得由激光二极管8发出的激光保持稳定。

Claims (9)

1.一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，包括基座(7)，其特征在于：基座(7)的上面和传感器壳体(1)连接，形成腔室，腔室内的基座(7)上连接半导体制冷片(5)，半导体制冷片(5)的上方连接有第二支架(3)，第二支架(3)的内部连接有激光二极管(8)，半导体制冷片(5)上表面与激光二极管(8)粘接，第二支架(3)的上方连接有敏感芯片(9)，敏感芯片(9)的上方连接有第一支架(2)，第一支架(2)的上方连接有电路板(10)，电路板(10)的下表面连接有光电检测芯片(11)，半导体制冷片(5)、敏感芯片(9)、电路板(10)和第一引脚组(4)电连接，激光二极管(8)和第二引脚组(6)电连接，第一引脚组(4)、第二引脚组(6)穿过基座(7)伸出腔室外。

2.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的敏感芯片(9)为MEMS法布里珀罗光学弹簧质量结构，由可动镜面(9-1)、腔体(9-2)、固定镜面(9-3)形成法布里珀罗腔，当激光二极管(8)发出的单频激光进入敏感芯片(9)之后会在其腔体内发生多次反射透射，并最终输出干涉光；当传感器受到纵向加速度作用时，可动镜面(9-1)发生上下振动，导致法布里珀罗腔的腔长，即可动镜面(9-1)与固定镜面(9-3)之间的距离发生变化，进而使得干涉相位发生变化，通过解调相位的变化量便得出所受加速度大小；所述可动镜面(9-1)上下表面分别加工有由氮化硅构成的红外光增透膜及由氧化硅和锗构成的红外光增反膜，所述固定镜面(9-3)的上下表面分别加工有由氧化硅和锗构成的红外光增反膜及由氮化硅构成的红外光增透膜，使得敏感芯片(9)具有高光学精细度；此外，在可动镜面(9-1)和固定镜面(9-3)的上表面加工有金电极，用于调节敏感芯片(9)的腔长，提高传感器灵敏度。

3.根据权利要求2所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的可动镜面(9-1)采用分体式弹簧质量结构，包括框架(9-1-1)、横向加速度隔绝质量块(9-1-2)、弹簧(9-1-3)和中心质量块(9-1-4)，框架(9-1-1)通过弹簧(9-1-3)和横向加速度隔绝质量块(9-1-2)外侧连接，横向加速度隔绝质量块(9-1-2)内侧通过弹簧(9-1-3)和中心质量块(9-1-4)连接，横向加速度隔绝质量块(9-1-2)为分体式块状结构，由四个L型分质量块呈中心对称分布构成；可动镜面(9-1)的工作方向即加速度敏感方向为Z轴方向，在受到横向加速度作用时，横向加速度隔绝质量块(9-1-2)发生扭转，而中心质量块(9-1-4)始终保持水平状态，降低了传感器的横向灵敏度。

4.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述半导体制冷片(5)在工作时上表面制冷，下表面放热；所述半导体制冷片(5)为长方体结构，在其正中心存在一个通孔，用来放置激光二极管(8)，通过热敏电阻及温度控制芯片形成温度闭环控制系统，从而对激光二极管(8)由于工作造成的发热进行冷却，使得激光二极管(8)的波长输出保持稳定,进而降低传感器的检测噪声，提高传感器测量精度。

5.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的传感器壳体(1)、第一支架(2)、第二支架(3)及基座(7)联合使用，将半导体制冷片(5)、激光二极管(8)、敏感芯片(9)及光电检测芯片(11)固定集成于一体，提高了传感器的便携实用性。

6.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的激光二极管(8)为分布式反馈(DFB)激光二极管，并集成有汇聚透镜。

7.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的第二支架(3)下表面具有和激光二极管(8)同样形状规格的凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的第一引脚组(4)共包含8个接线引脚，分别为半导体制冷片(5)、敏感芯片(9)、电路板(10)提供接线点；所述的第二引脚组(6)共包含4个接线引脚，为激光二极管(8)通电接线点。

9.根据权利要求1所述的一种低横向灵敏度的法布里珀罗光学MEMS加速度传感器，其特征在于：所述的壳体(1)及基座(7)的材质为铝。

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