[發明專利]基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計

有效

• 申請號: 201410402873.5
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號: CN104166015A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 盧乾波;廉文秀;婁樹旗;白劍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/093
• 分類號: G01P15/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

技術領域

本發明涉及光學加速度傳感器領域，尤其涉及一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計。

背景技術

加速度計是測量物體加速度的傳感器，作為慣性導航系統的關鍵部件之一，加速度計在航空航天、抗振動測量、地震監測和交通運輸等方面都有著廣泛應用。微加速度計是微型慣性導航系統的核心器件之一，相比于傳統加速度計有著體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高和易集成等優點。現在，微加速度計的實際應用已經擴展至自動控制、汽車制動啟動檢測、報警系統、各種玩具、結構物與環境監視、工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析、電子數碼產品，高層建筑結構動態特性測量等各個領域。事實上，無論是加速度計還是微加速度計，低精度的還是高精度的，它們的應用范圍都在不斷擴展中。當然，微加速度計最大的需求是來源于國防上的要求。近年來，我國在軍事和國防研究領域，尤其是導彈、運載火箭與艦船等新式武器方面取得了非常大的進步。這些國防應用就為不同靈敏度、多測試維度、大動態范圍的微加速度計的研制提出了要求。

現有的微加速度計通常是采用電容式、壓電式或者壓阻式的方法，以電容式為例，電容的變化與位移的平方成正比，而其位移的分辨率有限，因此在保證質量塊微小尺寸的前提下很難做到高分辨率。而光學加速度計以其精度高、防電磁干擾的特點也逐漸成為近些年來國內外的研究熱點。例如：美國專利申請號為US2013327146的“Optical?Accelerometer?System”，公開了一種基于線偏振光的光學腔系統。它包括一個線偏振光源、帶有彈簧、四分之一波片和反射鏡的光學腔以及至少一個的光電探測器。外部加速度的輸入會導致反射回的光強信號ACCEL的頻率與光學腔中的反射鏡的運動相關，這樣就可以建立起ACCEL與外部加速度的關系，通過探測ACCEL的頻率變化即可計算得到外界輸入的加速度值。但是這種光學加速度計系統龐大且用到的頻率探測方法精度不高，很難做到小型化和高精度。

近年來，包括MEMS和NEMS在內的微納加工工藝逐漸成熟，微納加工技術的發展也帶來了集成光學的發展。集成光學器件技術的發展為包括加速度計在內的光學傳感器提供了新的發展方向，通過將各種元件集成在一個襯底上可以實現傳感器的體積進一步縮小，而且集成光學傳感器還具有較高的穩定性、可靠性和較低的成本。微納加工技術可以用來研制高集成度和高精度的光學NEMS加速度計。

如能將光學加速度計和微加速度計的優勢結合起來，一種高性能的加速度計是有可能實現的。例如：美國專利號為US8783106B1的“Micromachined?Force-balance?Feedback?Accelerometer?with?Optical?Displacement?Detection”，公開了一種基于位移傳感的帶有力反饋的光學微加速度計。這種微加速度計能較好地做到集成，并且利用了F-P腔干涉的原理，擁有較高的位移測量精度。但是該加速度計的制作工藝相當復雜，不利于大規模制造，集成度還可以繼續提高。

發明內容

本發明的目的是克服現有的技術不足，提供一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計。

本發明的目的可以通過以下兩個技術方案來實現：一種基于單片集成的高精度、大量程光學NEMS微加速度計，由加速度敏感系統和光學位移測量系統組成，所述加速度敏感系統由單片SOI上的光柵、四個懸臂梁和基底組成，所述SOI為Si-SiO2-Si的三層結構；所述懸臂梁為蛇形梁結構；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和四個懸臂梁，其中，光柵位于加速度敏感系統的中央，四個懸臂梁中心對稱地分布在光柵的周圍；然后通過HF釋放二氧化硅犧牲層得到空氣間隔；最后通過鍍膜的方式在光柵表面和透過光柵的基底區域鍍上高反射率的金屬膜形成類光柵光閥結構；在加速度敏感系統中光柵充當質量塊的角色，其光柵周期為1.5-2μm；所述光學位移測量系統包括：VCSEL激光器、兩個光電探測器、上層基底層、支撐和連接部分、處理電路和計算機；上層基底層通過支撐和連接部分與加速度敏感系統裝配在一起，VCSEL激光器和光電探測器均固定在上層基底層下方，VCSEL激光器位于光柵中心的正上方，兩個光電探測器對稱分布在±1級衍射級次上，均與處理電路相連，處理電路與計算機相連。