CN204479609U - 脉冲微机械加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种脉冲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；每组发射接收装置包括光源、分束器、两个红外光电探测器和两个聚焦透镜组。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，两层光栅由于加速度对质量块牵引产生位移时，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，从而根据位移测量加速度。本实用新型扩大了动态范围，在军事领域有很广泛应用前景。

Description

脉冲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，特别是涉及一种脉冲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，随着对微机械加速度传感器性能要求的提高，特别是中高精度加速度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，传统机械式加速度传感器。虽然种类繁多，但是现在的加速度传感器的加速度精度最高只能达到纳米量级，一种纳米级的微加速度测量装置是美国Sandia National Lab设计的双光栅MEMS加速度传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小加速度但该装置只能测量到微米级加速度，难以达到更高的精度，主要限制因素是光强VS光栅加速度的曲线曲率较低，使得光强相对于加速度的变化较小。

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机械加速度传感器，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，上下两层光栅由于加速度对质量块的牵引发生微位移，反射光强相对于位移距离有脉冲式的变化，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，设计出传感器能够精确测量到ng量级以下的加速度变化，对于高精度加速度传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

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；在每个T形光栅区顶面的左右两侧各刻蚀运动光栅；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运动光栅相对应的位置刻蚀固定光栅，下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘。

每组发射接收装置包括光源、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；光源置于上层电容平板的运动光栅正上方，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；四个第一红外光电探测器和四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。

本实用新型的有益效果是：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加速度加速度变化；具有调节能力，系统灵活；测量精度高，突破了现有的加速度传感器的探测精度；引入梳状电极，动态范围大，同时通过静电力产生的微加速度与测量的微加速度平衡，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加速度并保持较高精度；通过设计四组探测结构，并对其获得的加速度信号进行均分，可以大大提高信噪比；器件和基片易加工制作，成本比同类型的加速度传感器低。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，可以在加速度测量的小型化，高精度方面有着突破性进展。

附图说明

图1为本实用新型脉冲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为单组光栅中反射光强随着上下两层光栅由于加速度引起的相对移动产生的脉冲式变化曲线图；

图9为图8的脉冲局部放大图；

图中，光源1、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、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、质量块区域19。

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由于加速度对质量块牵引产生的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和加速度的信号，能够精确测量到ng量级以下的加速度变化。

如图1-7所示，本实用新型一种脉冲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19；在质量块区域19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19相连的T形光栅区，在上层电容平板11上围绕质量块区域19和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域19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；在每个T形光栅区顶面的左右两侧各刻蚀运动光栅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的四个运动光栅2相对应的位置刻蚀固定光栅3，下层电容平板12固定在增反层4上，与增反层4绝缘。

每组发射接收装置包括光源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；光源1置于上层电容平板11的运动光栅2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；四个第一红外光电探测器5和四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Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成，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：

每组发射接收装置的光源1发出的光通过分束器16产生两路激光，一路激光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；另一路激光依次通过上层电容平板11的运动光栅2、下层电容平板12的固定光栅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；

每组发射接收装置的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由于加速度对质量块19的牵引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，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；对四个第一红外光电探测器5和四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。

为了使光强对加速度的变化最为灵敏，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，即加速度输入最大的位置，实现高精度的加速度探测。通过图8、9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。当运动光栅由于加速度对质量块牵引产生横向微位移时，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加速度最灵敏的测量位置，通过电流的大小计算出加速度的量，同时扩大器件探测的动态范围。

Claims (2)

1.一种脉冲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（19）；在质量块区域（19）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（19）相连的T形光栅区，在上层电容平板（11）上围绕质量块区域（19）和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域（19）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；在每个T形光栅区顶面的左右两侧各刻蚀运动光栅（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）的四个运动光栅（2）相对应的位置刻蚀固定光栅（3），下层电容平板（12）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；

每组发射接收装置包括光源（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）；光源（1）置于上层电容平板（11）的运动光栅（2）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；四个第一红外光电探测器（5）和四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。