[發(fā)明專利]一種基于MEMS三維干涉儀的光學微震計裝置

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• 申請日: 2022-02-25
• 公開（公告）號: CN114460631A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設計）人: 楊波;李成;鄭翔;郭鑫;孫震宇;周陸強
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01V1/18
• 分類號: G01V1/18
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

1.一種基于MEMS三維干涉儀的光學微震計裝置，其特征在于，包括封裝外殼(1)、MEMS干涉儀模塊(2)、激光器模塊(3)、光功率穩(wěn)定模塊(4)、光電檢測模塊(5)和溫度控制模塊(6)；

封裝外殼(1)為長方體金屬管殼，包括線圈電流輸入/輸出端口(101)、激光器模塊電源/信號端口(102)、溫度控制模塊電源/信號端口(103)、光電檢測/光功率控制模塊電源/信號端口(104)；

MEMS干涉儀模塊(2)包括MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)、反饋線圈(212)、線圈繞線支架(211)、線圈電流輸入、輸出端子(206a，206b)、模塊支架(209)、將MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)位于模塊支架(209)上并通過第一螺絲組(207)和螺母組(208)鎖緊固定、將模塊支架(209)通過第二螺絲(210)固定于封裝外殼(1)上；其中MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)包括上MEMS芯片(202)、下MEMS芯片(203)、墊片(204)、微納光柵(205)；其中上、下MEMS芯片(202、203)懸臂梁結(jié)構(gòu)相同，但是質(zhì)量塊厚度不同，上MEMS芯片(202)的厚度為下MEMS芯片(203)厚度的2倍，上MEMS芯片(202)鍵合于下MEMS芯片(203)之上，方向呈相反布置，形成三維懸臂梁構(gòu)造；

激光器模塊(3)包括半導體激光器(301)、準直透鏡(302)、準直光束(303)、分光棱鏡(305)、棱鏡支架(304)、驅(qū)動電路(306)、楔形底座(307)、第一電源/信號端子(309)、第一電源/信號接口(310)、將驅(qū)動電路(306)通過第三螺絲組(308)固定在于楔形底座(307)上；

光功率穩(wěn)定模塊(4)包括光電探測器(401)、功率控制電路(402)、第一矩形底座(403)、參考光束(405)、第二電源/信號端子(406)、第二電源/信號接口(407)、將功率控制電路(402)通過第四螺絲組(404)固定于第一矩形底座(403)上；

光電檢測模塊(5)包括三只光電探測器(501)、接口電路(502)、第二矩形底座(503)、第三電源/信號端子(505)、三束衍射光斑(506)、第三電源/信號接口(507)、將接口電路(502)通過第五螺絲組(504)固定于第二矩形底座(503)上；

溫度控制模塊(6)包括熱敏電阻(601)、制熱/制冷片(602)、溫度控制電路(603)、第三矩形底座(604)、第四電源/信號端子(606)、第四電源/信號接口(607)、將溫度控制電路(603)通過第六螺絲組(605)固定于第三矩形底座(604)上；MEMS干涉儀模塊(2)中的上MEMS芯片(202)由上錨點(2021)、第一內(nèi)懸臂梁組(2023)、上隔離框架(2024)、第一外懸臂梁組(2022)、上質(zhì)量塊(2025)、永磁薄膜(2026)、上安裝孔徑組(2027)組成；上質(zhì)量塊(2025)為正方形，位于結(jié)構(gòu)正中心，永磁薄膜(2026)也為正方形，寬度小于上質(zhì)量塊(2025)，并位于上質(zhì)量塊(2025)的正中心；上質(zhì)量塊(2025)由第一內(nèi)、外懸臂梁組(2023、2022)共同懸掛于錨點(2021)之上，第一內(nèi)、外懸臂梁組(2023、2022)中間通過隔離框架(2024)隔離開來，避免應力過度集中于梁連接段；第一內(nèi)懸臂梁組(2023)包括第一～四內(nèi)懸臂梁(2023a、2023b、2023c、2023d)；第一外懸臂梁組(2022)包括第一～四外懸臂梁(2022a、2022b、2022c、2022d)，其中第一內(nèi)、外懸臂梁組都為U型結(jié)構(gòu)；第一～四內(nèi)懸臂梁(2023a、2023b、2023c、2023d)長度長于上質(zhì)量塊(2025)的寬度，第一～四外懸臂梁(2022a、2022b、2022c、2022d)長度長于上隔離框架(2024)的寬度，以增加空間利用率，并最大化梁的彈性；第一內(nèi)、外懸臂梁組(2023、2022)的厚度小于上質(zhì)量塊(2025)的厚度，上隔離框架(2024)、上錨點(2021)的厚度與上質(zhì)量塊(2025)相同，從而獲得足夠小的支撐剛度；上安裝孔徑組(2027)包括第一～四圓形孔徑(2027a、2027b、2027c、2027d)；其中第一～四圓形孔徑(2027a、2027b、2027c、2027d)分布在上錨點(2021)的四個角上，用于將MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)固定于模塊支架(209)之上；

下MEMS芯片(203)與上MEMS芯片(202)結(jié)構(gòu)一致，但鍍膜材料和厚度不同，下MEMS芯片(203)由下錨點(2031)、下內(nèi)懸臂梁(2033)、下隔離框架(2034)、第二外懸臂梁組(2032)、下質(zhì)量塊(2035)、反射薄膜(2036)、熱敏薄膜(2038)、電阻薄膜(2039)、下安裝孔徑組(2037)組成；下質(zhì)量塊(2035)為正方形，位于結(jié)構(gòu)正中心，反射薄膜(2036)也為正方形，寬度小于下質(zhì)量塊(2035)，并位于下質(zhì)量塊(2035)正中心；下質(zhì)量塊(2035)由第二內(nèi)、外兩層懸臂梁組(2033、2032)共同懸掛于下錨點(2031)之上，第二內(nèi)、外懸臂梁組(2033、2032)中間通過下隔離框架(2034)隔離開來；

第二內(nèi)懸臂梁組(2033)包括第五～八內(nèi)懸臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)；第二外懸臂梁組(2032)包括第五～八內(nèi)懸臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)；第五～八內(nèi)懸臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)長度長于下質(zhì)量塊(2035)的寬度，第五～八外懸臂梁(2032a、2032b、2032c、2032d)長度長于下隔離框架(2034)的寬度；第二內(nèi)、外懸臂梁組(2033、2032)小于下質(zhì)量塊(2035)的厚度，

下隔離框架(2034)、下錨點(2031)的厚度與下質(zhì)量塊(2035)的厚度相同；熱敏薄膜(2038)由矩形熱敏模塊(2038a)和第一輸入、輸出模塊(2038b1、2038b2)組成，位于下錨點(2031)上邊中間位置，電阻薄膜(2039)由“蛇形”電阻模塊(2039a)和第二輸入、輸出模塊(2039b1、2039b2)組成，位于下錨點(2031)下邊中間位置，兩者用于在封裝外殼(1)內(nèi)溫度基本穩(wěn)定的情況下，更加精細的監(jiān)測和控制MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)的溫度；下安裝孔徑組(2037)包括第五～八圓形孔徑(2037a、2037b、2037c、2037d)；其中第五～八圓形孔徑(2037a、2037b、2037c、2037d)分布在下錨點(2031)的四個角上，用于將MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)固定于模塊支架(209)之上；

所述墊片(204)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，與上、下錨點(2021、2031)的結(jié)構(gòu)一致，但是厚度不同，所述墊片(204)的厚度為下MEMS芯片(203)厚度的五分之一；所述墊片(204)的四個角分布開設有第九～十二圓形孔徑(2041a、2041b、2041c、2041d)，用于將MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)固定于模塊支架(209)之上；

微納光柵(205)由基底(2051)與光柵齒條(2052)組成，基底(2051)為透明材料，基底(2051)面積與上、下MEMS芯片(202、203)的總面積一致；光柵齒條(2052)的寬度為1.5～2微米，齒條寬度與間隙寬度一致，即占空比為50％，厚度為50～100納米，基底(2051)的四個角開設有第十三～十六圓形孔徑(2053a、2053b、2053c、2053d)，用于將MEMS敏感結(jié)構(gòu)(201)固定于模塊支架(209)之上。