[发明专利]抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计

说明书

本发明公开了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。主要由封装外壳和布置在封装外壳中的微机械加速度敏感单元和光学微位移测量单元组成，微机械加速度敏感单元位于光学微位移测量单元正下方；微机械加速度敏感单元从上到下依次为光栅、质量块‑悬臂梁‑硅基底微机械结构和下限位板。微机械加速度敏感单元将外界输入的加速度转化为质量块的位移，光学微位移测量单元将位移量转化为电信号并实现高精度的加速度测量。本发明能保证微机械结构在大冲击下不失效，固定封装的光学微位移测量单元能保证各个光学元件在大冲击下不损毁，相对位置保持不变，从而实现抗大冲击的高精度加速度测量。

技术领域

本发明属于光学微加速度传感器技术领域，涉及了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。

背景技术

飞行器的惯性导航，电磁炮发射，爆炸侵彻等领域，不仅对加速度计的测量灵敏度和精度有一定的要求，并且对抗大冲击的性能也提出了很高的要求。同时，为了满足现有先进装备和战略武器装备的小型化、集成化需求，设计制作高性能的微型加速度计也成为了现阶段加速度计的研究重点之一。

目前已经有了很多具有高测量精度的加速度计，如冷原子干涉加速度计[Canuel,B.,et al.,Six-Axis Inertial Sensor Using Cold-Atom Interferometry.PhysicalReview Letters,2006.97:010402.]、基于微光纤的光学加速度计[Chen,G.Y.,et al.,Theoretical and experimental demonstrations of a microfiber-based flexuraldisc accelerometer.Opt Lett.,2011.36(18):p.3669-71.]、隧穿式加速度计[Hiu,C.H.,et al.,A High-Precision,Wide-Bandwidth Micromachined TunnelingAccelerometer.Journal of Microelectromechanical Systems,2001.10(3):p.425-433.]，但是它们在承受巨大冲击后无法正常工作，并且冷原子干涉型加速度计也很难实现小型化。微机电系统(MEMS)加速度计已有许多实例可以抵抗高冲击，比如美国专利号为US7013730B2的专利“Internally shock caged serpentine flexure for micro-machined accelerometer”公开了一种抗冲击的MEMS加速度计，该设计通过引入限位缓冲块和调整弹性结构的宽度实现了良好的抗冲击性能，该种MEMS加速度计可以抵抗16000到20000g的冲击；世界专利号为WO2012/047996A1的专利“Shock resistant mounting forhigh gshock Accelerometer”提出了一种基于无引线芯片载体(LLC)的抗冲击MEMS加速度计，该设计通过将MEMS加速度敏感单元封装进高弹性的无引线芯片载体的方式实现了进一步的抗冲击性能，该种MEMS加速度计最高可以抵抗300000g的冲击。现有许多文献也报道了多种抗大冲击的MEMS加速度计，例如Jiachou Wang等人曾报道了一种双悬臂梁型MEMS加速度计，该种加速度计采用自限位保护面来抵抗冲击，可以抵抗20500g的冲击[Wang,J.andX.Li,A High-Performance Dual-Cantilever High-Shock Accelerometer Single-SidedMicromachined in(111)Silicon Wafers.Journal of MicroelectromechanicalSystems,2010.19(6):p.1515-1520.]；Kebin Fan等人提出了一种基于键合铰链的MEMS加速度计，并实验证明该种加速度计可以抵抗44614g的冲击[Dong,J.,et al.,Siliconmicromachined high-shock accelerometers with a curved-surface-applicationstructure for over-range stop protection and free-mode-resonancedepression.Journal of Micromechanics and Microenigneering,2002.12:p.742-746.]；Peitao Dong等人提出了能够承受50000到100000g冲击的三轴压阻式MEMS加速度计[Dong,P.,et al.,High-performance monolithic triaxial piezoresistive shockaccelerometers.Sensors and Actuators A:Physical,2008.141(2):p.339-346.]。在大冲击应用场合，MEMS加速度计可以通过加入限位措施或者提高弹性机构的刚度来提升抗冲击性能，目前已可以有效抵抗大于10000g的冲击。但是，基于MEMS的加速度计由于其测量原理的限制(电容、压阻、压电等形式由于工艺误差的存在)，很难实现高加速度测量灵敏度和测量精度。以上所述的抗高冲击MEMS加速度计的典型灵敏度在μV/g的量级，很难满足高测量灵敏度及精度的需求。