組合光柵微機(jī)械加速度傳感器及其測量加速度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種組合光柵微機(jī)械加速度傳感器及其測量加速度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著集成電路制造工藝和微機(jī)械加工工藝的發(fā)展，以這兩種制作工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械傳感器的到了快速的發(fā)展。微機(jī)械傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強(qiáng)和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了各種傳感器領(lǐng)域，例如微機(jī)械加速度傳感器等。目前，隨著對微機(jī)械位移傳感器性能要求的提高，特別是中高精度位移傳感應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)展，與光學(xué)測量和微光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的高精度微光機(jī)加速度傳感器的研宄成為了一個(gè)重要發(fā)展方向。
[0003]在現(xiàn)有的報(bào)到中加速度傳感器主要分為電感式加速度傳感器，電容式加速度傳感器，隧道式加速度傳感器。雖然種類繁多，但是現(xiàn)在的加速度傳感器的位移精度最高只能達(dá)到ng量級，一種ng量級的微位移測量裝置是美國Sandia Nat1nal Lab設(shè)計(jì)的雙光柵MEMS位移傳感器，該裝置是利用光柵反射光強(qiáng)來測量微小加速度，通過信號光強(qiáng)變化來將光柵鎖定在測量加速度最靈敏的位置，由于光強(qiáng)變化曲線相對平緩，無法準(zhǔn)確區(qū)分光強(qiáng)的變化由于外界環(huán)境導(dǎo)致還是加速度導(dǎo)致的，因此無法精確將光柵鎖定在加速度最靈敏的位置，測量精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的步不足，提供一種組合光柵微機(jī)械加速度傳感器及其測量加速度的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種組合光柵微機(jī)械加速度傳感器，包括四組發(fā)射接收裝置、增反層、第一固定底座、第二固定底座、回形懸臂梁、上層電容平板、下層電容平板、信號處理模塊和電流驅(qū)動模塊；所述上層電容平板的一端與第一固定底座相連，另一端與第二固定底座相連；上層電容平板的正中間設(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域；在質(zhì)量塊區(qū)域的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁，上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域和T形光柵區(qū)刻蝕通道；所述通道在質(zhì)量塊區(qū)域的四個(gè)角上具有梳狀結(jié)構(gòu)，梳狀結(jié)構(gòu)在質(zhì)量塊區(qū)域形成的梳狀齒作為第一梳狀電極，與第一梳狀電極配對的梳狀齒作為第二梳狀電極，所述第二梳狀電極靠靜電力被第一梳狀電極吸引或排斥。
[0006]所述T形光柵區(qū)頂面的兩側(cè)邊緣具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運(yùn)動光柵，在T形光柵區(qū)的頂面內(nèi)側(cè)對稱刻蝕與第二運(yùn)動光柵結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動光柵；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反層上并與增反層電連接。
[0007]所述下層電容平板上與上層電容平板的四個(gè)第一運(yùn)動光柵相對應(yīng)的位置刻蝕與第一運(yùn)動光柵結(jié)構(gòu)相同的第一固定光柵，與四個(gè)第二運(yùn)動光柵相對應(yīng)的位置刻蝕與第二運(yùn)動光柵結(jié)構(gòu)相同的第二固定光柵；所述第一固定光柵的橫向初始位置與第一運(yùn)動光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為295-305nm ;所述第二固定光柵的橫向初始位置與第二運(yùn)動光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣。
[0008]所述每組發(fā)射接收裝置包括兩組發(fā)射接收器，所述每組發(fā)射接收器包括光源、分束器、第一紅外光電探測器、第一聚焦透鏡組、第二紅外光電探測器和第二聚焦透鏡組；每組發(fā)射接收裝置的兩個(gè)光源分別置于上層電容平板的第一運(yùn)動光柵和第二運(yùn)動光柵的正上方，光源的下方設(shè)有分束器，第一紅外光電探測器和第二紅外光電探測器對稱置于光源的兩側(cè)，第一聚焦透鏡組置于第一紅外光電探測器的正下方，第二聚焦透鏡組置于第二紅外光電探測器的正下方；八個(gè)第一紅外光電探測器和八個(gè)第二紅外光電探測器均與信號處理模塊相連；下層電容平板的兩側(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊；增反層的兩側(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊；電流驅(qū)動模塊與信號處理模塊相連。
[0009]所述光源為帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束的紅外1530nm光源；所述增反層由Si基底上依次鍍有600nm 的 S1jP 800nm 的 Si 3N4形成。
[0010]所述第一運(yùn)動光柵、第二運(yùn)動光柵、第一固定光柵和第二固定光柵的厚度均為950-965nm，光柵數(shù)均為30-80個(gè)，周期T均為1493_1500nm，占空比均為0.45-0.5 ;第一運(yùn)動光柵和第一固定光柵的空氣間隙為300-400nm ;第二運(yùn)動光柵與第二固定光柵的空氣間隙為 1000nm-1200nm。
[0011]進(jìn)一步地，所述的光源為垂直腔表面發(fā)射激光器。
[0012]一種利用上述組合光柵微機(jī)械加速度傳感器測量加速度的方法，包括以下步驟: 每組發(fā)射接收裝置的兩個(gè)光源發(fā)出的光均通過分束器產(chǎn)生兩路激光，其中，兩個(gè)光源的一路激光均照射到上層電容平板沒有光柵的區(qū)域后反射，反射光束通過第一聚焦透鏡組照射到第一紅外光電探測器上；一個(gè)光源的另一路激光依次通過上層電容平板的第一運(yùn)動光柵、下層電容平板的第一固定光柵和增反層后，經(jīng)過增反層反射的光束通過第二聚焦透鏡組照射到第二紅外光電探測器上；另一個(gè)光源的另一路激光依次通過上層電容平板的第二運(yùn)動光柵、下層電容平板的第二固定光柵和增反層后，經(jīng)過增反層反射的光束通過第二聚焦透鏡組照射到第二紅外光電探測器上；
每組發(fā)射接收裝置的兩個(gè)第一紅外光電探測器和兩個(gè)第二紅外光電探測器上接收到的光強(qiáng)信號傳送到信號處理模塊進(jìn)行對比分析，通過差分技術(shù)濾除噪聲得到一般伍德異常平緩光強(qiáng)變化信號和特殊伍德異常脈沖式光強(qiáng)變化信號；電流驅(qū)動模塊輸出電流到上層電容平板和下層電容平板，通過調(diào)整電流的大小來調(diào)整兩層電容平板的縱向間隔，從而得到線寬不同的特殊伍德異常脈沖式光強(qiáng)變化信號，當(dāng)?shù)玫降拿}沖式光強(qiáng)變化信號的線寬最窄時(shí)，鎖定此時(shí)給予電容平板的電流；當(dāng)上層電容平板和下層電容平板由于加速度對質(zhì)量塊的牽引發(fā)生橫向相對位移時(shí)產(chǎn)生一般伍德異常平緩光強(qiáng)變化信號和特殊伍德異常脈沖式光強(qiáng)變化信號，調(diào)整提供給第一梳狀電極和第二梳狀電極的電流，使得第一運(yùn)動光柵和第一固定光柵橫向相對位置保持在平緩光強(qiáng)變化曲線斜率最大的位置，該位置即為同時(shí)使得第二運(yùn)動光柵和第二固定光柵產(chǎn)生脈沖式光強(qiáng)信號峰值的相對位置，利用脈沖的極窄線寬，鎖定此時(shí)給予梳狀電極的電流，記為橫向初始位置，即鎖定平緩光強(qiáng)變化曲線斜率最大的位置；當(dāng)上層電容平板和下層電容平板再次由于加速度對質(zhì)量塊的牽引發(fā)生橫向相對位移時(shí)，通過電流驅(qū)動模塊驅(qū)動第一梳狀電極和第二梳狀電極，將運(yùn)動光柵拉回到鎖定的橫向初始位置，計(jì)算輸出的電流，根據(jù)回形懸臂梁的彈性系數(shù)和質(zhì)量塊的質(zhì)量，計(jì)算出輸入的加速度大??；對八個(gè)第一紅外光電探測器和八個(gè)第二紅外光電探測器采集的信號進(jìn)行分析得到的四組加速度大小取平均，得到最終的加速度；若由于外界震動的原因造成上層電容平板和下層電容平板之間的間隔變化，使得脈沖信號消失，電流驅(qū)動模塊再次調(diào)整輸出電流，直到重新出現(xiàn)脈沖式光強(qiáng)信號。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:當(dāng)上下兩層光柵由于加速度對質(zhì)量塊牽引發(fā)生微位移時(shí)，一組光柵的反射光強(qiáng)會產(chǎn)生脈沖式的變化，另一組光柵的反射光強(qiáng)產(chǎn)生較為平緩的變化，利用脈沖式光強(qiáng)信號的極窄線寬，梳狀電極鎖定此時(shí)另一組上下兩層光柵的橫向相對位置，即平緩反射光強(qiáng)曲線斜率最大的位置，即探測器靈敏度最高的位置，通過梳狀電極的反饋電流計(jì)算加速度大小。本發(fā)明大大縮小了系統(tǒng)的體積，而且引入了梳狀電極、電容平板作為靜電力回復(fù)閉環(huán)器件，能夠精確對加速度進(jìn)行探測，擴(kuò)大了探測器的動態(tài)范圍；通過一組光柵產(chǎn)生的脈沖式光強(qiáng)變化信號來鎖定另一組光柵產(chǎn)生的平緩光強(qiáng)變化信號斜率最大的位置，從而測量加速度；實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的小型化、高精度，在航空、軍事領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明組合光柵微機(jī)械加速度傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為上層電容平板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為下層電容平板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為光源和探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為整體結(jié)構(gòu)不意圖；
圖6為上層電容平板四組結(jié)構(gòu)中一組光柵局部放大圖；
圖7為下層電容平板四組結(jié)構(gòu)中一組光柵局部放大圖；
圖8為光柵間隔為300-400nm時(shí)，反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵相對移動產(chǎn)生的脈沖式變化曲線圖；
圖9為光柵間隔為1000-1200nm時(shí)，反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵相對移動產(chǎn)生的平緩變化曲線圖；
圖中，光源1、第一運(yùn)動光柵2、第一固定光柵3、增反層4、第一紅外光電探測器5、第一聚焦透鏡組6、第二紅外光電探測器7、第二聚焦透鏡組8、第一固定底座9、回形懸臂梁10、上層電容平板11、下層電容平板12、信號處理模塊13、電流驅(qū)動模塊14、第二固定底座15、分束器16、第一梳狀電極17、第二梳狀電極18、第二運(yùn)動光柵20、第二固