[发明专利]基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计

权利要求书

1.一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅（1）、四个悬臂梁（2）和基底（3）组成，所述SOI为Si-SiO₂-Si的三层结构；所述悬臂梁（2）为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅（1）和四个悬臂梁（2），其中，光栅（1）位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁（2）中心对称地分布在光栅（1）的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔（4）；最后通过镀膜的方式在光栅（1）表面和透过光栅（1）的基底（3）区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅（1）充当质量块的角色，其光栅周期为1.5-2μm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器（5）、两个光电探测器（6）、上层基底层（7）、支撑和连接部分（8）、处理电路（9）和计算机（10）；上层基底层（7）通过支撑和连接部分（8）与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器（5）和光电探测器（6）均固定在上层基底层（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光栅（1）中心的正上方，两个光电探测器（6）对称分布在                                                级衍射级次上，均与处理电路（9）相连，处理电路（9）与计算机（10）相连；

由VCSEL激光器（5）出射的激光经过准直垂直入射到光栅（1）上，经过光栅（1）反射衍射出0级、级和级衍射光，而透射经过光栅（1）的光束被基底（3）表面所镀金属膜反射后再次经过光栅（1）发生衍射，同样形成级、级和级衍射光，两次产生的衍射光相干叠加形成干涉光斑；当光栅（1）受到外界加速度作用时，光栅（1）在垂直方向发生位移，位移量与加速度在弹性范围内成线性关系；干涉光斑的光强随着光栅（1）的垂直位移发生变化，但干涉光斑的位置不变；通过光学位移测量系统测得光栅（1）的位移量即可最终得到加速度值。

2.一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅（1）、四个悬臂梁（2）和基底（3）组成，所述SOI为Si-SiO₂-Si的三层结构；所述悬臂梁（2）为蛇形梁结构；在SOI基底上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅（1）和四个悬臂梁（2），其中，光栅（1）位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁（2）中心对称地分布在光栅（1）的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔（4）；最后通过镀膜的方式在光栅（1）表面和透过光栅（1）的基底（3）区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅（1）充当质量块的角色，其光栅周期为500-700nm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器（5）、光电探测器（6）、上层基底层（7）、支撑和连接部分（8）、处理电路（9）和计算机（10）和分光棱镜（11）；上层基底层（7）通过支撑和连接部分（8）与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器（5）和光电探测器（6）均固定在上层基底层（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光栅（1）中心的正上方；分光棱镜（11）位于VCSEL激光器（5）的正下方；光电探测器（6）固定在支撑和连接部分（8）的内侧壁上，从分光棱镜（11）出射的光束垂直于光电探测器（6）的光敏面；光电探测器（6）与处理电路（9）相连，处理电路（9）与计算机（10）相连；

由VCSEL激光器5出射的激光经过准直垂直入射到光栅（1）上，光束经过光栅（1）、空气间隔（4）和基底（3）反射再经过光栅（1），由于光栅周期小于光波长，衍射消失但存在伍德异常现象；当光栅（1）相对基底（3）发生微小位移时，透射的光强会发生剧烈变化；在反射光路中放置分光棱镜（11）使反射光强被光电探测器（6）接收，经过处理电路（9）和计算机（10）对光强进行采集和细分，通过光强的变化实现高精度的位移测量，并最终测得加速度值。

3.根据权利要求1或2所述一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，所述每个悬臂梁（2）宽度为300nm~500nm，具有20-60的弯折数，每一个弯折的长度为10-20μm，光栅（1）和悬臂梁（2）的厚度均为250nm~1μm，空气间隙（4）为2-5μm。