[發(fā)明專利]抗大沖擊的高精度微光機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710018526.6
• 申請(qǐng)日: 2017-01-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106841679B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧乾波;白劍;汪凱巍;焦旭芬;韓丹丹;陳佩文
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/093
• 分類號(hào): G01P15/093
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開(kāi)了一種抗大沖擊的高精度微光機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)。主要由封裝外殼和布置在封裝外殼中的微機(jī)械加速度敏感單元和光學(xué)微位移測(cè)量單元組成，微機(jī)械加速度敏感單元位于光學(xué)微位移測(cè)量單元正下方；微機(jī)械加速度敏感單元從上到下依次為光柵、質(zhì)量塊?懸臂梁?硅基底微機(jī)械結(jié)構(gòu)和下限位板。微機(jī)械加速度敏感單元將外界輸入的加速度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量塊的位移，光學(xué)微位移測(cè)量單元將位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并實(shí)現(xiàn)高精度的加速度測(cè)量。本發(fā)明能保證微機(jī)械結(jié)構(gòu)在大沖擊下不失效，固定封裝的光學(xué)微位移測(cè)量單元能保證各個(gè)光學(xué)元件在大沖擊下不損毀，相對(duì)位置保持不變，從而實(shí)現(xiàn)抗大沖擊的高精度加速度測(cè)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)微加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種抗大沖擊的高精度微光機(jī)電系統(tǒng)加速度計(jì)。

背景技術(shù)

飛行器的慣性導(dǎo)航，電磁炮發(fā)射，爆炸侵徹等領(lǐng)域，不僅對(duì)加速度計(jì)的測(cè)量靈敏度和精度有一定的要求，并且對(duì)抗大沖擊的性能也提出了很高的要求。同時(shí)，為了滿足現(xiàn)有先進(jìn)裝備和戰(zhàn)略武器裝備的小型化、集成化需求，設(shè)計(jì)制作高性能的微型加速度計(jì)也成為了現(xiàn)階段加速度計(jì)的研究重點(diǎn)之一。

目前已經(jīng)有了很多具有高測(cè)量精度的加速度計(jì)，如冷原子干涉加速度計(jì)[Canuel,B.,et?al.,Six-Axis?Inertial?Sensor?Using?Cold-Atom?Interferometry.PhysicalReview?Letters,2006.97:010402.]、基于微光纖的光學(xué)加速度計(jì)[Chen,G.Y.,et?al.,Theoretical?and?experimental?demonstrations?of?a?microfiber-based?flexuraldisc?accelerometer.Opt?Lett.,2011.36(18):p.3669-71.]、隧穿式加速度計(jì)[Hiu,C.H.,et?al.,A?High-Precision,Wide-Bandwidth?Micromachined?TunnelingAccelerometer.Journal?of?Microelectromechanical?Systems,2001.10(3):p.425-433.]，但是它們?cè)诔惺芫薮鬀_擊后無(wú)法正常工作，并且冷原子干涉型加速度計(jì)也很難實(shí)現(xiàn)小型化。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)已有許多實(shí)例可以抵抗高沖擊，比如美國(guó)專利號(hào)為US7013730B2的專利“Internally?shock?caged?serpentine?flexure?for?micro-machined?accelerometer”公開(kāi)了一種抗沖擊的MEMS加速度計(jì)，該設(shè)計(jì)通過(guò)引入限位緩沖塊和調(diào)整彈性結(jié)構(gòu)的寬度實(shí)現(xiàn)了良好的抗沖擊性能，該種MEMS加速度計(jì)可以抵抗16000到20000g的沖擊；世界專利號(hào)為WO2012/047996A1的專利“Shock?resistant?mounting?forhigh?gshock?Accelerometer”提出了一種基于無(wú)引線芯片載體(LLC)的抗沖擊MEMS加速度計(jì)，該設(shè)計(jì)通過(guò)將MEMS加速度敏感單元封裝進(jìn)高彈性的無(wú)引線芯片載體的方式實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的抗沖擊性能，該種MEMS加速度計(jì)最高可以抵抗300000g的沖擊。現(xiàn)有許多文獻(xiàn)也報(bào)道了多種抗大沖擊的MEMS加速度計(jì)，例如Jiachou?Wang等人曾報(bào)道了一種雙懸臂梁型MEMS加速度計(jì)，該種加速度計(jì)采用自限位保護(hù)面來(lái)抵抗沖擊，可以抵抗20500g的沖擊[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等人提出了一種基于鍵合鉸鏈的MEMS加速度計(jì)，并實(shí)驗(yàn)證明該種加速度計(jì)可以抵抗44614g的沖擊[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等人提出了能夠承受50000到100000g沖擊的三軸壓阻式MEMS加速度計(jì)[Dong,P.,et?al.,High-performance?monolithic?triaxial?piezoresistive?shockaccelerometers.Sensors?and?Actuators?A:Physical,2008.141(2):p.339-346.]。在大沖擊應(yīng)用場(chǎng)合，MEMS加速度計(jì)可以通過(guò)加入限位措施或者提高彈性機(jī)構(gòu)的剛度來(lái)提升抗沖擊性能，目前已可以有效抵抗大于10000g的沖擊。但是，基于MEMS的加速度計(jì)由于其測(cè)量原理的限制(電容、壓阻、壓電等形式由于工藝誤差的存在)，很難實(shí)現(xiàn)高加速度測(cè)量靈敏度和測(cè)量精度。以上所述的抗高沖擊MEMS加速度計(jì)的典型靈敏度在μV/g的量級(jí)，很難滿足高測(cè)量靈敏度及精度的需求。