光柵組微機(jī)械加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光柵組微機(jī)械加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著集成電路制造工藝和微機(jī)械加工工藝的發(fā)展，以這兩種制作工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械傳感器的到了快速的發(fā)展。微機(jī)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(qiáng)和可批量生產(chǎn)等特點，迅速占領(lǐng)了各種傳感器領(lǐng)域，例如微機(jī)械加速度傳感器等。目前，隨著對微機(jī)械加速度傳感器性能要求的提高，特別是中高精度加速度傳感應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)展，與光學(xué)測量和微光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的高精度微光機(jī)加速度傳感器的研宄成為了一個重要發(fā)展方向。
[0003]在現(xiàn)有的報到中加速度傳感器主要分為電感式加速度傳感器，電容式加速度傳感器，傳統(tǒng)機(jī)械式加速度傳感器。雖然種類繁多，但是現(xiàn)在的加速度傳感器的精度低，而且動態(tài)范圍較小，因此，對一些需要高精度加速度測量方面起了限制的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種光柵組微機(jī)械加速度傳感器，通過利用伍德異?，F(xiàn)象，兩層光柵由于加速度對質(zhì)量塊的牽引產(chǎn)生相對位移時，反射光產(chǎn)生脈沖式信號。再通過在兩光柵層制作多組光柵，設(shè)定每組光柵中上下兩層光柵橫向初始位置的不同，使得每組光柵產(chǎn)生脈沖式反射光所對應(yīng)微位移不同，使得對應(yīng)加速度也不同，從而對加速度進(jìn)行細(xì)分，達(dá)到高精度測量的目的。
[0005]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種光柵組微機(jī)械加速度傳感器，包括四組發(fā)射接收裝置、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(qū)動模塊；所述上層電容平板的一端與第一固定底座相連，另一端與第二固定底座相連；上層電容平板的正中間設(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域；在質(zhì)量塊區(qū)域的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁，上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域和T形光柵區(qū)刻蝕通道，使得質(zhì)量塊區(qū)域僅通過左右側(cè)的回形懸臂梁與上層電容平板連接；在每個T形光柵區(qū)頂面的左右兩側(cè)各刻蝕第一光柵層；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反層上并與增反層電連接。
[0006]所述下層電容平板上與上層電容平板的四個第一光柵層相對應(yīng)的位置刻蝕第二光柵層，下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣。
[0007]每組發(fā)射接收裝置包括光源、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；光源置于上層電容平板的第一光柵層正上方，光源的下方設(shè)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(cè)，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；四個第一紅外光電探測器和四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(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊；增反層的兩側(cè)通過引線相連后接入電流驅(qū)動模塊；電流驅(qū)動模塊與信號處理模塊相連。
[0008]所述光源為帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束的紅外1530nm光源。所述增反層由Si基底上依次鍍有600nm 的 S1jP 800nm 的 Si 3N4形成；
[0009]所述第一光柵層和第二光柵層均有34組光柵，厚度均為950-965nm ;每組光柵的光柵數(shù)為7個，周期T為1400-1500nm，占空比為0.45-0.5 ;第一光柵層中每組光柵的橫向間隔為1560nm ;第二光柵層中每組光柵的橫向間隔為1575nm ;第一光柵層與第二光柵層的空氣間隙為300-400nm，橫向初始位置在垂直于光柵方向上的間隔為10%T。
[0010]進(jìn)一步地，所述的光源為垂直腔表面發(fā)射激光器。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述每個光柵周期T為1441nm，占空比為0.47，第一光柵層和第二光柵層的厚度均為960nm。
[0012]本實用新型的有益效果是:本實用新型依據(jù)伍德異?，F(xiàn)象，利用上下兩層光柵由于加速度對質(zhì)量塊牽引發(fā)生微位移時，使得反射光在光柵的導(dǎo)通模式和泄露模式之間變換，反射光強(qiáng)會產(chǎn)生脈沖式的變化。通過在兩光柵層制作多組光柵，每組光柵中上下兩層光柵初始相對位置的不同設(shè)定，使得每組光柵反射光強(qiáng)產(chǎn)生脈沖式變化對應(yīng)的上下兩層光柵的微位移量不同，使得對應(yīng)加速度也不同，從而對加速度進(jìn)行細(xì)分；通過設(shè)計四組探測結(jié)構(gòu)，并對其獲得的加速度信號進(jìn)行均分，可以大大提高信噪比，達(dá)到了精確測量加速度的目的。同時，將光源，探測器以及光柵集成在一起，可以大大縮小系統(tǒng)的體積。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕；探測信號信噪比高，能夠精確反映微加速度的變化；具有調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)靈活；測量精度高，突破了現(xiàn)有的加速度傳感器的探測精度；引入電容平板，調(diào)整并保持脈沖的線寬最小，使得測量精度和穩(wěn)定性更高；器件和基片易加工制作，成本比同類型的加速度傳感器低。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型光柵組微機(jī)械加速度傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為上層電容平板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為下層電容平板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為光源和探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5為整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6為上層電容平板四組結(jié)構(gòu)中一組光柵局部放大圖；
[0019]圖7為下層電容平板四組結(jié)構(gòu)中一組光柵局部放大圖；
[0020]圖8為單組光柵中反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵由于加速度引起的相對移動產(chǎn)生的脈沖式變化曲線圖；
[0021]圖9為圖8的脈沖局部放大圖；
[0022]圖10為34組光柵反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵由于加速度引起的相對移動產(chǎn)生的脈沖式變化曲線圖；
[0023]圖中，光源1、第一光柵層2、第二光柵層3、增反層4、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、第二聚焦透鏡組8、第一固定底座9、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、電流驅(qū)動模塊14、第二固定底座15、分束器16、質(zhì)量塊區(qū)域17。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]當(dāng)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(dāng)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原來的光柵。當(dāng)質(zhì)量塊由于加速度牽引兩層光柵發(fā)生很小的橫向、縱向相對位移時，會導(dǎo)致諧振場發(fā)生變化，使得反射光的強(qiáng)度急劇提高，通過探測反射光的光強(qiáng)變化，我們可以精確知道發(fā)生的橫向、縱向相對位移，從而精確計算出對應(yīng)的加速度變化。
[0026]如圖1-7所示，本實用新型一種光柵組微機(jī)械加速度傳感器，包括四組發(fā)射接收裝置、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(qū)動模塊14 ;所述上層電容平板11的一端與第一固定底座9相連，另一端與第二固定底座15相連；上層電容平板11的正中間設(shè)有質(zhì)量塊區(qū)域17 ;在質(zhì)量塊區(qū)域17的左右兩側(cè)刻蝕回形懸臂梁10，上下兩端各設(shè)有一與質(zhì)量塊區(qū)域17相連的T形光柵區(qū)，在上層電容平板11上圍繞質(zhì)量塊區(qū)域17和T形光柵區(qū)刻蝕通道，使得質(zhì)量塊區(qū)域17僅通過左右側(cè)的回形懸臂梁10與上層電容平板11連接；在每個T形光柵區(qū)頂面的左右兩側(cè)各刻蝕第一光柵層2 ;第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上并與增反層4電連接。
[0027]所述下層電容平板12上與上層電容平板11的四個第一光柵層2相對應(yīng)的位置刻蝕第二光柵層3，下層電容平板12固定在增反層4上，與增反層4絕緣。
[0028]每組發(fā)射接收裝置包括光源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