CN204269076U - 脉冲微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲微位移传感器，该传感器包括红外光源、运动光栅、固定光栅、第一红外光电倍增管，第二红外光电倍增管、第一梳状电极、第二梳状电极，上层电容平板、下层电容平板、运动光栅的回形悬臂梁、信号处理模块和电流驱动模块。本实用新型依据伍德异常现象中的一种特殊情况，即精确控制两层光栅间隔在1/5的波长量级时，调整光栅的周期、占空比等参数，两层光栅位移时，反射光产生脉冲式变化的现象，比一般的伍德异常光强变化平缓曲线有更高的斜率，能够极大地放大微小位移的信号，从而测量位移。本实用新型扩大了动态范围，实现小型化，在军事领域有很广泛应用前景。

Description

脉冲微位移传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种脉冲微位移传感器。

背景技术

近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制作工艺为基础的微机械传感器的到了快速的发展。微机械传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，迅速占领了各种传感器领域，例如微机械加速度传感器等。目前，随着对微机械位移传感器性能要求的提高，特别是中高精度位移传感应用需求的不断扩展，与光学测量和微光学技术相结合的高精度微光机位移传感器的研究成为了一个重要发展方向。

现有的中微小位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。虽然种类繁多，但是现在的位移传感器的位移精度最高只能达到纳米量级，一种纳米级的微位移测量装置是美国Sandia National Lab设计的双光栅MEMS位移传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小位移但该装置只能测量到微米级位移，难以达到更高的精度，主要限制因素是光强VS光栅位移的曲线曲率较低，使得光强相对于位移的变化较小。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种脉冲微位移传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种脉冲微位移传感器，包括光源、分束器、运动光栅、固定光栅、增反层、第一红外光电探测器、第一聚焦透镜组、第二红外光电探测器、第二聚焦透镜组、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块；所述上层电容平板上刻蚀运动光栅；上层电容平板的一端通过两个回形悬臂梁与第一固定底座相连，另一端通过两个回形悬臂梁与第二固定底座相连；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上；上层电容平板通过回形悬臂梁、第一固定底座和第二固定底座与增反层电连接；所述下层电容平板上刻蚀固定光栅，下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘；

在上层电容平板的两个长边处对称设有两个第一梳状电极，在每个第一梳状电极的上方各设有与其所对应的第二梳状电极，且所述第二梳状电极可靠静 电力被第一梳状电极吸引或排斥；每个第二梳状电极均通过梳状电极固定底座固定在增反层上，与增反层绝缘；

所述光源置于上层电容平板的正上方，光源的下方设有分束器，第一红外光电探测器和第二红外光电探测器对称置于光源的两侧，第一聚焦透镜组置于第一红外光电探测器的正下方，第二聚焦透镜组置于第二红外光电探测器的正下方；第一红外光电探测器和第二红外光电探测器与信号处理模块相连；下层电容平板的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；两个梳状电极固定底座通过引线相连后接入电流驱动模块；增反层的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；电流驱动模块与信号处理模块相连；

所述光源为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层由800nm的SiN₃和600nm的SiO₂以及Si基底从上至下依次排布组成；所述运动光栅和固定光栅厚度均为950-965nm；光栅数均为30-80个，周期T均为1493-1500nm，占空比均为0.45-0.5；运动光栅与固定光栅的空气间隙为300-400nm。

进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。

本实用新型有益的效果是：本实用新型结构紧凑、体积小、质量轻；探测信号信噪比高，能够精确反映两个维度位移变化；具有调节能力，系统灵活；测量精度高，突破了现有的位移传感器的探测精度；引入梳状电极，动态范围大，同时通过静电力产生的微位移与测量的微位移平衡，保证运动光栅始终处于平衡位置，也即最灵敏的测量点位置，提高了系统测量精度，从而该器件能够同时测量大位移并保持较高精度；器件和基片易加工制作，成本比同类型的位移传感器低。同时，将光源，探测器以及光栅集成在一起，可以大大缩小系统的体积。根据此特点，可以在位移测量的小型化，高精度方面有着突破性进展。

附图说明

图1为一种光栅组微位移传感器的总体结构示意图；

图2为光源以及探测器的结构示意图；

图3为上层电容平板一角度的结构示意图；

图4为上层电容平板另一角度的结构示意图；

图5为下层电容平板的结构示意图；

图6为梳状电极一角度的结构示意图；

图7为梳状电极和下层电容平板的组合结构示意图；

图8为上层电容平板和下层电容平板组合一角度的结构示意图；

图9为上层电容平板和下层电容平板组合另一角度的结构示意图；

图10为单组光栅中反射光强随着上下两层光栅相对移动产生的脉冲式变化曲线图；

图11为图10的脉冲局部放大图；

图中，光源1、分束器16、运动光栅2、固定光栅3、增反层4、第一红外光电探测器5、第一聚焦透镜组6、第二红外光电探测器7、第二聚焦透镜组8、第一固定底座9、第二固定底座15、回形悬臂梁10、上层电容平板11、下层电容平板12、信号处理模块13、电流驱动模块14。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

当TE偏振的1530nm的红外光源垂直照射到亚波长光栅上时，会在光栅表面以倏逝波的形式传播。本实用新型依据伍德异常现象中的一种特殊情况，即精确控制两层光栅间隔在1/5的波长量级时(300-400nm间隔)，调整光栅的周期、占空比等参数，使得反射光强相对于位移距离有脉冲式的变化。当两个光栅在垂直方向距离很近时，光会在两层光栅之间震荡，光通过倏逝场从一个光栅传到另外一个光栅，同时另外一个光栅的倏逝波也会通过倏逝场耦合原来的光栅这是一种特殊的伍德异常现象，与一般的伍德异常光强变化相对于位移的平缓曲线相比，有更高的斜率，能够极大地放大微小位移的信号，能够精确测量到纳米量级以下的位移变化。

如图1至图9所示，本实用新型一种光栅组微位移传感器，包括光源1、分束器16、运动光栅2、固定光栅3、增反层4、第一红外光电探测器5、第一聚焦透镜组6、第二红外光电探测器7、第二聚焦透镜组8、第一固定底座9、第二固定底座15、回形悬臂梁10、上层电容平板11、下层电容平板12、信号处理模块13和电流驱动模块14；所述上层电容平板11上刻蚀运动光栅2；上层电容平板11的一端通过两个回形悬臂梁10与第一固定底座9相连，另一端通过两个回形悬臂梁10与第二固定底座15相连；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反层4上；上层电容平板11通过回形悬臂梁10、第一固定底座9和第二固定底座15与增反层4电连接；所述下层电容平板12上刻蚀固定光栅3，下层电容平板12固定在增反层4上，与增反层4绝缘；在上层电容平板11的两个长边处对称设有两个第一梳状电极17，在每个第一梳状电极17的上方各设有与其所对应的第二梳状电极18，且所述第二梳状电极18可靠静电力被第一梳状电极17吸引或排斥；每个第二梳状电极18均通过梳状电极固定底座固定在增反层4上，与增反层4绝缘；

所述光源1置于上层电容平板11的正上方，光源1的下方设有分束器16， 第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7对称置于光源1的两侧，第一聚焦透镜组6置于第一红外光电探测器5的正下方，第二聚焦透镜组8置于第二红外光电探测器7的正下方；第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7与信号处理模块13相连；下层电容平板12的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块14；增反层4的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块14；电流驱动模块14与信号处理模块13相连。

所述光源1为带有准直扩束的红外1530nm垂直腔表面发射激光器，垂直腔表面发射激光器是一种低成本、高性能的特定波长光源，具有测试简单、易耦合以及易形成阵列等独特优势；所述增反层4由800nm的SiN₃和600nm的SiO₂以及Si基底从上至下依次排布组成，起到增强反射光信号的作用。

所述运动光栅2和固定光栅3厚度均为950-965nm，使用聚焦离子束制作而成，材料是Si；每层光栅的光栅数均为30-80个，周期T为1493-1500nm，占空比为0.45-0.5。运动光栅2和固定光栅3的空气间隙为300-400nm，形成谐振腔，激发脉冲式光电信号；横向初始位置在垂直于光栅方向上的间隔为10％T。

所述的上层电容平板11和下层电容平板12用于控制运动光栅2相对于固定光栅3的空气间隔，通过静电力使其保持在能够产生线宽最窄的脉冲式光强的间隔位置。

所述的运动光栅2的回形悬臂梁10起到了支撑运动光栅2的作用，所述的两层光栅之间有相适应的容纳腔，在有外界纵向位移时，容纳腔为运动光栅2的位移提供了变化的空间。同时回形梁的设计保证了系统拥有较大的弹性系数，从而提高了探测位移的灵敏度，而且也使得光栅移动过程中不会出现垂轴串扰的现象。

本实用新型的工作过程如下：

第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7上接收到的光强信号传送到信号处理模块13进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块14输出电流到上层电容平板11和下层电容平板12，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时给予电容平板的电流；当上层电容平板11和下层电容平板12发生横向相对位移时产生脉冲式光强信号，调整提供给第一梳状电极17和第二梳状电极18的电流，使得两层光栅保持在脉冲光强斜率最大的位置，该位置记为横向初始位置，锁定此时给予梳状电极的电流；当上层电容平板11和下层电容平板12再次发生横向相对位移时，通过电流驱动模块14驱动第一梳状电极17和第二梳状电极18，将运动光栅2 拉回到锁定的横向初始位置，计算输出的电流，最终得到运动光栅2的微小位移；若由于外界震动的原因造成上层电容平板11和下层电容平板12之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块14再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。

为了使光强对位移的变化最为灵敏，通过加入电容平板初始驱动电压来调节两层光栅的相对位置。所述的电容平板用于控制运动光栅相对于固定光栅的空气间隔，通过静电力使其处于能够产生脉冲式变化位置，同时调整电压使得脉冲线宽最窄，并保持在此位置。所述的梳状电极用于控制运动光栅相对于固定光栅的的横向初始位置，通过静电力使其保持在对横向位移最灵敏的位置，即反射光强信号相对于横向微位移变化最大的位置，实现高精度的横向位移探测。通过图10、11可见，本实用新型中，相对纵向位移是162nm时，曲线的斜率最大。梳状电极与电流驱动模块连接，形成闭环系统。当运动光栅产生横向微位移时，通过电流驱动模块向梳状电极输出电流，产生吸引电场，运动光栅在静电力的作用下回复到横向初始位置，使运动光栅始终处于横向最灵敏的测量位置，通过电流的大小计算出横向位移的量，同时扩大器件探测的动态范围。

Claims (2)

1.一种脉冲微位移传感器，其特征在于：包括光源（1）、分束器（16）、运动光栅（2）、固定光栅（3）、增反层（4）、第一红外光电探测器（5）、第一聚焦透镜组（6）、第二红外光电探测器（7）、第二聚焦透镜组（8）、第一固定底座（9）、第二固定底座（15）、回形悬臂梁（10）、上层电容平板（11）、下层电容平板（12）、信号处理模块（13）和电流驱动模块（14）；所述上层电容平板（11）上刻蚀运动光栅（2）；上层电容平板（11）的一端通过两个回形悬臂梁（10）与第一固定底座（9）相连，另一端通过两个回形悬臂梁（10）与第二固定底座（15）相连；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反层（4）上；上层电容平板（11）通过回形悬臂梁（10）、第一固定底座（9）和第二固定底座（15）与增反层（4）电连接；所述下层电容平板（12）上刻蚀固定光栅（3），下层电容平板（12）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；

在上层电容平板（11）的两个长边处对称设有两个第一梳状电极（17），在每个第一梳状电极（17）的上方各设有与其所对应的第二梳状电极（18），且所述第二梳状电极（18）可靠静电力被第一梳状电极（17）吸引或排斥；每个第二梳状电极（18）均通过梳状电极固定底座固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；

所述光源（1）置于上层电容平板（11）的正上方，光源（1）的下方设有分束器（16），第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）对称置于光源（1）的两侧，第一聚焦透镜组（6）置于第一红外光电探测器（5）的正下方，第二聚焦透镜组（8）置于第二红外光电探测器（7）的正下方；第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）与信号处理模块（13）相连；下层电容平板（12）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；两个梳状电极固定底座通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；增反层（4）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；电流驱动模块（14）与信号处理模块（13）相连；

所述光源（1）为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层（4）由800nm的SiN₃和600nm的SiO₂以及Si基底从上至下依次排布组成；所述运动光栅（2）和固定光栅（3）厚度均为950-965nm；光栅数均为30-80个，周期T均为1493-1500nm，占空比均为0.45-0.5；运动光栅（2）与固定光栅（3）的空气间隙为300-400nm。

2.根据权利要求1所述一种脉冲微位移传感器，其特征在于：所述的光源（1）为垂直腔表面发射激光器。