專利名稱：集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及微光電子機械系統(MOEMS)加速度傳感器領域，尤其涉及一種集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器。
背景技術：
微機械加速度傳感器(Micro-machined Acceleration Sensor)是微機電系統具有代表性的器件之一，它具有體積小、質量輕、易集成的特點，是微型慣性測量組合的核心器件。例如，專利公開號為CN101788570A的專利文獻公開了一種三明治型光學微機械加速度傳感器及其方法。它包括:激光光源、分光棱鏡、第一光電探測器、第一娃基底、第二硅基底、第一亞波長光柵、彈性梁、位移執行器、第二光電探測器、質量塊、第二亞波長光柵等。光從激光光源發出，通過擴束透鏡組、分光棱鏡產生兩路激光，一路激光通過聚焦透鏡組，照射到第一光電探測器上；另一路激光通過分光棱鏡、玻璃基底、第一亞波長光柵、第二亞波長光柵，由第二光電探測器接收。隨著微機械加速度計性能的提高，應用不斷向高精度領域發展。微加速度傳感器是武器裝備所需的關鍵傳感器之一，具有廣闊的軍事運用前景。已有文獻報道將微加速度傳感器與微陀螺運用于增程制導彈藥(ERGM)上，能有效改善彈藥的戰斗性能，但目前大部分微機械加速度傳感器的精度不高，不能適應軍事裝備發展的需求。目前，隨著對微機械加速度傳感器性能要求的提高，特別是中高精度微加速度傳感器應用需求的不斷擴展，與光學測量和微光學技術相結合的高精度微光機電加速度傳感器的研究成為了 一個重要發展方向。例如，專利公開號為CN102759635A的專利文獻公開了一種基于集成光柵壓電調制的微光學加速度傳感器及其方法，微光學加速度傳感器包括外殼，外殼內設有沿光路依次布置的光源和光柵，所述外殼內沿光路還設有底座、位于底座與光柵之間且滑動安裝在所述外殼內的MEMS傳感機構和位于所述光柵與MEMS傳感機構之間且一面固定在所述光柵上的壓電陶瓷部件，所述MEMS傳感機構包括質量塊和連接所述質量塊的懸臂梁，所述質量塊朝向所述光柵的一面為鍍有金屬鋁膜的反射面。上述專利中的微光學加速度傳感器的測量量程較小，質量塊偏移后需重新回到初始位置，當外界的加速度不斷變化時，測量加速度的精度較差，抗外界環境的干擾能力較差。
發明內容
為克服現有技術中的不足，提高微光學加速度傳感器的測量量程和測量的精度，本發明提供了 一種集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器。—種集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，包括外殼，外殼內設有沿光路依次布置的光源、光柵、壓電陶瓷部件和MEMS傳感機構；所述MEMS傳感機構包括質量塊和連接所述質量塊的懸臂梁，所述質量塊朝向光柵的一面為光反射面；還設有用于檢測干涉光束光強的光電探測器，所述的干涉光束為被光柵反射的光束和被光反射面反射的光束發生干涉形成；以及用于根據所述光電探測器信號計算相應加速度的信號處理模塊；設有固定在質量塊的底部的第一電磁力發生裝置，以及位于外殼內且與所述第一電磁力發生裝置相配合的第二電磁力發生裝置，以及向所述第一電磁力發生裝置和第二電磁力發生裝置輸送電流的電流驅動模塊，所述電流驅動模塊與信號處理模塊連接。所述外殼包括用于支撐MEMS傳感機構的底座，所述底座帶有與所述質量塊相適應的容納腔，在有外界加速度作用下時，容納腔為質量塊提供位移變化的空間。所述第一電磁力發生裝置為第一多層平面螺旋線圈，所述第二電磁力發生裝置為固定在容納腔底部的第二多層平面螺旋線圈。當由外界加速度作用時，質量塊在慣性的作用下產生位移，通過電流驅動模塊向第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈輸出電流，第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈產生相應的排斥磁場，質量塊在磁力的作用下回復到初始位置，使質量塊始終處于最靈敏的測量位置，提升加速度的測量精度。所述第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈為Γ16層。根據加速度的大小，選擇不同數量層次 的平面螺旋線圈，使兩個多層平面螺旋線圈之間的磁場力適應相應的加速度，優選的，所述第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈均為8 12層。所述第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈中，每一單層平面螺旋線圈帶有位于中心部位的電流輸出端和位于邊緣的電流輸入端，且第二多層平面螺旋線圈的直徑大于第一多層平面螺旋線圈的直徑。設有用于驅動壓電陶瓷部件形變的壓電驅動模塊，所述壓電驅動模塊與信號處理模塊連接，壓電陶瓷部件的兩個電極分別接入壓電驅動模塊對應的接口。所述MEMS傳感機構還包括一矩形框，所述質量塊位于矩形框的中部，所述懸臂梁連接在所述質量塊和矩形框之間。本發明所用的光源優選為垂直腔表面發射激光器，垂直腔表面發射激光器是一種低成本、高性能的特定波長光源，具有測試簡單、易耦舍以及易形成陣列等獨特優勢。光電探測器優選為光電二極管，該光電二極管接入信號處理模塊，信號處理模塊根據光電二極管的信號可計算出質量塊的位移量，然后根據位移量得到相應的加速度，本發明的信號處理模塊優選為鎖相放大差分處理電路。所述光源優選為垂直腔表面發射激光器，垂直腔表面發射激光器是一種低成本、高性能的特定波長光源，具有測試簡單、易耦舍以及易形成陣列等獨特優勢。本發明的有益效果是:1、引入兩個多層平面螺旋線圈作為力反饋器形成閉環測量系統，能夠大大提高傳感器的測量量程；2、通過探測兩個不同級次衍射光強信號，采用鎖相放大和差分處理，通過電磁反饋力與加速度產生的慣性力平衡，保持質量塊始終處于平衡位置，也即最靈敏的測量點位置，提高了系統測量精度。
圖1為本發明的微光學加速度傳感器的結構總體圖。圖2和圖3為本發明的微光學加速度傳感器的原理不意圖。圖4為本發明金屬光柵的俯視圖。圖5為本發明MEMS傳感機構的結構示意圖。圖6為本發明多層平面螺旋線圈的單層線圈示意圖。圖7為多層平面螺旋線圈的截面圖。圖8為信號調制解調原理圖。
具體實施例方式如圖1所不,是本發明的微光學加速度傳感器，包括外殼11，位于外殼11底部的底座10，底座10上方設置有帶質量塊4和懸臂梁3的MEMS傳感機構，MEMS傳感機構安裝在外殼11內，底座10帶有與質量塊4相適應的容納腔，該容納腔為質量塊4的位移變化提供空間，質量塊4的底部固定有多層平面螺旋線圈12，容納腔的底部固定有多層平面螺旋線圈13。在MEMS傳感機構上方設置金屬光柵2,金屬光柵2和MEMS傳感機構之間設有環形的壓電陶瓷部件5，壓電陶瓷部件5與金屬光柵2之間相互固定，且在外殼9內可沿豎直向滑動。在金屬光柵2的上方及外殼11內壁的頂部設置有垂直腔表面發射激光器1、光電二極管6和光電二極管7 ;如圖2和圖3所不,光電二極管6、光電二極管7和壓電驅動模塊9均與鎖相放大差分處理電路8連接。如圖4所示，本發明中采用的金屬光柵2的周期`為2 μ m,即光柵條寬度為I μ m,間隙為Ιμπι。金屬光柵2為鍍在玻璃片14地面的金屬薄膜鉻Cr，并通過電子束曝光制作出金屬光柵，本發明米用陶瓷-玻璃鍵合工藝，將玻璃上的金屬光柵與壓電陶瓷環連接為一個整體形成調制測量部件。MEMS傳感機構通過體硅濕法刻蝕和ICP刻蝕加工出懸臂梁3和質量塊4，如圖5所示，質量塊4的頂面鍍有金屬Al薄膜，該面即為光反射面。MEMS傳感機構采用“三明治”結構的SOI (silicon on insulator)材料,該SOI基片最上層的單晶娃薄膜的厚度為10 μ m,中間的氧化層SiO2厚度為Ιμπι左右。質量塊和懸臂梁的設計參數為:質量塊的厚度為即為SOI基片的總厚度，形狀為圓形，直徑為3mm;懸臂梁的厚度為SOI上層單晶硅薄膜的厚度，即1(^111左右，長寬為211111^0.3.!。考慮到MEMS傳感機構中質量塊和懸臂梁的厚度不等，質量塊的厚度遠遠大于懸臂梁的厚度，因此需要采用深硅ICP刻蝕工藝。多層平面螺旋線圈的結構如6所示，圖7為多層平面線圈的截面圖，圖7中a表示電流流出紙面，圖7中b表示電流流出紙面。多層平面螺旋線圈12的制作方法:通過電鍍工藝鍍上50 μ m的銅膜，采用光刻和化學蝕刻技術制作一層寬度為100 μ m間隔為100 μ m的銅螺旋線，完成單層平面螺旋線制作；然后在螺旋線上鍍一層絕緣介質膜(二氧化硅)，重復上述步驟，得到多層平面螺旋線線圈。多層平面螺旋線圈13采用多層電路軟板制作工藝，可以實現8 12層平面螺旋線圈的制作，根據需要的電磁場的強度，將多片制作有多層平面螺旋線圈的軟板疊合在儀器稱為一個整體固定在基座上，完成多層平面螺旋線圈13的制作。
本發明中采用的垂直腔表面發射激光器的功率為lmW，波長為850nm，由恒功率電路驅動；采用的光電二極管可探測的最小光電流為0.1nA,響應靈敏度為0.6A/W。本發明的工作過程如下:垂直腔表面發射激光器I發出相干光束入射到金屬光柵2上時,一部分光由光柵條直接反射，形成多級次的衍射光束；另一部分穿過金屬光柵2間隙照射到質量塊4的反射面，然后反射回來經過光柵面形成多級次的衍射光束。這兩部分相同級次的衍射光束產生干涉，干涉光信號的強度被被光電二極管6和光電二極管7收集；當有外界加速度作用時，在慣性的作用下，懸臂梁3帶動質量塊4發生位移，金屬光柵2與質量塊4之間的距離發生變化，從而干涉信號的強度發生變化。壓電陶瓷部件5與金屬光柵2連接，壓電陶瓷部件5在壓電驅動模塊9的驅動下帶動金屬光柵2運動，產生位移調制，通過光電二極管6和光電二極管7檢測兩個不同級次衍射光強的信號；將兩次收集到的干涉信號的強度進行對比分析，并通過鎖相放大和差分技術可精確得到光柵和質量塊之間的距離的變化，鎖相放大差分處理電路根據質量塊位移的變化量控制電流驅動模塊輸出電流，多層平面螺旋線圈12和多層平面螺旋線圈13之間的電磁力將質量4塊推回初始位置，通入多層平面螺旋線圈的電流的大小即為對應加速度的量。本發明中的金屬光柵與質量塊組合構成的結構可等效為光柵光閥結構，即構成一個反射式相位光柵，金屬光柵為固定部分，質量塊為可動部分，可動部分與固定部分之間的高度差改變即可影響各級次的衍射光強。以I級衍射光為例，其光強與位移的關系為:I= (4Iin/ 312) X sin2 (2 π d/ λ )(I)
式中:Iin為入射光功率；d為金屬光柵與質量塊之間的距離；λ為入射光的波長。由式(I)可見，I級衍射光強隨位移d呈正弦變化，如圖8所示，b為位相調制信號，a為經過調制后光電探測器探測到的交流信號，交流信號的幅值就是被測信號的大小。衍射光強通過光電二極管轉換成電流信號，通過檢測光強變化，就可以得到位移變化，進而可測量加速度。式(I)給出了一級衍射光強I與金屬光柵和質量塊之間的距離d關系，則光強I對位移d的I階導數為
dl /5d=(8 Iin/πλ )Xsin(4π d//.)可見，當d等于λ /8的奇數倍時，光強對位移的靈敏度最大。因而，在本發明中，令d的初始值Cltl為λ/8的奇數倍。當有外界加速度作用時，一級衍射光的光強將發生改變，探測光強即可得到加速度。為使光強對位移的變化最為靈敏，通過加入壓電陶瓷初始驅動電壓來調節光柵與質量塊的間距，使兩者的間距在λ/8的奇數倍位置，即檢測靈敏度始終最大。當有外界加速度作用在質量塊上時，會產生慣性力，慣性力使質量塊偏離原來的位置，這時光電探測器探測的光強信號發生變化，通過鎖相放大差分處理電路可以測出產生的位移量，根據計算的位移量的大小，給兩個平面螺旋線圈輸入相應的電流大小，會產生電磁力，電磁力作用在質量塊上將質量塊推回到初始位置，這時，電磁力的大小與慣性力大小平衡。輸入線圈的電流大小即為加速度值的量。
權利要求
1.一種集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，包括外殼，外殼內設有沿光路依次布置的光源、光柵、壓電陶瓷部件和MEMS傳感機構；所述MEMS傳感機構包括質量塊和連接所述質量塊的懸臂梁，所述質量塊朝向光柵的一面為光反射面；還設有用于檢測干涉光束光強的光電探測器，所述的干涉光束為被光柵反射的光束和被光反射面反射的光束發生干涉形成；以及用于根據所述光電探測器信號計算相應加速度的信號處理模塊；其特征在于，設有固定在質量塊的底部的第一電磁力發生裝置，以及位于外殼內且與所述第一電磁力發生裝置相配合的第二電磁力發生裝置，以及向所述第一電磁力發生裝置和第二電磁力發生裝置輸送電流的電流驅動模塊，所述電流驅動模塊與信號處理模塊連接。
2.如權利要求1所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述外殼包括用于支撐MEMS傳感機構的底座，所述底座帶有與所述質量塊相適應的容納腔。
3.如權利要求2所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述第一電磁力發生裝置為第一多層平面螺旋線圈，所述第二電磁力發生裝置為固定在容納腔底部的第二多層平面螺旋線圈。
4.如權利要求3所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈為Γ16層。
5.如權利要求4所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述第一多層平面螺旋線圈和第二多層平面螺旋線圈中，每一單層平面螺旋線圈帶有位于中心部位的電流輸出端和位于邊緣的電 流輸入端。
6.如權利要求5所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述第二多層平面螺旋線圈的直徑大于第一多層平面螺旋線圈的直徑。
7.如權利要求1所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，設有用于驅動壓電陶瓷部件形變的壓電驅動模塊，所述壓電驅動模塊與信號處理模塊連接。
8.如權利要求7所述的集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，其特征在于，所述MEMS傳感機構還包括一矩形框，所述質量塊位于矩形框的中部，所述懸臂梁連接在所述質量塊和矩形框之間。
全文摘要
本發明公開了一種集成光柵壓電調制閉環高精度微加速度傳感器，包括外殼，外殼內設有沿光路依次布置的光源、光柵、壓電陶瓷部件和MEMS傳感機構；MEMS傳感機構包括質量塊和連接所述質量塊的懸臂梁，質量塊朝向光柵的一面為光反射面；還設有用于檢測干涉光束光強的光電探測器，所述的干涉光束為被光柵反射的光束和被光反射面反射的光束發生干涉形成；以及用于根據光電探測器信號計算相應加速度的信號處理模塊；設有固定在質量塊的底部的第一電磁力發生裝置，以及位于外殼內且與第一電磁力發生裝置相配合的第二電磁力發生裝置，以及向第一電磁力發生裝置和第二電磁力發生裝置輸送電流的電流驅動模塊，該電流驅動模塊與信號處理模塊連接。
文檔編號G01P15/093GK103175991SQ20131006110
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月27日 優先權日2013年2月27日
發明者侯昌倫 申請人:浙江大學