[发明专利]组合光栅微机械加速度传感器及其测量加速度的方法

权利要求书

1.一种组合光栅微机械加速度传感器，其特征在于，包括四组发射接收装置、增反层（4）、第一固定底座（9）、第二固定底座（15）、回形悬臂梁（10）、上层电容平板（11）、下层电容平板（12）、信号处理模块（13）和电流驱动模块（14）；所述上层电容平板（11）的一端与第一固定底座（9）相连，另一端与第二固定底座（15）相连；上层电容平板（11）的正中间设有质量块区域（22）；在质量块区域（22）的左右两侧刻蚀回形悬臂梁（10），上下两端各设有一与质量块区域（22）相连的T形光栅区，在上层电容平板（11）上围绕质量块区域（22）和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域（22）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（17），与第一梳状电极（17）配对的梳状齿作为第二梳状电极（18），所述第二梳状电极（18）靠静电力被第一梳状电极（17）吸引或排斥；

所述T形光栅区顶面的两侧边缘具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅（20），在T形光栅区的顶面内侧对称刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第一运动光栅（2）；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反层（4）上并与增反层（4）电连接；

所述下层电容平板（12）上与上层电容平板（11）的四个第一运动光栅（2）相对应的位置刻蚀与第一运动光栅（2）结构相同的第一固定光栅（3），与四个第二运动光栅（20）相对应的位置刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第二固定光栅（21）；所述第一固定光栅（3）的横向初始位置与第一运动光栅（2）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述第二固定光栅（21）的横向初始位置与第二运动光栅（20）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板（12）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；

每组发射接收装置包括两组发射接收器，每组发射接收器包括光源（1）、分束器（16）、第一红外光电探测器（5）、第一聚焦透镜组（6）、第二红外光电探测器（7）和第二聚焦透镜组（8）；每组发射接收装置的两个光源（1）分别置于上层电容平板（11）的第一运动光栅（2）和第二运动光栅（20）的正上方，光源（1）的下方设有分束器（16），第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）对称置于光源（1）的两侧，第一聚焦透镜组（6）置于第一红外光电探测器（5）的正下方，第二聚焦透镜组（8）置于第二红外光电探测器（7）的正下方；八个第一红外光电探测器（5）和八个第二红外光电探测器（7）均与信号处理模块（13）相连；下层电容平板（12）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；增反层（4）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；电流驱动模块（14）与信号处理模块（13）相连；

所述光源（1）为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层（4）由Si基底上依次镀有600nm的SiO₂和800nm的Si₃N₄形成；

所述第一运动光栅（2）、第二运动光栅（20）、第一固定光栅（3）和第二固定光栅（21）的厚度均为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；第一运动光栅（2）和第一固定光栅（3）的空气间隙为300-400nm；第二运动光栅（20）与第二固定光栅（21）的空气间隙为1000nm-1200nm。

2.根据权利要求1所述组合光栅微机械加速度传感器，其特征在于：所述的光源（1）为垂直腔表面发射激光器。

3.一种利用权利要求1所述组合光栅微机械加速度传感器测量加速度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

每组发射接收装置的两个光源（1）发出的光均通过分束器（16）产生两路激光，其中，两个光源（1）的一路激光均照射到上层电容平板（11）没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组（6）照射到第一红外光电探测器（5）上；一个光源的另一路激光依次通过上层电容平板（11）的第一运动光栅（2）、下层电容平板（12）的第一固定光栅（3）和增反层（4）后，经过增反层（4）反射的光束通过第二聚焦透镜组（8）照射到第二红外光电探测器（7）上；另一个光源的另一路激光依次通过上层电容平板（11）的第二运动光栅（20）、下层电容平板（12）的第二固定光栅（21）和增反层（4）后，经过增反层（4）反射的光束通过第二聚焦透镜组（8）照射到第二红外光电探测器（7）上；

每组发射接收装置的两个第一红外光电探测器（5）和两个第二红外光电探测器（7）上接收到的光强信号传送到信号处理模块（13）进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号；电流驱动模块（14）输出电流到上层电容平板（11）和下层电容平板（12），通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，当得到的脉冲式光强变化信号的线宽最窄时，锁定此时给予电容平板的电流；当上层电容平板（11）和下层电容平板（12）由于加速度对质量块（22）的牵引发生横向相对位移时产生一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，调整提供给第一梳状电极（17）和第二梳状电极（18）的电流，使得第一运动光栅（2）和第一固定光栅（20）横向相对位置保持在平缓光强变化曲线斜率最大的位置，该位置即为同时使得第二运动光栅（3）和第二固定光栅（21）产生脉冲式光强信号峰值的相对位置，利用脉冲的极窄线宽，锁定此时给予梳状电极的电流，记为横向初始位置，即锁定平缓光强变化曲线斜率最大的位置；当上层电容平板（11）和下层电容平板（12）再次由于加速度对质量块（22）的牵引发生横向相对位移时，通过电流驱动模块（14）驱动第一梳状电极（17）和第二梳状电极（18），将运动光栅拉回到锁定的横向初始位置，计算输出的电流，根据回形悬臂梁的弹性系数和质量块的质量，计算出输入的加速度大小；对八个第一红外光电探测器（5）和八个第二红外光电探测器（7）采集的信号进行分析得到的四组加速度大小取平均，得到最终的加速度；若由于外界震动的原因造成上层电容平板（11）和下层电容平板（12）之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块（14）再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。