[發明專利]一種基于鈮酸鋰晶體的光柵衍射式MOEMS加速度計

在審

• 申請號: 202310258946.7
• 申請日: 2023-03-17
• 公開（公告）號: CN116338243A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 黃海陽;黃睿格;向祖強
• 申請（專利權）人: 深圳市天陸海導航設備技術有限責任公司
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03;G02F1/355;B81B3/00;B81B7/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于鈮酸鋰晶體的光柵衍射式MOEMS加速度計，涉及慣性傳感器技術領域，包括MEMS加速度傳感結構、光學位移檢測組件、信號檢測電路以及殼體；MEMS加速度傳感結構包括敏感質量塊、懸臂梁和內框架，敏感質量塊通過懸臂梁與內框架相連，懸臂梁為對稱式雙層折疊梁；光學位移檢測組件包括從上到下依次設置的垂直腔面發射激光器、準直透鏡、固定光柵、可動光柵以及光電探測器，可動光柵設置在固定光柵的近場泰伯效應區域內；固定光柵、可動光柵都是在周期極化鈮酸鋰晶體上鍍上透明導電薄膜制備的二維陣列光柵，可動光柵與敏感質量塊之間采用表面活化鍵合技術實現鍵合。本發明可有效抑制交叉軸串擾影響，提高敏感質量塊位移的檢測精度。

技術領域

本發明涉及微光機電系統和慣性傳感器技術領域，具體涉及一種基于鈮酸鋰晶體的光柵衍射式MOEMS加速度計。

背景技術

慣性導航系統建立在慣性原理基礎之上，在導航過程中不需要任何外來信息，也不向外輻射任何信息，具備在全天候條件下、全球范圍內自主、隱蔽地進行連續三維定位和定向的能力。加速度計作為測量運動載體線加速度的儀表，是慣性導航系統的核心傳感器之一。

MOEMS（Micro-opto-electro-mechanical?Systems）即微光機電系統，MOEMS加速度計是融合了微機電系統（Micro-Electro-Mechanical?Systems,?MEMS）技術和光學檢測技術的一種新型加速度計，不僅具有MEMS體積小、質量輕和易大批量生產的優勢，更兼具光學檢測精度高、響應快和抗電磁干擾的優勢，是極具應用潛力的下一代加速度計。

以光柵作為產生干涉/衍射的光學元件對加速度進行檢測，實際上是對位移的檢測，通過光柵的相對位移推算出加速度。從光柵位移檢測技術的發展歷程可以看出，光柵位移檢測理論主要分為幾何光學和波動光學兩大類。現有的基于波動光學的光柵干涉腔式加速度計，其敏感質量塊上分布有動梳齒，這些動梳齒與外框架上的固定梳齒構成了一個小型光柵干涉腔，干涉腔的不同級次反射光強會隨動梳齒的面外位移發生變化，通過檢測光強變化即可獲取面外加速度大小。這種結構的加速度計，測量結果受交叉軸串擾影響較大。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于鈮酸鋰晶體的光柵衍射式MOEMS加速度計，旨在解決上述背景技術中光柵干涉腔式加速度計的測量結果受交叉軸串擾影響較大的問題。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于鈮酸鋰晶體的光柵衍射式MOEMS加速度計，包括MEMS加速度傳感結構、光學位移檢測組件、信號檢測電路以及殼體，所述MEMS加速度傳感結構包括敏感質量塊、懸臂梁和內框架，所述敏感質量塊通過懸臂梁與內框架相連，所述懸臂梁為對稱式雙層折疊梁，敏感質量塊重心位于對稱式雙層折疊梁中心平面上；

所述光學位移檢測組件包括從上到下依次設置的垂直腔面發射激光器、準直透鏡、固定光柵、可動光柵以及光電探測器；所述可動光柵設置在固定光柵的近場泰伯效應區域內，可動光柵的陣列單元和固定光柵的陣列單元對齊；

所述MEMS加速度傳感結構采用雙器件層SOI基片制作，所述敏感質量塊懸空設置，可動光柵設置在敏感質量塊的上表面；所述殼體內設有安裝部，固定光柵固定在安裝部；所述固定光柵、可動光柵都是在周期極化鈮酸鋰晶體上鍍上透明導電薄膜制備的二維陣列光柵；所述可動光柵與敏感質量塊之間采用表面活化鍵合技術實現鍵合；

所述MEMS加速度傳感結構和光學位移檢測組件都裝配在殼體內部；所述敏感質量塊做離面運動時，固定光柵與可動光柵之間的距離發生變化導致透射光強發生變化，光電探測器將透射光強的變化轉化為電信號的變化，信號檢測電路通過測量敏感質量塊的位移進而推算出加速度的大小。

進一步地，所述敏感質量塊的橫截面為正方形。

進一步地，所述固定光柵和可動光柵的周期均為微米級。