[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

说明书

技术领域

本发明涉及光学加速度传感器领域，尤其涉及一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计。

背景技术

加速度计是测量物体加速度的传感器，作为惯性导航系统的关键部件之一，加速度计在航空航天、抗振动测量、地震监测和交通运输等方面都有着广泛应用。微加速度计是微型惯性导航系统的核心器件之一，相比于传统加速度计有着体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高和易集成等优点。现在，微加速度计的实际应用已经扩展至自动控制、汽车制动启动检测、报警系统、各种玩具、结构物与环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析、电子数码产品，高层建筑结构动态特性测量等各个领域。事实上，无论是加速度计还是微加速度计，低精度的还是高精度的，它们的应用范围都在不断扩展中。当然，微加速度计最大的需求是来源于国防上的要求。近年来，我国在军事和国防研究领域，尤其是导弹、运载火箭与舰船等新式武器方面取得了非常大的进步。这些国防应用就为不同灵敏度、多测试维度、大动态范围的微加速度计的研制提出了要求。

现有的微加速度计通常是采用电容式、压电式或者压阻式的方法，以电容式为例，电容的变化与位移的平方成正比，而其位移的分辨率有限，因此在保证质量块微小尺寸的前提下很难做到高分辨率。而光学加速度计以其精度高、防电磁干扰的特点也逐渐成为近些年来国内外的研究热点。例如：美国专利申请号为US2013327146的“Optical Accelerometer System”，公开了一种基于线偏振光的光学腔系统。它包括一个线偏振光源、带有弹簧、四分之一波片和反射镜的光学腔以及至少一个的光电探测器。外部加速度的输入会导致反射回的光强信号ACCEL的频率与光学腔中的反射镜的运动相关，这样就可以建立起ACCEL与外部加速度的关系，通过探测ACCEL的频率变化即可计算得到外界输入的加速度值。但是这种光学加速度计系统庞大且用到的频率探测方法精度不高，很难做到小型化和高精度。

近年来，包括MEMS和NEMS在内的微纳加工工艺逐渐成熟，微纳加工技术的发展也带来了集成光学的发展。集成光学器件技术的发展为包括加速度计在内的光学传感器提供了新的发展方向，通过将各种元件集成在一个衬底上可以实现传感器的体积进一步缩小，而且集成光学传感器还具有较高的稳定性、可靠性和较低的成本。微纳加工技术可以用来研制高集成度和高精度的光学NEMS加速度计。

如能将光学加速度计和微加速度计的优势结合起来，一种高性能的加速度计是有可能实现的。例如：美国专利号为US8783106B1的“Micromachined Force-balance Feedback Accelerometer with Optical Displacement Detection”，公开了一种基于位移传感的带有力反馈的光学微加速度计。这种微加速度计能较好地做到集成，并且利用了F-P腔干涉的原理，拥有较高的位移测量精度。但是该加速度计的制作工艺相当复杂，不利于大规模制造，集成度还可以继续提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有的技术不足，提供一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计。

本发明的目的可以通过以下两个技术方案来实现：一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，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、四个悬臂梁和基底组成，所述SOI为Si-SiO2-Si的三层结构；所述悬臂梁为蛇形梁结构；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和四个悬臂梁，其中，光栅位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁中心对称地分布在光栅的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔；最后通过镀膜的方式在光栅表面和透过光栅的基底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、两个光电探测器、上层基底层、支撑和连接部分、处理电路和计算机；上层基底层通过支撑和连接部分与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器和光电探测器均固定在上层基底层下方，VCSEL激光器位于光栅中心的正上方，两个光电探测器对称分布在±1级衍射级次上，均与处理电路相连，处理电路与计算机相连。