[發明專利]抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計

有效

• 申請號: 201710018526.6
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106841679B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 盧乾波;白劍;汪凱巍;焦旭芬;韓丹丹;陳佩文
• 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: 林超

1.一種抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計，其特征在于：所述加速度計主要由封裝外殼（14）和布置在封裝外殼（14）中的微機械加速度敏感單元（1）和光學微位移測量單元（2）組成，微機械加速度敏感單元（1）位于光學微位移測量單元（2）正下方；所述微機械加速度敏感單元（1）從上到下依次為光柵（3）、質量塊-懸臂梁-硅基底微機械結構和下限位板（8），所述的光學微位移測量單元（2）和微機械加速度敏感單元（1）均通過聚合物固定封裝材料（13）封裝在封裝外殼（14）中；

所述光學微位移測量單元（2）包括VCSEL激光器（9）、光電探測器一（10）、光電探測器二（11）和信號處理電路（12），VCSEL激光器（9）固定在光柵（3）中間正上方的封裝外殼（14）內頂面，光電探測器一（10）和光電探測器二（11）固定在光柵（3）同一側方的封裝外殼（14）內頂面，信號處理電路（12）固定在光柵（3）另一側方的封裝外殼（14）內頂面；VCSEL激光器（9）出射激光（15）垂直入射到光柵（3）表面，經光柵（3）和質量塊-懸臂梁-硅基底微機械結構反射衍射后的出射光被光電探測器一（10）和光電探測器二（11）接收，光電探測器一（10）和光電探測器二（11）中的其中一個光電探測器置于從光柵（3）出射的第一級干涉衍射光束（16）上；

所述質量塊-懸臂梁-硅基底微機械結構包括硅基底（4）、質量塊（6）和懸臂梁（7），光柵（3）置于硅基底（4）頂面，硅基底（4）中心開有方形通槽，質量塊（6）置于方形通槽中，光柵（3）和質量塊（6）上表面嚴格平行，質量塊（6）四周側面分別經各自的懸臂梁（7）與方形通槽的內側面連接，各個懸臂梁（7）結構相同并以質量塊（6）中心呈中心對稱分布在質量塊（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結構；質量塊（6）上表面鍍有高反膜（5），高反膜（5）與光柵（3）構成微納光腔；

所述下限位板（8）的柔性微限位結構為開設在下限位板（8）上部的多層間隔層疊布置的單晶硅厚膜（24），相鄰層單晶硅厚膜（24）之間有空氣間隙（23），最上層的單晶硅厚膜（24）上覆蓋有聚對二甲苯薄膜（22）作為柔性緩沖層；

所述光柵（3）充當上限位板；

所述質量塊（6）上下表面經過對稱刻蝕使得厚度小于硅基底（4）的厚度，為質量塊（6）與上下限位板間提供空氣間隙；

微機械加速度敏感單元（1）和光學微位移測量單元（2）均通過聚合物固定封裝材料（13）進行固定封裝；其中VCSEL激光器（9）用聚合物固定封裝材料（13）包裹固連在封裝外殼（14）上，在聚合物固定封裝材料（13）端面上開有作為激光出射的小孔；兩個光電探測器同樣用聚合物固定封裝材料（13）包裹固連在封裝外殼（14）上，在探測器光敏面所在的聚合物固定封裝材料（13）端面開有作為接收的窗口；信號處理電路（12）用聚合物固定封裝材料（13）固定；三明治式微機械加速度敏感單元（1）用聚合物固定封裝材料（13）包裹固連在封裝外殼（14）上，在光柵（3）柵線區域留出透光窗口。

2.根據權利要求1所述的一種抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計，其特征在于：所述的光柵（3）材料為透明的石英片，上面鍍有鉻膜，并通過電子束曝光和刻蝕的方法制作出占空比為1：1的刻線作為光柵結構。

3.根據權利要求1所述的一種抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計，其特征在于：所述的光柵（3）和質量塊-懸臂梁-硅基底微機械結構的硅基底（4）上表面通過硅玻璃陽極鍵合，質量塊-懸臂梁-硅基底微機械結構的硅基底（4）下表面和下限位板（8）通過硅硅鍵合。

4.根據權利要求1所述的一種抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計，其特征在于：每層單晶硅厚膜（24）的厚度為20~50μm，面積與方形通槽大小相同，相鄰層單晶硅厚膜（24）之間有0.5~1μm的空氣間隙（23）。

5.根據權利要求1所述的一種抗大沖擊的高精度微光機電系統加速度計，其特征在于：所述的質量塊（6）厚度為懸臂梁（7）厚度的20~60倍。