光柵組微機械加速度傳感器制造技術

本實用新型專利技術公開了一種光柵組微機械加速度傳感器，該傳感器包括四組發射接收裝置、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動模塊；本實用新型專利技術依據伍德異常現象，利用兩層光柵由于加速度對質量塊的牽引所產生的位移時，反射光產生脈沖式變化的現象，通過在兩光柵層制作多組光柵，每組光柵中上下兩層光柵初始相對位置的不同設定，使得每組光柵產生脈沖式變化對應的上下兩層光柵的微位移量不同，對應的加速度也不同，從而對加速度信號細分，測量加速度。本實用新型專利技術實現了傳感系統的小型化，精度高，在航空、軍事領域都有很廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及傳感器
，特別是涉及一種光柵組微機械加速度傳感器。
技術介紹
近年來隨著集成電路制造工藝和微機械加工工藝的發展，以這兩種制作工藝為基礎的微機械傳感器的到了快速的發展。微機械傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強和可批量生產等特點，迅速占領了各種傳感器領域，例如微機械加速度傳感器等。目前，隨著對微機械加速度傳感器性能要求的提高，特別是中高精度加速度傳感應用需求的不斷擴展，與光學測量和微光學技術相結合的高精度微光機加速度傳感器的研宄成為了一個重要發展方向。在現有的報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，傳統機械式加速度傳感器。雖然種類繁多，但是現在的加速度傳感器的精度低，而且動態范圍較小，因此，對一些需要高精度加速度測量方面起了限制的作用。
技術實現思路
為了克服上述現有技術的不足，本技術提供了一種光柵組微機械加速度傳感器，通過利用伍德異常現象，兩層光柵由于加速度對質量塊的牽引產生相對位移時，反射光產生脈沖式信號。再通過在兩光柵層制作多組光柵，設定每組光柵中上下兩層光柵橫向初始位置的不同，使得每組光柵產生脈沖式反射光所對應微位移不同，使得對應加速度也不同，從而對加速度進行細分，達到高精度測量的目的。本技術的目的是通過以下技術方案來實現的:一種光柵組微機械加速度傳感器，包括四組發射接收裝置、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有質量塊區域；在質量塊區域的左右兩側刻蝕回形懸臂梁，上下兩端各設有一與質量塊區域相連的T形光柵區，在上層電容平板上圍繞質量塊區域和T形光柵區刻蝕通道，使得質量塊區域僅通過左右側的回形懸臂梁與上層電容平板連接；在每個T形光柵區頂面的左右兩側各刻蝕第一光柵層；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。所述下層電容平板上與上層電容平板的四個第一光柵層相對應的位置刻蝕第二光柵層，下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣。每組發射接收裝置包括光源、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；光源置于上層電容平板的第一光柵層正上方，光源的下方設有分束器，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，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；四個第一紅外光電探測器和四個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通過引線相連后接入電流驅動模塊；增反層的兩側通過引線相連后接入電流驅動模塊；電流驅動模塊與信號處理模塊相連。所述光源為帶有準直擴束的紅外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；所述第一光柵層和第二光柵層均有34組光柵，厚度均為950-965nm ;每組光柵的光柵數為7個，周期T為1400-1500nm，占空比為0.45-0.5 ;第一光柵層中每組光柵的橫向間隔為1560nm ;第二光柵層中每組光柵的橫向間隔為1575nm ;第一光柵層與第二光柵層的空氣間隙為300-400nm，橫向初始位置在垂直于光柵方向上的間隔為10%T。進一步地，所述的光源為垂直腔表面發射激光器。 進一步地，所述每個光柵周期T為1441nm，占空比為0.47，第一光柵層和第二光柵層的厚度均為960nm。本技術的有益效果是:本技術依據伍德異常現象，利用上下兩層光柵由于加速度對質量塊牽引發生微位移時，使得反射光在光柵的導通模式和泄露模式之間變換，反射光強會產生脈沖式的變化。通過在兩光柵層制作多組光柵，每組光柵中上下兩層光柵初始相對位置的不同設定，使得每組光柵反射光強產生脈沖式變化對應的上下兩層光柵的微位移量不同，使得對應加速度也不同，從而對加速度進行細分；通過設計四組探測結構，并對其獲得的加速度信號進行均分，可以大大提高信噪比，達到了精確測量加速度的目的。同時，將光源，探測器以及光柵集成在一起，可以大大縮小系統的體積。本技術結構緊湊、體積小、質量輕；探測信號信噪比高，能夠精確反映微加速度的變化；具有調節能力，系統靈活；測量精度高，突破了現有的加速度傳感器的探測精度；引入電容平板，調整并保持脈沖的線寬最小，使得測量精度和穩定性更高；器件和基片易加工制作，成本比同類型的加速度傳感器低。【附圖說明】圖1為本技術光柵組微機械加速度傳感器的總體結構示意圖；圖2為上層電容平板的結構示意圖；圖3為下層電容平板的結構示意圖；圖4為光源和探測器的結構示意圖；圖5為整體結構示意圖；圖6為上層電容平板四組結構中一組光柵局部放大圖；圖7為下層電容平板四組結構中一組光柵局部放大圖；圖8為單組光柵中反射光強隨著上下兩層光柵由于加速度引起的相對移動產生的脈沖式變化曲線圖；圖9為圖8的脈沖局部放大圖；圖10為34組光柵反射光強隨著上下兩層光柵由于加速度引起的相對移動產生的脈沖式變化曲線圖；圖中，光源1、第一光柵層2、第二光柵層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、電流驅動模塊14、第二固定底座15、分束器16、質量塊區域17。【具體實施方式】下面結合附圖對本技術作進一步詳細說明。當TE偏振的1530nm的紅外光源垂直照射到亞波長光柵上時，會在光柵表面以倏逝波的形式傳播。當兩個光柵在垂直方向距離很近時，光會在兩層光柵之間震蕩，光通過倏逝場從一個光柵傳到另外一個光柵，同時另外一個光柵的倏逝波也會通過倏逝場耦合原來的光柵。當質量塊由于加速度牽引兩層光柵發生很小的橫向、縱向相對位移時，會導致諧振場發生變化，使得反射光的強度急劇提高，通過探測反射光的光強變化，我們可以精確知道發生的橫向、縱向相對位移，從而精確計算出對應的加速度變化。如圖1-7所示，本技術一種光柵組微機械加速度傳感器，包括四組發射接收裝置、增反層4、第一固定底座9、第二固定底座15、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和電流驅動模塊14 ;所述上層電容平板11的一端與第一固定底座9相連，另一端與第二固定底座15相連；上層電容平板11的正中間設有質量塊區域17 ;在質量塊區域17的左右兩側刻蝕回形懸臂梁10，上下兩端各設有一與質量塊區域17相連的T形光柵區，在上層電容平板11上圍繞質量塊區域17和T形光柵區刻蝕通道，使得質量塊區域17僅通過左右側的回形懸臂梁10與上層電容平板11連接；在每個T形光柵區頂面的左右兩側各刻蝕第一光柵層2 ;第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上并與增反層4電連接。所述下層電容平板12上與上層電容平板11的四個第一光柵層2相對應的位置刻蝕第二光柵層3，下層電容平板12固定在增反層4上，與增反層4絕緣。每組發射接收裝置包括光源1、分束器16、第一紅外光電探測器5、第一聚焦透本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種光柵組微機械加速度傳感器，其特征在于：包括四組發射接收裝置、增反層（4）、第一固定底座（9）、第二固定底座（15）、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）和電流驅動模塊（14）；所述上層電容平板（11）的一端與第一固定底座（9）相連，另一端與第二固定底座（15）相連；上層電容平板（11）的正中間設有質量塊區域（17）；在質量塊區域（17）的左右兩側刻蝕回形懸臂梁（10），上下兩端各設有一與質量塊區域（17）相連的T形光柵區，在上層電容平板（11）上圍繞質量塊區域（17）和T形光柵區刻蝕通道，使得質量塊區域（17）僅通過左右側的回形懸臂梁（10）與上層電容平板（11）連接；在每個T形光柵區頂面的左右兩側各刻蝕第一光柵層（2）；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反層（4）上并與增反層（4）電連接；所述下層電容平板（12）上與上層電容平板（11）的四個第一光柵層（2）相對應的位置刻蝕第二光柵層（3），下層電容平板（12）固定在增反層（4）上，與增反層（4）絕緣；每組發射接收裝置包括光源（1）、分束器（16）、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）和第二聚焦透鏡組（8）；光源（1）置于上層電容平板（11）的第一光柵層（2）正上方，光源（1）的下方設有分束器（16），第一紅外光電探測器（5）和第二紅外光電探測器（7）對稱置于光源（1）的兩側，第一聚焦透鏡組（6）置于第一紅外光電探測器（5）的正下方，第二聚焦透鏡組（8）置于第二紅外光電探測器（7）的正下方；四個第一紅外光電探測器（5）和四個第二紅外光電探測器（7）均與信號處理模塊（13）相連；下層電容平板（12）的兩側通過引線相連后接入電流驅動模塊（14）；增反層（4）的兩側通過引線相連后接入電流驅動模塊（14）；電流驅動模塊（14）與信號處理模塊（13）相連；所述光源（1）為帶有準直擴束的紅外1530nm光源；所述增反層（4）由Si基底上依次鍍有600nm的SiO2和800nm的Si3N4形成；所述第一光柵層（2）和第二光柵層（3）均有34組光柵，厚度均為950?965nm；每組光柵的光柵數為7個，周期T為1400?1500nm，占空比為0.45?0.5；第一光柵層（2）中每組光柵的橫向間隔為1560nm；第二光柵層（3）中每組光柵的橫向間隔為1575nm；第一光柵層（2）與第二光柵層（3）的空氣間隙為300?400nm，橫向初始位置在垂直于光柵方向上的間隔為10%T。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王晨，白劍，羅宇杰，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：新型
國別省市：浙江;33