[发明专利]抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计

权利要求书

1.一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述加速度计主要由封装外壳（14）和布置在封装外壳（14）中的微机械加速度敏感单元（1）和光学微位移测量单元（2）组成，微机械加速度敏感单元（1）位于光学微位移测量单元（2）正下方；所述微机械加速度敏感单元（1）从上到下依次为光栅（3）、质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构和下限位板（8），所述的光学微位移测量单元（2）和微机械加速度敏感单元（1）均通过聚合物固定封装材料（13）封装在封装外壳（14）中；

所述光学微位移测量单元（2）包括VCSEL激光器（9）、光电探测器一（10）、光电探测器二（11）和信号处理电路（12），VCSEL激光器（9）固定在光栅（3）中间正上方的封装外壳（14）内顶面，光电探测器一（10）和光电探测器二（11）固定在光栅（3）同一侧方的封装外壳（14）内顶面，信号处理电路（12）固定在光栅（3）另一侧方的封装外壳（14）内顶面；VCSEL激光器（9）出射激光（15）垂直入射到光栅（3）表面，经光栅（3）和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构反射衍射后的出射光被光电探测器一（10）和光电探测器二（11）接收，光电探测器一（10）和光电探测器二（11）中的其中一个光电探测器置于从光栅（3）出射的第一级干涉衍射光束（16）上；

所述质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构包括硅基底（4）、质量块（6）和悬臂梁（7），光栅（3）置于硅基底（4）顶面，硅基底（4）中心开有方形通槽，质量块（6）置于方形通槽中，光栅（3）和质量块（6）上表面严格平行，质量块（6）四周侧面分别经各自的悬臂梁（7）与方形通槽的内侧面连接，各个悬臂梁（7）结构相同并以质量块（6）中心呈中心对称分布在质量块（6）四周，硅基底（4）底面置于下限位板（8）上，下限位板（8）中位于方形通槽正下方的部分采用柔性微限位结构；质量块（6）上表面镀有高反膜（5），高反膜（5）与光栅（3）构成微纳光腔；

所述下限位板（8）的柔性微限位结构为开设在下限位板（8）上部的多层间隔层叠布置的单晶硅厚膜（24），相邻层单晶硅厚膜（24）之间有空气间隙（23），最上层的单晶硅厚膜（24）上覆盖有聚对二甲苯薄膜（22）作为柔性缓冲层；

所述光栅（3）充当上限位板；

所述质量块（6）上下表面经过对称刻蚀使得厚度小于硅基底（4）的厚度，为质量块（6）与上下限位板间提供空气间隙；

微机械加速度敏感单元（1）和光学微位移测量单元（2）均通过聚合物固定封装材料（13）进行固定封装；其中VCSEL激光器（9）用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在聚合物固定封装材料（13）端面上开有作为激光出射的小孔；两个光电探测器同样用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在探测器光敏面所在的聚合物固定封装材料（13）端面开有作为接收的窗口；信号处理电路（12）用聚合物固定封装材料（13）固定；三明治式微机械加速度敏感单元（1）用聚合物固定封装材料（13）包裹固连在封装外壳（14）上，在光栅（3）栅线区域留出透光窗口。

2.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅（3）材料为透明的石英片，上面镀有铬膜，并通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅结构。

3.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅（3）和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底（4）上表面通过硅玻璃阳极键合，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底（4）下表面和下限位板（8）通过硅硅键合。

4.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：每层单晶硅厚膜（24）的厚度为20~50μm，面积与方形通槽大小相同，相邻层单晶硅厚膜（24）之间有0.5~1μm的空气间隙（23）。

5.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的质量块（6）厚度为悬臂梁（7）厚度的20~60倍。