組合光柵微位移傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及傳感器技術領域，特別是涉及一種組合光柵微位移傳感器。
【背景技術】
[0002]近年來隨著集成電路制造工藝和微機械加工工藝的發展，以這兩種制作工藝為基礎的微機械傳感器的到了快速的發展。微機械傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強和可批量生產等特點，迅速占領了各種傳感器領域，例如微機械加速度傳感器等。目前，隨著對微機械位移傳感器性能要求的提高，特別是中高精度位移傳感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位移傳感器的研宄成為了一個重要發展方向。
[0003]在現有的報到中位移傳感器主要分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。雖然種類繁多，但是現在的位移傳感器的位移精度最高只能達到納米量級，一種納米級的微位移測量裝置是美國Sandia Nat1nal Lab設計的雙光柵MEMS位移傳感器，該裝置是利用光柵反射光強來測量微小位移，通過信號光強變化來將光柵鎖定在測量位移最靈敏的位置，由于光強變化曲線相對平緩，無法準確區分光強的變化由于外界環境導致還是位移導致的，因此無法精確將光柵鎖定在位移最靈敏的位置，測量精度不高。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在于針對現有技術的步不足，提供一種組合光柵微位移傳感器。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的:一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發射接收結構、第一運動光柵、第二運動光柵、第一固定光柵、第二固定光柵、增反層、第一固定底座、第二固定底座、回形懸臂梁、上層電容平板、下層電容平板、信號處理模塊和電流驅動模塊；所述每組發射接收結構包括光源、分束器、第一紅外光電探測器、第一聚焦透鏡組、第二紅外光電探測器和第二聚焦透鏡組；
[0006]所述上層電容平板的一側具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運動光柵，在上層電容平板的另一側刻蝕與第二運動光柵結構相同的第一運動光柵；上層電容平板的一端通過兩個回形懸臂梁與第一固定底座相連，另一端通過兩個回形懸臂梁與第二固定底座相連，回形懸臂梁起到了支撐上層電容平板的作用，第一運動光柵和第一固定光柵之間，第二運動光柵和第二固定光柵之間均有相適應的容納腔，在有外界縱向位移時，容納腔為上層電容平板的位移提供了變化的空間。同時回形梁的設計保證了系統擁有較大的彈性系數，從而提高了探測位移的靈敏度，而且也使得光柵移動過程中不會出現垂軸串擾的現象；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反層上；上層電容平板通過回形懸臂梁、第一固定底座和第二固定底座與增反層電連接；
[0007]所述下層電容平板的一側刻蝕與第一運動光柵結構相同的第一固定光柵，所述第一固定光柵的橫向初始位置與第一運動光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為295-305nm ;所述下層電容平板的另一側刻蝕與第二運動光柵結構相同的第二固定光柵，所述第二固定光柵的橫向初始位置與第二運動光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣；
[0008]在上層電容平板的兩個長邊處對稱設有兩個第一梳狀電極，在每個第一梳狀電極的上方各設有與其所對應的第二梳狀電極，且所述第二梳狀電極可靠靜電力被第一梳狀電極吸引或排斥；每個第二梳狀電極均通過梳狀電極固定底座固定在增反層上，與增反層絕緣；
[0009]所述兩組發射接收結構分別置于第一運動光柵和第二運動光柵的正上方，每組發射接收結構的光源的下方設有分束器，第一紅外光電探測器和第二紅外光電探測器對稱置于光源的兩側，第一聚焦透鏡組置于第一紅外光電探測器的正下方，第二聚焦透鏡組置于第二紅外光電探測器的正下方；兩個第一紅外光電探測器和兩個第二紅外光電探測器均與信號處理模塊相連；下層電容平板的兩側通過引線相連后接入電流驅動模塊；兩個梳狀電極固定底座通過引線相連后接入電流驅動模塊；增反層的兩側通過引線相連后接入電流驅動模塊；電流驅動模塊與信號處理模塊相連；
[0010]所述光源為帶有準直擴束的紅外1530nm光源；所述增反層由800nm的SiN3*600nm的S12以及Si基底從上至下依次排布組成，起到增強反射光信號的作用；所述第一運動光柵、第二運動光柵、第一固定光柵和第二固定光柵使用聚焦離子束制作而成，材料是Si，厚度均為950-965nm，光柵數均為30-80個，周期T均為1493_1500nm，占空比均為0.45-0.5 ;第一運動光柵和第一固定光柵的空氣間隙為300-400nm，形成諧振腔，激發脈沖式光電信號；第二運動光柵與第二固定光柵的空氣間隙為1000nm-1200nm。
[0011]進一步地，所述的光源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、易耦合以及易形成陣列等獨特優勢。
[0012]本實用新型有益的效果是:本實用新型大大縮小了系統的體積，而且引入了梳狀電極、電容平板作為靜電力回復閉環器件，能夠精確對位移進行探測，擴大了探測器的動態范圍；通過一組光柵產生的脈沖式光強變化信號來鎖定另一組光柵產生的平緩光強變化信號斜率最大的位置，從而測量位移；實現了傳感系統的小型化、高精度，在航空、軍事領域都有很廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0013]圖1為組合光柵微位移傳感器的總體結構示意圖；
[0014]圖2為上層電容平板的一個角度的結構示意圖；
[0015]圖3為上層電容平板的另一個角度的結構示意圖；
[0016]圖4為下層電容平板的一個角度的結構示意圖；
[0017]圖5為下層電容平板的另一個角度的結構示意圖；
[0018]圖6為梳狀電極的結構示意圖；
[0019]圖7為梳狀電極和下層電容平板組合的結構示意圖；
[0020]圖8為上層電容平板和下層電容平板組合的俯視圖；
[0021]圖9為光柵間隔為300-400nm時，反射光強隨著上下兩層光柵相對移動產生的脈沖式變化曲線圖；
[0022]圖10為光柵間隔為1000-1200nm時，反射光強隨著上下兩層光柵相對移動產生的平緩變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0024]當TE偏振的1530nm的紅外光源垂直照射到亞波長光柵上時，會在光柵表面以倏逝波的形式傳播。當兩個光柵在垂直方向距離很近時，光會在兩層光柵之間震蕩，光通過倏逝場從一個光柵傳到另外一個光柵，同時另外一個光柵的倏逝波也會通過倏逝場耦合會原來的光柵。當兩層光柵發生的橫向相對位移時，會導致諧振場發生變化，使得反射光的強度急劇提高，通過探測反射光的光強變化，我們可以精確知道發生的橫向、縱向相對位移。通過調整兩層光柵的縱向間隔，可以產生兩種反射光強變化，一種是光強相對于位移的平緩變化的曲線，一種是光強相對于位移的脈沖式變化曲線。利用脈沖式變化曲線的極窄線寬，梳狀電極可以鎖定平緩變化曲線的斜率最大的位置，從而利用反饋電流計算出位移的大小。
[0025]如圖1-8所示，本實用新型一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發射接收結構、第一運動光柵2、第二運動光柵20、第一固定光柵3、第二固定光柵21、增反層4、第一固定底座9、第二固定底座15、回形懸臂梁10、上層電容平板11、下層電容平板12、信號處理模塊13和電流驅動模塊14 ;所述每組發射接收結構包括光源1、分束器16、第一紅外光電探測器5、第一聚焦透鏡組6、第二紅外光電探測器7和第二聚焦透鏡組8 ;
[0026]所述上層電容平板11的一側具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運動光柵20，在上層電容平板11的另一側刻蝕與第二運動光柵20結構相同的第一運動光柵2 ;上層電容平板11的一端通過兩個回形懸臂梁10與第一固定底座9相連，另一端通過兩個回形懸臂梁10與第二固定底座15相連，回形懸臂梁10起到了支撐上層電容平板11的作用，第一運動光柵2和第一固定光柵3之間，第二運動光柵20和第二固定光柵21之間均有相適應的容納腔，在有外界縱向位移時，容納腔為上層電容平板11的位移提供了變化的空間。同時回形梁的設計保證了系統擁有較大的彈性系數，從而提高了探測位移的靈敏度，而且也使得光柵移動過程中不會出現垂軸串擾的現象；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上；上層電容平板11通過回形懸臂梁10、第一固定底座9和第二固定底座15與增反層4電連接；
[0027]所述下層電容平板12的一側刻蝕與第一運動光柵2結構相同的第一固定光柵3，所述第一固定光柵3的橫向初始位置與第一運動光柵2的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為295-305nm ;所述下層電容平板12