[发明专利]脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法。

背景技术

近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制作工艺为基础的微机械传感器的到了快速的发展。微机械传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，迅速占领了各种传感器领域，例如微机械加速度传感器等。目前，随着对微机械加速度传感器性能要求的提高，特别是中高精度加速度传感应用需求的不断扩展，与光学测量和微光学技术相结合的高精度微光机加速度传感器的研究成为了一个重要发展方向。

在现有的报到中加速度传感器主要分为电感式加速度传感器，电容式加速度传感器，传统机械式加速度传感器。虽然种类繁多，但是现在的加速度传感器的加速度精度最高只能达到纳米量级，一种纳米级的微加速度测量装置是美国Sandia National Lab设计的双光栅MEMS加速度传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小加速度但该装置只能测量到微米级加速度，难以达到更高的精度，主要限制因素是光强VS光栅加速度的曲线曲率较低，使得光强相对于加速度的变化较小。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法，依据伍德异常现象中的一种特殊情况，即精确控制两层光栅间隔在1/5的波长量级时，调整光栅的周期、占空比等参数，上下两层光栅由于加速度对质量块的牵引发生微位移，反射光强相对于位移距离有脉冲式的变化，与一般的伍德异常光强变化相对于位移的平缓曲线相比，有更高的斜率，设计出传感器能够精确测量到ng量级以下的加速度变化，对于高精度加速度传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种脉冲微机械加速度传感器，包括四组发射接收装置、增反层、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块；所述上层电容平板的一端与第一固定底座相连，另一端与第二固定底座相连；上层电容平板的正中间设有质量块区域；在质量块区域的左右两侧刻蚀回形悬臂梁，上下两端各设有一与质量块区域相连的T形光栅区，在上层电容平板上围绕质量块区域和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域的四个角上具有梳状结构，梳状结构在质量块区域形成的梳状齿作为第一梳状电极，与第一梳状电极配对的梳状齿作为第二梳状电极，所述第二梳状电极靠静电力被第一梳状电极吸引或排斥；在每个T形光栅区顶面的左右两侧各刻蚀运动光栅；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上并与增反层电连接。

所述下层电容平板上与上层电容平板的四个运动光栅相对应的位置刻蚀固定光栅，下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘。

每组发射接收装置包括光源、分束器、第一红外光电探测器、第一聚焦透镜组、第二红外光电探测器和第二聚焦透镜组；光源置于上层电容平板的运动光栅正上方，光源的下方设有分束器，第一红外光电探测器和第二红外光电探测器对称置于光源的两侧，第一聚焦透镜组置于第一红外光电探测器的正下方，第二聚焦透镜组置于第二红外光电探测器的正下方；四个第一红外光电探测器和四个第二红外光电探测器均与信号处理模块相连；下层电容平板的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；增反层的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；电流驱动模块与信号处理模块相连。

所述光源为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层由Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成；所述运动光栅和固定光栅厚度均为950-965nm；光栅数均为30-80个，周期T均为1493-1500nm，占空比均为0.45-0.5；运动光栅与固定光栅的空气间隙为300-400nm。

进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。

一种利用上述脉冲微机械加速度传感器测量加速度的方法，包括以下步骤：

每组发射接收装置的光源发出的光通过分束器产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组照射到第一红外光电探测器上；另一路激光依次通过上层电容平板的运动光栅、下层电容平板的固定光栅和增反层后，经过增反层反射的光束通过第二聚焦透镜组照射到第二红外光电探测器上；