[發(fā)明專利]基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410402873.5
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號: CN104166015A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧乾波;廉文秀;婁樹旗;白劍
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/093
• 分類號: G01P15/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計，其特征在于，由加速度敏感系統(tǒng)和光學位移測量系統(tǒng)組成，所述加速度敏感系統(tǒng)由單片SOI上的光柵（1）、四個懸臂梁（2）和基底（3）組成，所述SOI為Si-SiO₂-Si的三層結(jié)構(gòu)；所述懸臂梁（2）為蛇形梁結(jié)構(gòu)；在SOI基底上的硅器件層進行電子束曝光或者利用聚焦離子束刻蝕出光柵（1）和四個懸臂梁（2），其中，光柵（1）位于加速度敏感系統(tǒng)的中央，四個懸臂梁（2）中心對稱地分布在光柵（1）的周圍；然后通過HF釋放二氧化硅犧牲層得到空氣間隔（4）；最后通過鍍膜的方式在光柵（1）表面和透過光柵（1）的基底（3）區(qū)域鍍上高反射率的金屬膜形成類光柵光閥結(jié)構(gòu)；在加速度敏感系統(tǒng)中光柵（1）充當質(zhì)量塊的角色，其光柵周期為1.5-2μm；所述光學位移測量系統(tǒng)包括：VCSEL激光器（5）、兩個光電探測器（6）、上層基底層（7）、支撐和連接部分（8）、處理電路（9）和計算機（10）；上層基底層（7）通過支撐和連接部分（8）與加速度敏感系統(tǒng)裝配在一起，VCSEL激光器（5）和光電探測器（6）均固定在上層基底層（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光柵（1）中心的正上方，兩個光電探測器（6）對稱分布在????????????????????????????????????????????????級衍射級次上，均與處理電路（9）相連，處理電路（9）與計算機（10）相連；

由VCSEL激光器（5）出射的激光經(jīng)過準直垂直入射到光柵（1）上，經(jīng)過光柵（1）反射衍射出0級、級和級衍射光，而透射經(jīng)過光柵（1）的光束被基底（3）表面所鍍金屬膜反射后再次經(jīng)過光柵（1）發(fā)生衍射，同樣形成級、級和級衍射光，兩次產(chǎn)生的衍射光相干疊加形成干涉光斑；當光柵（1）受到外界加速度作用時，光柵（1）在垂直方向發(fā)生位移，位移量與加速度在彈性范圍內(nèi)成線性關(guān)系；干涉光斑的光強隨著光柵（1）的垂直位移發(fā)生變化，但干涉光斑的位置不變；通過光學位移測量系統(tǒng)測得光柵（1）的位移量即可最終得到加速度值。

2.一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計，其特征在于，由加速度敏感系統(tǒng)和光學位移測量系統(tǒng)組成，所述加速度敏感系統(tǒng)由單片SOI上的光柵（1）、四個懸臂梁（2）和基底（3）組成，所述SOI為Si-SiO₂-Si的三層結(jié)構(gòu)；所述懸臂梁（2）為蛇形梁結(jié)構(gòu)；在SOI基底上的硅器件層進行電子束曝光或者利用聚焦離子束刻蝕出光柵（1）和四個懸臂梁（2），其中，光柵（1）位于加速度敏感系統(tǒng)的中央，四個懸臂梁（2）中心對稱地分布在光柵（1）的周圍；然后通過HF釋放二氧化硅犧牲層得到空氣間隔（4）；最后通過鍍膜的方式在光柵（1）表面和透過光柵（1）的基底（3）區(qū)域鍍上高反射率的金屬膜形成類光柵光閥結(jié)構(gòu)；在加速度敏感系統(tǒng)中光柵（1）充當質(zhì)量塊的角色，其光柵周期為500-700nm；所述光學位移測量系統(tǒng)包括：VCSEL激光器（5）、光電探測器（6）、上層基底層（7）、支撐和連接部分（8）、處理電路（9）和計算機（10）和分光棱鏡（11）；上層基底層（7）通過支撐和連接部分（8）與加速度敏感系統(tǒng)裝配在一起，VCSEL激光器（5）和光電探測器（6）均固定在上層基底層（7）下方，VCSEL激光器（5）位于光柵（1）中心的正上方；分光棱鏡（11）位于VCSEL激光器（5）的正下方；光電探測器（6）固定在支撐和連接部分（8）的內(nèi)側(cè)壁上，從分光棱鏡（11）出射的光束垂直于光電探測器（6）的光敏面；光電探測器（6）與處理電路（9）相連，處理電路（9）與計算機（10）相連；

由VCSEL激光器5出射的激光經(jīng)過準直垂直入射到光柵（1）上，光束經(jīng)過光柵（1）、空氣間隔（4）和基底（3）反射再經(jīng)過光柵（1），由于光柵周期小于光波長，衍射消失但存在伍德異常現(xiàn)象；當光柵（1）相對基底（3）發(fā)生微小位移時，透射的光強會發(fā)生劇烈變化；在反射光路中放置分光棱鏡（11）使反射光強被光電探測器（6）接收，經(jīng)過處理電路（9）和計算機（10）對光強進行采集和細分，通過光強的變化實現(xiàn)高精度的位移測量，并最終測得加速度值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計，其特征在于，所述每個懸臂梁（2）寬度為300nm~500nm，具有20-60的彎折數(shù)，每一個彎折的長度為10-20μm，光柵（1）和懸臂梁（2）的厚度均為250nm~1μm，空氣間隙（4）為2-5μm。