專利名稱：三明治式光學微機械加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種三明治式光學微機械加速度傳感器。
背景技術：
加速度傳感器作為最重要的慣性儀表之一，在慣性導航和慣性制導系統(tǒng)中有著廣泛的應用，尤其與海陸空天運載體的自動駕駛及先進武器的高精度制導聯(lián)系在一起而倍受重視。近年來隨著集成電路制造工藝和微機械加工工藝的發(fā)展，以這兩種制造工藝為基礎的微機械加速度傳感器得到了快速發(fā)展。微機械加速度傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強和可批量生產(chǎn)等特點，不僅成為微型慣性測量組合的核心器件，也迅速擴大到其他民用領域。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(fā)展方向。 在現(xiàn)有報道中，光學微機械加速度傳感器大多采用基于干涉或衍射等理論，通過外界加速度的變化引起干涉條紋或者衍射條紋的變化。由于干涉測量的精度主要為波長量級，因此對加速度的精度的提高起了限制作用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，提供一種三明治式光學微機械加速度傳感器。 本發(fā)明的目的是基于以下方法實現(xiàn)的 三明治式光學微機械加速度傳感器包括激光光源、擴束透鏡組、分光棱鏡、第一光電探測器、玻璃基底、多晶硅薄膜層、第一硅基底、第二硅基底、聚焦透鏡組、第一亞波長光柵、彈性梁、位移執(zhí)行器、第二光電探測器、質量塊正面淺凹槽、質量塊、質量塊背面凹槽、第二亞波長光柵；玻璃基底上依次設有激光光源、擴束透鏡組、分光棱鏡、聚焦透鏡組、第一光電探測器，玻璃基底下依次設有多晶硅薄膜層、第一硅基底、第二硅基底，多晶硅薄膜層上設有第一亞波長光柵，第一硅基底上設有設有質量塊正面淺凹槽，質量塊正面淺凹槽內設有第二亞波長光柵、彈性梁、位移執(zhí)行器、質量塊正面淺凹槽、質量塊，質量塊上部設有第二亞波長光柵，質量塊兩端分別設有彈性梁，質量塊兩側分別設有位移執(zhí)行器，質量塊下部設有質量塊背面凹槽，第二硅基底上設有第二光電探測器；光從激光光源發(fā)出，通過擴束透鏡組、分光棱鏡產(chǎn)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，另外一路激光通過分光棱鏡、至玻璃基底、第一亞波長光柵、第二亞波長光柵，由第二光電探測器接收。 所述的第一亞波長光柵或第二亞波長光柵的周期為0. 3 2微米，厚度為0. 5 3微米，第一亞波長光柵與第二亞波長光柵之間的空氣間隙為0. 05 1微米。
本發(fā)明利用兩組亞波長光柵之間的相互運動，來對反射光強進行調制，通過此方法，可以突破傳統(tǒng)加速度計的精度，可以被用于慣性導航，地表探測等方面。采用三明治的
3結構，能夠大大縮小系統(tǒng)的體積，將光源，傳感單元，探測器集成在一起，能夠實現(xiàn)傳感系統(tǒng) 的小型化，在航空，軍事領域都具有很廣泛的應用前景。 本發(fā)明結構緊湊、體積小、質量輕；探測信號信噪比高，能夠精確反映加速度的變 化；系統(tǒng)靈活；測量精度高，突破了現(xiàn)有加速度傳感器的探測精度。


圖1是三明治式光學微機械傳感器的系統(tǒng)結構示意圖；
圖2是三明治式光學微機械傳感器的系統(tǒng)結構分解圖；
圖3是本發(fā)明的表面加工有亞波長光柵的玻璃基底圖； 圖4是本發(fā)明的表面刻有凹槽，并加工有亞波長光柵、質量塊、彈性梁、和電容式 微位移執(zhí)行器的硅基底的正面圖； 圖5是本發(fā)明的表面刻有凹槽，并加工有亞波長光柵、質量塊、彈性梁、和電容式 微位移執(zhí)行器的硅基底的背面圖； 圖6是本發(fā)明的玻璃基底和硅基底鍵合后，兩組亞波長光柵耦合后的剖面示意 圖； 圖7是本發(fā)明的加工在另一硅基底上的光電探測器的示意圖。
具體實施例方式
如附圖所示，三明治式光學微機械加速度傳感器包括激光光源1、擴束透鏡組2、 分光棱鏡3、第一光電探測器4、玻璃基底5、多晶硅薄膜層6、第一硅基底7、第二硅基底8、 聚焦透鏡組9、第一亞波長光柵10、彈性梁11、位移執(zhí)行器12、第二光電探測器13、質量塊正 面淺凹槽14、質量塊15、質量塊背面凹槽16、第二亞波長光柵17 ;玻璃基底5上依次設有激 光光源1、擴束透鏡組2、分光棱鏡3、聚焦透鏡組9、第一光電探測器4，玻璃基底5下依次 設有多晶硅薄膜層6、第一硅基底7、第二硅基底8，多晶硅薄膜層6上設有第一亞波長光柵 IO，第一硅基底7上設有設有質量塊正面淺凹槽14，質量塊正面淺凹槽14內設有第二亞波 長光柵17、彈性梁11、位移執(zhí)行器12、質量塊正面淺凹槽14、質量塊15，質量塊15上部設有 第二亞波長光柵17，質量塊15兩端分別設有彈性梁ll，質量塊15兩側分別設有位移執(zhí)行 器12，質量塊15下部設有質量塊背面凹槽16，第二硅基底8上設有第二光電探測器13 ;光 從激光光源1發(fā)出，通過擴束透鏡組2、分光棱鏡3產(chǎn)生兩路激光、一路激光通過聚焦透鏡組 9，照射到第一光電探測器4上，另外一路激光通過分光棱鏡3、至玻璃基底5、第一亞波長光 柵10、第二亞波長光柵17，由第二光電探測器13接收。 所述的第一亞波長光柵10或第二亞波長光柵17的周期為0. 3 2微米，厚度為 0. 5 3微米，第一亞波長光柵10與第二亞波長光柵17之間的空氣間隙為0. 05 1微米。
當偏振單色光垂直入射到亞波長光柵上時，會在光柵表面以倏逝波的方式進行傳 播。當兩個亞波長光柵在垂直方向距離很近時，光會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到倏逝場耦合回原來的光柵，由此原理，可以在 兩個亞波長光柵之間形成諧振場。當兩個亞波長彼此之間發(fā)生相對位移時，會導致諧振場 發(fā)生變化，在很小的位移范圍內，會使得透射光強度急劇提高，通過探測透射光的變化，我 們可以精確得到兩個亞波長光柵之問的水平相對位移。為了標定兩個亞波長光柵之間的初始水平位置，本發(fā)明采用位移執(zhí)行器來推動質量塊，使得兩個亞波長光柵的水平位移在諧 振區(qū)域。此外，為了提高探測信號的信噪比，本發(fā)明利用兩個光電探測器，一個用來探測激 光的光強，另一個用來探測通過兩個亞波長光柵的透射光光強。通過將兩個光電探測器得 到的信號進行差分運算，可以得到精確得到透射光和兩個亞波長光柵之間的相對位移的關 系。通過合理設計質量塊，使得質量塊受到的加速度和發(fā)生的相應位移成線性關系。就能 夠對加速度進行非常靈敏的探測。為了使系統(tǒng)小型化，通過鍵合的方法，將光源，傳感部件 以及探測部件連接成一個系統(tǒng)，這對于日常應用來說，具有非常重大的意義。
三明治式光學微機械傳感器制作方法包括以下步驟 1.將普通玻璃(例如K9玻璃)表面清潔干凈，烘干。接著利用高溫蒸鍍的方法， 在玻璃表面鍍上一層厚度為400納米的多晶硅薄膜。接著，制作一個材料為鉻，周期為800 納米的光柵掩膜，并通過干法刻蝕，將玻璃基底上的多晶硅薄膜刻蝕成周期為800納米的 2.在硅基底的正面通過光刻，濕法刻蝕的方法，刻蝕一個寬度為5毫米X5毫米， 深度為100納米的凹槽。然后，在凹槽內刻蝕一個大小為500微米X500微米，厚度為400 微米的質量塊。在質量塊的背面，通過光刻和濕法刻蝕的方法，將大小為IO微米X10微米 的中心區(qū)域，刻蝕出一個深度為399. 6微米的凹槽，即將中心區(qū)域的質量塊厚度減薄為400 納米。在此中心區(qū)域，通過干法刻蝕的方法，加工出一個周期為800納米的亞波長光柵。
3.在上述硅基底的質量塊側壁，通過干法刻蝕，加工出四個彈性梁，并在相鄰的兩 個側壁，通過濕法刻蝕的方法，加工出兩組對稱的電容式位移執(zhí)行器。并在電容位移執(zhí)行器 上鍍上電極，并連接可變電壓源。 4.取另一個硅片，擦拭干凈，并在其表面鍍上電極，接著將第二光電倍增管和外圍 電路焊接到硅片上。 5.通過高溫鍵合的方法，將玻璃基底，帶有質量塊的硅片以及帶有第二光電倍增 管的硅片依次鍵合。 6.在玻璃基底背面，鍵合上帶有擴束透鏡組小型激光器，激光器的波長為805納 米。同時，順著激光光路的方向，再鍵合上分光棱鏡，調整光路，使得激光器發(fā)出的光垂直入 射到亞波長光柵的表面。接著，在分光棱鏡后再鍵合上帶有聚焦透鏡的第一光電倍增管，來 探測光源的輸出光強。 當系統(tǒng)要探測加速度時，首先，將系統(tǒng)放置于加速度測試轉臺上，然后，調整電容 位移執(zhí)行器上施加的電壓，使得硅基底上的亞波長光柵相對玻璃基底上的光柵水平運動， 觀測玻璃基底上第一光電倍增管的輸出電壓值，當電壓值達到最小時，保持施加的電壓不 變。接著，對第一光電倍增管和第二光電倍增管輸出的信號進行差分探測，得到最終的信 號。通過對系統(tǒng)施加不同的加速度，可以得到不同的最終信號的輸出電壓值，從而得到加速 度的大小。
權利要求
一種三明治式光學微機械加速度傳感器，其特征在于包括激光光源(1)、擴束透鏡組(2)、分光棱鏡(3)、第一光電探測器(4)、玻璃基底(5)、多晶硅薄膜層(6)、第一硅基底(7)、第二硅基底(8)、聚焦透鏡組(9)、第一亞波長光柵(10)、彈性梁(11)、位移執(zhí)行器(12)、第二光電探測器(13)、質量塊正面淺凹槽(14)、質量塊(15)、質量塊背面凹槽(16)、第二亞波長光柵(17)；玻璃基底(5)上依次設有激光光源(1)、擴束透鏡組(2)、分光棱鏡(3)、聚焦透鏡組(9)、第一光電探測器(4)，玻璃基底(5)下依次設有多晶硅薄膜層(6)、第一硅基底(7)、第二硅基底(8)，多晶硅薄膜層(6)上設有第一亞波長光柵(10)，第一硅基底(7)上設有設有質量塊正面淺凹槽(14)，質量塊正面淺凹槽(14)內設有第二亞波長光柵(17)、彈性梁(11)、位移執(zhí)行器(12)、質量塊正面淺凹槽(14)、質量塊(15)，質量塊(15)上部設有第二亞波長光柵(17)，質量塊(15)兩端分別設有彈性梁(11)，質量塊(15)兩側分別設有位移執(zhí)行器(12)，質量塊(15)下部設有質量塊背面凹槽(16)，第二硅基底(8)上設有第二光電探測器(13)；光從激光光源(1)發(fā)出，通過擴束透鏡組(2)、分光棱鏡(3)產(chǎn)生兩路激光、一路激光通過聚焦透鏡組(9)，照射到第一光電探測器(4)上，另外一路激光通過分光棱鏡(3)、至玻璃基底(5)、第一亞波長光柵(10)、第二亞波長光柵(17)，由第二光電探測器(13)接收。
2. 如權利要求1所述的一種三明治式光學微機械加速度傳感器，其特征在于所述的第 一亞波長光柵(10)或第二亞波長光柵(17)的周期為0. 3 2微米，厚度為0. 5 3微米， 第一亞波長光柵(10)與第二亞波長光柵(17)之間的空氣間隙為0. 05 1微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三明治型光學微機械加速度傳感器及其方法。它包括部件組成激光光源、分光棱鏡、第一光電探測器、第一硅基底、第二硅基底、第一亞波長光柵、彈性梁、位移執(zhí)行器、第二光電探測器、質量塊、第二亞波長光柵等組成。光從激光光源發(fā)出，通過擴束透鏡組、分光棱鏡產(chǎn)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，另外一路激光通過分光棱鏡、至玻璃基底、第一亞波長光柵、第二亞波長光柵，由第二光電探測器接收。為了使系統(tǒng)小型化，本發(fā)明將玻璃基和第一硅基底以及第二硅基底通過鍵合組成了一個三明治結構。本發(fā)明大大縮小系統(tǒng)的體積，能夠實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的小型化，精度高，在航空，軍事領域都具有很廣泛的應用前景。
文檔編號G01P15/093GK101788570SQ20101010414
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者侯昌倫, 曾旭 申請人:浙江大學