一種低g值光柵式MEMS加速度計制造技術(shù)

一種低g值光柵式MEMS加速度計，包括玻璃底座，玻璃底座一側(cè)連接有LED光源，另一側(cè)外部連接玻璃蓋板，玻璃底座和玻璃蓋板之間封裝有MEMS芯片，MEMS芯片上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)懸空設(shè)置，玻璃蓋板連接有光電檢測器；彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為一體加工，包括質(zhì)量塊固定框架以及質(zhì)量塊，質(zhì)量塊一端兩側(cè)通過彈簧和質(zhì)量塊固定框架連接，質(zhì)量塊另一端一側(cè)通過彈簧和質(zhì)量塊固定框架，質(zhì)量塊通過彈簧支撐而懸空；質(zhì)量塊上刻有指示光柵，玻璃蓋板上刻有標尺光柵，兩光柵呈一個小角度，LED光源通過玻璃底座照射到指示光柵和標尺光柵上產(chǎn)生莫爾條紋，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)將加速度信號轉(zhuǎn)移到光柵的位移變化上，通過檢測莫爾條紋的變化從得到加速度，本發(fā)明專利技術(shù)具有超低g值檢測、高靈敏度的優(yōu)點。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種低g值光柵式MEMS加速度計
本專利技術(shù)涉及加速度傳感器
，特別涉及一種低g值光柵式MEMS加速度計。
技術(shù)介紹
加速度傳感器被廣泛應用于地質(zhì)勘探，地震監(jiān)測及航空航天領(lǐng)域，隨著產(chǎn)業(yè)升級及生產(chǎn)工藝迭代發(fā)展，體積小、能耗低、精度高的微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度傳感器越來越具有取代傳統(tǒng)加速度傳感器成為主流的趨勢。MEMS加速度傳感器按照原理包括光電式、電容式、壓阻式、諧振式等，其中光電式加速度傳感器隨著光電檢測技術(shù)的發(fā)展，對于高精度、非接觸測量領(lǐng)域具有重要意義。Manalis等人利用MEMS集成光柵干涉高分辨率位移測量技術(shù)設(shè)計了一種微加速度計，但其尺寸較大，而且對工藝限制大，量程小，應用范圍受到了很大的限制；葉雄英等人在此基礎(chǔ)上，采用玻璃-質(zhì)量塊-玻璃的三明治結(jié)構(gòu)，大大減小了結(jié)構(gòu)的尺寸，降低了工藝難度，量程也得到了提升，但其靈敏度不高。張文濤等人設(shè)計了一種基于懸臂梁的光纖光柵加速度計，封裝、制作工藝簡單，但其應變不均勻，影響檢測；在此基礎(chǔ)上，他們又設(shè)計了一種純彎梁的光柵加速度計，解決了均勻應變的問題，并提高了靈敏度，但由于梁本身在測量過程中會發(fā)生變形，光柵處的變形也會不一致，導致測量誤差增大。馮麗爽等人在傳統(tǒng)的光柵干涉加速度傳感器的基礎(chǔ)上，通過增加一層下反射鏡而形成多光束干涉，提高了光學結(jié)構(gòu)的靈敏度,但也存在不均勻變形的現(xiàn)象；王瀟等人在其基礎(chǔ)上，提出了一種實用型、易于實現(xiàn)的微米級光柵加速度計差分檢測方法(DDM)，從而降低了共模噪聲，提高了微米級光柵加速度計的靈敏度，但其性能受到光強度波動的限制，而且差分電壓輸出可能會影響散粒噪聲附近的光學檢測。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)在低g值的檢測中分辨率差、靈敏度較低,容易受到光強度波動的限制，而且在測量過程中由于不均勻變形的現(xiàn)象會存在測量誤差增大的問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本專利技術(shù)的目的是提供一種低g值光柵式MEMS加速度計，采用反彈簧結(jié)構(gòu)和莫爾條紋相位檢測原理，具有超低g值檢測、高靈敏度的優(yōu)點。為達到上述目的，本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案是：一種低g值光柵式MEMS加速度計，包括設(shè)置在外殼5內(nèi)的玻璃底座3，玻璃底座3的一側(cè)內(nèi)部連接有LED光源4，玻璃底座3另一側(cè)外部連接玻璃蓋板2，玻璃底座3和玻璃蓋板2之間封裝有MEMS芯片6，MEMS芯片6設(shè)置在玻璃底座3上刻蝕出的下凹矩形槽內(nèi)，MEMS芯片6和LED光源4的電路板連接，MEMS芯片6上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)懸空設(shè)置；玻璃蓋板2的另一側(cè)中間刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽內(nèi)連接有光電檢測器1；所述的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為一體加工而成，包括四周的質(zhì)量塊固定框架6-4以及位于中間的質(zhì)量塊6-1，質(zhì)量塊6-1一端兩側(cè)通過彈簧6-3和質(zhì)量塊固定框架6-4連接，質(zhì)量塊6-1另一端一側(cè)通過彈簧6-3和質(zhì)量塊固定框架6-4，質(zhì)量塊6-1通過彈簧6-3支撐而懸空，實現(xiàn)單個方向的自由運動；所述的質(zhì)量塊6-1上刻有一排指示光柵6-2，所述的玻璃蓋板2上刻有一排標尺光柵2-1，標尺光柵2-1與指示光柵6-2有相同光柵常數(shù)，并且兩光柵呈一個小角度θ，LED光源4通過玻璃底座3照射到指示光柵6-2和標尺光柵2-1組成的光柵組上。所述彈簧6-3采用反彈簧結(jié)構(gòu)。所述質(zhì)量塊6-1由硅基底加工而成，硅基厚度為30μm。所述的玻璃底座3的下凹矩形槽和玻璃蓋板2上的下凹矩形槽采用濕法刻蝕工藝獲得，并保證兩下凹矩形槽面之間的平行度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果為：預應力彈簧結(jié)構(gòu)以其濾波效應和獨特的力學效應，被最早用于機械降噪。其特點是當受到的力達到一定范圍時，發(fā)生“軟彈簧效應”，此時胡克定律不再適用。基于此，設(shè)計出利用反彈簧效應的微重力加速度傳感器。對于μg(10-6g)下的加速度檢測，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的位移通常在nm(10-9m)級別，這就需要高分辨率的位移檢測技術(shù)，現(xiàn)有的光柵技術(shù)已經(jīng)能夠達到nm及更小數(shù)量級的分辨率，且適合低頻信號的檢測，能很好地適應需求。本專利技術(shù)光柵式MEMS加速度計，其彈簧質(zhì)量系統(tǒng)采用整體加工制成，采用非對稱反彈簧的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)低通濾波及放大振動的功能，提高了檢測系統(tǒng)的靈敏度。其質(zhì)量塊和蓋板上的光柵通過莫爾條紋現(xiàn)象，根據(jù)相位變化，能實現(xiàn)至少nm級的位移檢測。其上下底座和蓋板采用玻璃刻蝕工藝，保證了光的通透性和器件的安裝精度。通過光柵技術(shù)與MEMS工藝相結(jié)合，實現(xiàn)加速度的測量，得到一種高靈敏度、小尺寸、高精度的加速度計。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是莫爾條紋檢測位移的原理圖。圖3是本專利技術(shù)的主視圖。圖4是本專利技術(shù)的玻璃底座(帶芯片)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本專利技術(shù)MEMS芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本專利技術(shù)MEMS芯片的俯視圖。圖7是本專利技術(shù)玻璃蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)作詳細描述。參照圖1和圖2，一種低g值光柵式MEMS加速度計，包括設(shè)置在外殼5內(nèi)的玻璃底座3，玻璃底座3的一側(cè)內(nèi)部連接有LED光源4，玻璃底座3另一側(cè)外部連接玻璃蓋板2，玻璃底座3和玻璃蓋板2之間封裝有MEMS芯片6，MEMS芯片6設(shè)置在玻璃底座3上刻蝕出的下凹矩形槽內(nèi)，MEMS芯片6和LED光源4的電路板連接，MEMS芯片6上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)懸空設(shè)置；玻璃蓋板2的另一側(cè)中間刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽內(nèi)連接有光電檢測器1。參照圖3、圖4和圖5，所述的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為一體加工而成，包括四周的質(zhì)量塊固定框架6-4以及位于中間的質(zhì)量塊6-1，質(zhì)量塊6-1一端兩側(cè)通過彈簧6-3和質(zhì)量塊固定框架6-4連接，質(zhì)量塊6-1另一端一側(cè)通過彈簧6-3和質(zhì)量塊固定框架6-4，形成質(zhì)量塊固定框架/彈簧/質(zhì)量塊/彈簧/質(zhì)量塊固定框架的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊6-1通過彈簧6-3支撐而懸空，實現(xiàn)單個方向的自由運動；所述質(zhì)量塊6-1由硅基底加工而成，硅基厚度為30μm；所述彈簧6-3采用反彈簧結(jié)構(gòu)，且三個彈簧6-3形成非對稱布置。所述的質(zhì)量塊6-1上刻有一排指示光柵6-2，指示光柵6-2隨質(zhì)量塊6-1運動。參照圖6，所述的玻璃蓋板2為透明玻璃制成，其上刻有一排標尺光柵2-1，標尺光柵2-1與MEMS芯片6上的指示光柵6-2有相同光柵常數(shù)，并且兩光柵呈一個小角度θ。所述的玻璃底座3為透明玻璃制成，其上的下凹矩形槽和玻璃蓋板2上的下凹矩形槽采用濕法刻蝕工藝獲得，并保證兩下凹矩形槽面之間的平行度。本專利技術(shù)的工作原理為：參照圖7，LED光源4通過玻璃底座3照射到指示光柵6-2和標尺光柵2-1組成的光柵組上，由于指示光柵6-2和標尺光柵2-1呈小角度θ，產(chǎn)生莫爾條紋的現(xiàn)象，光柵柵距為W,則莫爾條紋的寬度B為當光柵移動一個柵格時，莫爾條紋相應移動一格，通過光電檢測器1檢測出條紋信號，經(jīng)過細分處理后得到兩個相位相差90°的正弦信號，并經(jīng)過標準化處理后，得即得到敏感元件的位移x，根據(jù)運動方程由于對方程進行拉氏變換，得到令s＝j(luò)ω0,整理得當ω＜＜ω0時其所受到的加速度為A＝ω02X本專利技術(shù)光柵式MEMS加速度計，其彈簧質(zhì)量系統(tǒng)采用整體加工制成，采用反彈簧的結(jié)構(gòu)，增大了靈敏度和可靠性。其玻璃底座3和玻璃蓋板2采用玻璃刻蝕工藝，保證了光的通透性和器件的安裝。質(zhì)量塊6-1和玻璃蓋板2分別刻有光柵，當質(zhì)量塊6-1加載外力運動，兩者產(chǎn)生的莫爾條紋發(fā)生位移變化，通過光電檢測器1檢測出來。通過光柵技術(shù)與MEMS本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種低g值光柵式MEMS加速度計，包括設(shè)置在外殼(5)內(nèi)的玻璃底座(3)，其特征在于：玻璃底座(3)的一側(cè)內(nèi)部連接有LED光源(4)，玻璃底座(3)另一側(cè)外部連接玻璃蓋板(2)，玻璃底座(3)和玻璃蓋板(2)之間封裝有MEMS芯片(6)，MEMS芯片(6)設(shè)置在玻璃底座(3)上刻蝕出的下凹矩形槽內(nèi)，MEMS芯片(6)和LED光源(4)的電路板連接，MEMS芯片(6)上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)懸空設(shè)置；玻璃蓋板(2)的另一側(cè)中間刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽內(nèi)連接有光電檢測器(1)；所述的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為一體加工而成，包括四周的質(zhì)量塊固定框架(6?4)以及位于中間的質(zhì)量塊(6?1)，質(zhì)量塊(6?1)一端兩側(cè)通過彈簧(6?3)和質(zhì)量塊固定框架(6?4)連接，質(zhì)量塊(6?1)另一端一側(cè)通過彈簧(6?3)和質(zhì)量塊固定框架(6?4)，質(zhì)量塊(6?1)通過彈簧(6?3)支撐而懸空，實現(xiàn)單個方向的自由運動；所述的質(zhì)量塊(6?1)上刻有一排指示光柵(6?2)，玻璃蓋板(2)上刻有一排標尺光柵(2?1)，標尺光柵(2?1)與指示光柵(6?2)有相同光柵常數(shù)，并且兩光柵呈一個小角度θ，LED光源(4)通過玻璃底座(3)照射到指示光柵(6?2)和標尺光柵(2?1)組成的光柵組上。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種低g值光柵式MEMS加速度計，包括設(shè)置在外殼(5)內(nèi)的玻璃底座(3)，其特征在于：玻璃底座(3)的一側(cè)內(nèi)部連接有LED光源(4)，玻璃底座(3)另一側(cè)外部連接玻璃蓋板(2)，玻璃底座(3)和玻璃蓋板(2)之間封裝有MEMS芯片(6)，MEMS芯片(6)設(shè)置在玻璃底座(3)上刻蝕出的下凹矩形槽內(nèi)，MEMS芯片(6)和LED光源(4)的電路板連接，MEMS芯片(6)上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)懸空設(shè)置；玻璃蓋板(2)的另一側(cè)中間刻有下凹矩形槽，下凹矩形槽內(nèi)連接有光電檢測器(1)；所述的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為一體加工而成，包括四周的質(zhì)量塊固定框架(6-4)以及位于中間的質(zhì)量塊(6-1)，質(zhì)量塊(6-1)一端兩側(cè)通過彈簧(6-3)和質(zhì)量塊固定框架(6-4)連接，質(zhì)量塊(6-1)另一端一側(cè)通過彈簧(6-3)和質(zhì)量塊固定框架(6-4)，質(zhì)量塊(6-1)通...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：韋學勇，蔣康力，張宏才，段宇興，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61