本實用新型專利技術(shù)公開了一種脈沖微機械加速度傳感器，該傳感器包括四組發(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；每組發(fā)射接收裝置包括光源、分束器、兩個紅外光電探測器和兩個聚焦透鏡組。本實用新型專利技術(shù)依據(jù)伍德異常現(xiàn)象中的一種特殊情況，即精確控制兩層光柵間隔在1/5的波長量級時，調(diào)整光柵的周期、占空比等參數(shù)，兩層光柵由于加速度對質(zhì)量塊牽引產(chǎn)生位移時，反射光產(chǎn)生脈沖式變化的現(xiàn)象，比一般的伍德異常光強變化平緩曲線有更高的斜率，能夠極大地放大微小位移的信號，從而根據(jù)位移測量加速度。本實用新型專利技術(shù)擴大了動態(tài)范圍，在軍事領(lǐng)域有很廣泛應(yīng)用前景。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本技術(shù)涉及傳感器
，特別是涉及一種脈沖微機械加速度傳感器。
技術(shù)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(fā)展，以這兩種制作工藝為基礎(chǔ)的微機械傳感器的到了快速的發(fā)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(chǎn)等特點，迅速占領(lǐng)了各種傳感器領(lǐng)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(yīng)用需求的不斷擴展，與光學(xué)測量和微光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的高精度微光機加速度傳感器的研究成為了一個重要發(fā)展方向。在現(xiàn)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(tǒng)機械式加速度傳感器。雖然種類繁多，但是現(xiàn)在的加速度傳感器的加速度精度最高只能達到納米量級，一種納米級的微加速度測量裝置是美國Sandia?National?Lab設(shè)計的雙光柵MEMS加速度傳感器，該裝置是利用光柵反射光強來測量微小加速度但該裝置只能測量到微米級加速度，難以達到更高的精度，主要限制因素是光強VS光柵加速度的曲線曲率較低，使得光強相對于加速度的變化較小。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本技術(shù)提供了一種脈沖微機械加速度傳感器，依據(jù)伍德異常現(xiàn)象中的一種特殊情況，即精確控制兩層光柵間隔在1/5的波長量級時，調(diào)整光柵的周期、占空比等參數(shù)，上下兩層光柵由于加速度對質(zhì)量塊的牽引發(fā)生微位移，反射光強相對于位移距離有脈沖式的變化，與一般的伍德異常光強變化相對于位移的平緩曲線相比，有更高的斜率，設(shè)計出傳感器能夠精確測量到ng量級以下的加速度變化，對于高精度加速度傳感領(lǐng)域的應(yīng)用來說，具有很重要的意義。本技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種脈沖微機械加速度傳感器，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；在每個T形光柵區(qū)頂面的左右兩側(cè)各刻蝕運動光柵；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。所述下層電容平板上與上層電容平板的四個運動光柵相對應(yīng)的位置刻蝕固定光柵，下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣。每組發(fā)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運動光柵正上方，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；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(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。所述光源為帶有準(zhǔn)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SiO2和800nm的Si3N4形成；所述運動光柵和固定光柵厚度均為950-965nm；光柵數(shù)均為30-80個，周期T均為1493-1500nm，占空比均為0.45-0.5；運動光柵與固定光柵的空氣間隙為300-400nm。進一步地，所述的光源為垂直腔表面發(fā)射激光器。本技術(shù)的有益效果是：本技術(shù)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕；探測信號信噪比高，能夠精確反映兩個維度加速度加速度變化；具有調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)靈活；測量精度高，突破了現(xiàn)有的加速度傳感器的探測精度；引入梳狀電極，動態(tài)范圍大，同時通過靜電力產(chǎn)生的微加速度與測量的微加速度平衡，保證運動光柵始終處于平衡位置，也即最靈敏的測量點位置，提高了系統(tǒng)測量精度，從而該器件能夠同時測量大加速度并保持較高精度；通過設(shè)計四組探測結(jié)構(gòu)，并對其獲得的加速度信號進行均分，可以大大提高信噪比；器件和基片易加工制作，成本比同類型的加速度傳感器低。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(tǒng)的體積。根據(jù)此特點，可以在加速度測量的小型化，高精度方面有著突破性進展。附圖說明圖1為本技術(shù)脈沖微機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)示意圖；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(chǎn)生的脈沖式變化曲線圖；圖9為圖8的脈沖局部放大圖；圖中，光源1、運動光柵2、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、質(zhì)量塊區(qū)域19。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本技術(shù)進一步說明。當(dāng)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。本技術(shù)依據(jù)伍德異常現(xiàn)象中的一種特殊情況，即精確控制兩層光柵間隔在1/5的波長量級時（300-400nm間隔），調(diào)整光柵的周期、占空比等參數(shù)，使得反射光強相對于由于加速度對質(zhì)量塊牽引產(chǎn)生的位移距離有脈沖式的變化。當(dāng)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這是一種特殊的伍德異常現(xiàn)象，與一般的伍德異常光強變化相對于位移的平緩曲線相比，有更高的斜率，能夠極大地放大微小位移和加速度的信號，能夠精確測量到ng量級以下的加速度變化。如圖1-7所示，本技術(shù)一種脈沖微機械加速度傳感器，包括四組發(fā)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(qū)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(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域19；在質(zhì)量塊區(qū)域19的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁10，上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域19相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板11上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域19和T形光柵區(qū)刻蝕通道；所述通道在質(zhì)量塊區(qū)域19的四個角上具有梳狀結(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17，與第一梳狀電極17配對的梳狀齒作為第二梳狀電極18，所述第二梳狀電極1本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種脈沖微機械加速度傳感器，其特征在于：包括四組發(fā)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(qū)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(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域（19）；在質(zhì)量塊區(qū)域（19）的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁（10），上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域（19）相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板（11）上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域（19）和T形光柵區(qū)刻蝕通道；所述通道在質(zhì)量塊區(qū)域（19）的四個角上具有梳狀結(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（17），與第一梳狀電極（17）配對的梳狀齒作為第二梳狀電極（18），所述第二梳狀電極（18）靠靜電力被第一梳狀電極（17）吸引或排斥；在每個T形光柵區(qū)頂面的左右兩側(cè)各刻蝕運動光柵（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）的四個運動光柵（2）相對應(yīng)的位置刻蝕固定光柵（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(fā)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）的運動光柵（2）正上方，光源（1）的下方設(shè)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(cè)，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(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊（14）；增反層（4）的兩側(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊（14）；電流驅(qū)動模塊（14）與信號處理模塊（13）相連；所述光源（1）為帶有準(zhǔn)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；所述運動光柵（2）和固定光柵（3）厚度均為950?965nm；光柵數(shù)均為30?80個，周期T均為1493?1500nm，占空比均為0.45?0.5；運動光柵（2）與固定光柵（3）的空氣間隙為300?400nm。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種脈沖微機械加速度傳感器，其特征在于：包括四組發(fā)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(qū)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(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域（19）；在質(zhì)量塊區(qū)域（19）的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁（10），上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域（19）相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板（11）上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域（19）和T形光柵區(qū)刻蝕通道；所述通道在質(zhì)量塊區(qū)域（19）的四個角上具有梳狀結(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（17），與第一梳狀電極（17）配對的梳狀齒作為第二梳狀電極（18），所述第二梳狀電極（18）靠靜電力被第一梳狀電極（17）吸引或排斥；在每個T形光柵區(qū)頂面的左右兩側(cè)各刻蝕運動光柵（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）的四個運動光柵（2）相對應(yīng)的位置刻蝕固定光柵（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(fā)射接收裝置包括光源（1）、分束...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王晨，白劍，吳陽陽，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：新型
國別省市：浙江;33
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