[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

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种组合光栅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，随着对微机械位移传感器性能要求的提高，特别是中高精度位移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，隧道式加速度传感器。虽然种类繁多，但是现在的加速度传感器的位移精度最高只能达到ng量级，一种ng量级的微位移测量装置是美国Sandia National Lab设计的双光栅MEMS位移传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小加速度，通过信号光强变化来将光栅锁定在测量加速度最灵敏的位置，由于光强变化曲线相对平缓，无法准确区分光强的变化由于外界环境导致还是加速度导致的，因此无法精确将光栅锁定在加速度最灵敏的位置，测量精度不高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的步不足，提供一种组合光栅微机械加速度传感器及其测量加速度的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种组合光栅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。

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，在T形光栅区的顶面内侧对称刻蚀与第二运动光栅结构相同的第一运动光栅；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第一运动光栅相对应的位置刻蚀与第一运动光栅结构相同的第一固定光栅，与四个第二运动光栅相对应的位置刻蚀与第二运动光栅结构相同的第二固定光栅；所述第一固定光栅的横向初始位置与第一运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述第二固定光栅的横向初始位置与第二运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘。

所述每组发射接收装置包括两组发射接收器，所述每组发射接收器包括光源、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；每组发射接收装置的两个光源分别置于上层电容平板的第一运动光栅和第二运动光栅的正上方，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；八个第一红外光电探测器和八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。

所述第一运动光栅、第二运动光栅、第一固定光栅和第二固定光栅的厚度均为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；第一运动光栅和第一固定光栅的空气间隙为300-400nm；第二运动光栅与第二固定光栅的空气间隙为1000nm-1200nm。

进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。

一种利用上述组合光栅微机械加速度传感器测量加速度的方法，包括以下步骤：