[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

摘要

本发明公开了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，该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。本发明大大缩小了系统的体积，而且引入了梳状电极、电容平板作为静电力回复闭环器件，能够精确对位移进行探测，扩大了探测器的动态范围；通过一组光栅产生的脉冲式光强变化信号来锁定另一组光栅产生的平缓光强变化信号斜率最大的位置，从而测量由于加速度牵引质量块所产生的位移；实现了传感系统的小型化、高精度，在航空、军事领域都有很广泛的应用前景。

主权项

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。