CN204479608U - 组合光栅微机械加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组合光栅微机械加速度传感器，该传感器包括四组发射接收装置、增反层、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。本实用新型大大缩小了系统的体积，而且引入了梳状电极、电容平板作为静电力回复闭环器件，能够精确对位移进行探测，扩大了探测器的动态范围；通过一组光栅产生的脉冲式光强变化信号来锁定另一组光栅产生的平缓光强变化信号斜率最大的位置，从而测量由于加速度牵引质量块所产生的位移；实现了传感系统的小型化、高精度，在航空、军事领域都有很广泛的应用前景。

Description

组合光栅微机械加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种组合光栅微机械加速度传感器。

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加速度传感器的研究成为了一个重要发展方向。

在现有的报到中加速度传感器主要分为电感式加速度传感器，电容式加速度传感器，隧道式加速度传感器。虽然种类繁多，但是现在的加速度传感器的位移精度最高只能达到ng量级，一种ng量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加速度，通过信号光强变化来将光栅锁定在测量加速度最灵敏的位置，由于光强变化曲线相对平缓，无法准确区分光强的变化由于外界环境导致还是加速度导致的，因此无法精确将光栅锁定在加速度最灵敏的位置，测量精度不高。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的步不足，提供一种组合光栅微机械加速度传感器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种组合光栅微机械加速度传感器，包括四组发射接收装置、增反层、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；所述上层电容平板的一端与第一固定底座相连，另一端与第二固定底座相连；上层电容平板的正中间设有质量块区域；在质量块区域的左右两侧刻蚀回形悬臂梁，上下两端各设有一与质量块区域相连的T形光栅区，在上层电容平板上围绕质量块区域和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域的四个角上具有梳状结构，梳状结构在质量块区域形成的梳状齿作为第一梳状电极，与第一梳状电极配对的梳状齿作为第二梳状电极，所述第二梳状电极靠静电力被第一梳状电极吸引或排斥。

所述T形光栅区顶面的两侧边缘具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅，在T形光栅区的顶面内侧对称刻蚀与第二运动光栅结构相同的第一运动光栅；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上并与增反层电连接。

所述下层电容平板上与上层电容平板的四个第一运动光栅相对应的位置刻蚀与第一运动光栅结构相同的第一固定光栅，与四个第二运动光栅相对应的位置刻蚀与第二运动光栅结构相同的第二固定光栅；所述第一固定光栅的横向初始位置与第一运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述第二固定光栅的横向初始位置与第二运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘。

所述每组发射接收装置包括两组发射接收器，所述每组发射接收器包括光源、分束器、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和第二聚焦透镜组；每组发射接收装置的两个光源分别置于上层电容平板的第一运动光栅和第二运动光栅的正上方，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；八个第一红外光电探测器和八个第二红外光电探测器均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；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Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成。

所述第一运动光栅、第二运动光栅、第一固定光栅和第二固定光栅的厚度均为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；第一运动光栅和第一固定光栅的空气间隙为300-400nm；第二运动光栅与第二固定光栅的空气间隙为1000nm-1200nm。

进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。

本实用新型的有益效果是：当上下两层光栅由于加速度对质量块牵引发生微位移时，一组光栅的反射光强会产生脉冲式的变化，另一组光栅的反射光强产生较为平缓的变化，利用脉冲式光强信号的极窄线宽，梳状电极锁定此时另一组上下两层光栅的横向相对位置，即平缓反射光强曲线斜率最大的位置，即探测器灵敏度最高的位置，通过梳状电极的反馈电流计算加速度大小。本实用新型大大缩小了系统的体积，而且引入了梳状电极、电容平板作为静电力回复闭环器件，能够精确对加速度进行探测，扩大了探测器的动态范围；通过一组光栅产生的脉冲式光强变化信号来锁定另一组光栅产生的平缓光强变化信号斜率最大的位置，从而测量加速度；实现了传感系统的小型化、高精度，在航空、军事领域都有很广泛的应用前景。

附图说明

图1 为本实用新型组合光栅微机械加速度传感器的总体结构示意图；

图2为上层电容平板的结构示意图；

图3为下层电容平板的结构示意图；

图4为光源和探测器的结构示意图；

图5为整体结构示意图；

图6为上层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；

图7为下层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；

图8为光栅间隔为300-400nm时，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9为光栅间隔为1000-1200nm时，反射光强随着上下两层光栅相对移动产生的平缓变化曲线图；

图中，光源1、第一运动光栅2、第一固定光栅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、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、第二固定底座15、分束器16、第一梳状电极17、第二梳状电极18、第二运动光栅20、第二固定光栅21、质量块区域22。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

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。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会原来的光栅。当两层光栅由于加速度对质量块牵引发生的横向相对位移时，会导致谐振场发生变化，使得反射光的强度急剧提高，通过探测反射光的光强变化，我们可以精确知道发生的横向、纵向相对位移，从而知道输入加速度的大小。通过调整两层光栅的纵向间隔，可以产生两种反射光强变化，一种是光强相对于位移的平缓变化的曲线，一种是光强相对于位移的脉冲式变化曲线。利用脉冲式变化曲线的极窄线宽，梳状电极可以锁定平缓变化曲线的斜率最大的位置，从而利用反馈电流计算出加速度的大小。

如图1-7所示，本实用新型一种组合光栅微机械加速度传感器，包括四组发射接收装置、增反层4、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的一端与第一固定底座9相连，另一端与第二固定底座15相连；上层电容平板11的正中间设有质量块区域22；在质量块区域22的左右两侧刻蚀回形悬臂梁10，上下两端各设有一与质量块区域22相连的T形光栅区，在上层电容平板11上围绕质量块区域22和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域22的四个角上具有梳状结构，梳状结构在质量块区域形成的梳状齿作为第一梳状电极17，与第一梳状电极17配对的梳状齿作为第二梳状电极18，所述第二梳状电极18靠静电力被第一梳状电极17吸引或排斥。

所述T形光栅区顶面的两侧边缘具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅20，在T形光栅区的顶面内侧对称刻蚀与第二运动光栅20结构相同的第一运动光栅2；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反层4上并与增反层4电连接。

所述下层电容平板12上与上层电容平板11的四个第一运动光栅2相对应的位置刻蚀与第一运动光栅2结构相同的第一固定光栅3，与四个第二运动光栅20相对应的位置刻蚀与第二运动光栅20结构相同的第二固定光栅21；所述第一固定光栅3的横向初始位置与第一运动光栅2的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述第二固定光栅21的横向初始位置与第二运动光栅20的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板12固定在增反层4上，与增反层4绝缘。

所述每组发射接收装置包括两组发射接收器，所述每组发射接收器包括光源1、分束器16、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和第二聚焦透镜组8；每组发射接收装置的两个光源1分别置于上层电容平板11的第一运动光栅2和第二运动光栅20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；八个第一红外光电探测器5和八个第二红外光电探测器7均与信号处理模块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光源；所述增反层4由Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成。

所述第一运动光栅2、第二运动光栅20、第一固定光栅3和第二固定光栅21的厚度均为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；第一运动光栅2和第一固定光栅3的空气间隙为300-400nm；第二运动光栅20与第二固定光栅21的空气间隙为1000nm-1200nm。

本实用新型的工作过程如下：

每组发射接收装置的两个光源1发出的光均通过分束器16产生两路激光，其中，两个光源1的一路激光均照射到上层电容平板11没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组6照射到第一红外光电探测器5上；一个光源的另一路激光依次通过上层电容平板11的第一运动光栅2、下层电容平板12的第一固定光栅3和增反层4后，经过增反层4反射的光束通过第二聚焦透镜组8照射到第二红外光电探测器7上；另一个光源的另一路激光依次通过上层电容平板11的第二运动光栅20、下层电容平板12的第二固定光栅21和增反层4后，经过增反层4反射的光束通过第二聚焦透镜组8照射到第二红外光电探测器7上；

每组发射接收装置的两个第一红外光电探测器5和两个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一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号；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特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，当得到的脉冲式光强变化信号的线宽最窄时，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由于加速度对质量块22的牵引发生横向相对位移时产生一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，调整提供给第一梳状电极17和第二梳状电极18的电流，使得第一运动光栅2和第一固定光栅20横向相对位置保持在平缓光强变化曲线斜率最大的位置，该位置即为同时使得第二运动光栅3和第二固定光栅21产生脉冲式光强信号峰值的相对位置，利用脉冲的极窄线宽，锁定此时给予梳状电极的电流，记为横向初始位置，即锁定平缓光强变化曲线斜率最大的位置；当上层电容平板11和下层电容平板12再次由于加速度对质量块22的牵引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，将运动光栅拉回到锁定的横向初始位置，计算输出的电流，根据回形悬臂梁的弹性系数和质量块的质量，计算出输入的加速度大小；对八个第一红外光电探测器5和八个第二红外光电探测器7采集的信号进行分析得到的四组加速度大小取平均，得到最终的加速度；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。

本实用新型的两层亚波长光栅组合构成一个谐振腔，第一层光栅为可动部分，第二层光栅为固定部分，可动部分与固定部分之间由于加速度对质量块牵引发生的相对位移可以影响入射光在光栅内部的传播模式，分别是泄露模式和传导模式，从而导致光栅反射光强的变化。调整两层光栅的纵向间隔，可以产生不同形式的光强变化曲线。通过图8可见，本实用新型中，相对纵向间隔是300-400nm时，曲线会产生脉冲的形状，相对横向位移是163-167nm时，脉冲达到峰值。通过图9可见，本实用新型中，相对纵向间隔是1000-1200nm时，曲线会较为平缓，相对横向位移是295-305nm时，曲线达到其斜率最大位置。通过合理调整两组光栅的初始相对位置，当两层光栅运动到某一位置时，使得脉冲达到其峰值同时，曲线的达到其斜率最大处，从而利用脉冲极窄的线宽来锁定斜率最大位置，从而实现加速度的精确测量。

Claims (2)

1.一种组合光栅微机械加速度传感器，其特征在于，包括四组发射接收装置、增反层（4）、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）的一端与第一固定底座（9）相连，另一端与第二固定底座（15）相连；上层电容平板（11）的正中间设有质量块区域（22）；在质量块区域（22）的左右两侧刻蚀回形悬臂梁（10），上下两端各设有一与质量块区域（22）相连的T形光栅区，在上层电容平板（11）上围绕质量块区域（22）和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域（22）的四个角上具有梳状结构，梳状结构在质量块区域形成的梳状齿作为第一梳状电极（17），与第一梳状电极（17）配对的梳状齿作为第二梳状电极（18），所述第二梳状电极（18）靠静电力被第一梳状电极（17）吸引或排斥；

所述T形光栅区顶面的两侧边缘具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅（20），在T形光栅区的顶面内侧对称刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第一运动光栅（2）；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反层（4）上并与增反层（4）电连接；

所述下层电容平板（12）上与上层电容平板（11）的四个第一运动光栅（2）相对应的位置刻蚀与第一运动光栅（2）结构相同的第一固定光栅（3），与四个第二运动光栅（20）相对应的位置刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第二固定光栅（21）；所述第一固定光栅（3）的横向初始位置与第一运动光栅（2）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述第二固定光栅（21）的横向初始位置与第二运动光栅（20）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板（12）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；

所述每组发射接收装置包括两组发射接收器，所述每组发射接收器包括光源（1）、分束器（16）、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）和第二聚焦透镜组（8）；每组发射接收装置的两个光源（1）分别置于上层电容平板（11）的第一运动光栅（2）和第二运动光栅（20）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；八个第一红外光电探测器（5）和八个第二红外光电探测器（7）均与信号处理模块（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光源；所述增反层（4）由Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成；

所述第一运动光栅（2）、第二运动光栅（20）、第一固定光栅（3）和第二固定光栅（21）的厚度均为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；第一运动光栅（2）和第一固定光栅（3）的空气间隙为300-400nm；第二运动光栅（20）与第二固定光栅（21）的空气间隙为1000nm-1200nm。

2.根据权利要求1所述组合光栅微机械加速度传感器，其特征在于：所述的光源（1）为垂直腔表面发射激光器。