專利名稱：集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器及其檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微光電子機械系統(tǒng)(MOEMS)加速度傳感器領域，尤其涉及一種集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器。
背景技術：
微機械加速度傳感器(Micro-machined Acceleration Sensor)是微機電系統(tǒng)具有代表性的器件之一，它具有體積小、質(zhì)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(zhí)行器、第二光電探測器、質(zhì)量塊、第二亞波長光柵等。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(fā)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(zhàn)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(fā)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(fā)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(diào)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(nèi)設有沿光路依次布置的光源和光柵，所述外殼內(nèi)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(nèi)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(zhì)量塊和連接所述質(zhì)量塊的懸臂梁，所述質(zhì)量塊朝向所述光柵的一面為鍍有金屬鋁膜的反射面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高檢測精度和抗外界干擾強的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器及其檢測方法?！N集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，包括外殼，外殼內(nèi)設有沿光路依次布置的光源、光柵和MEMS傳感機構，所述MEMS傳感機構包括質(zhì)量塊和連接所述質(zhì)量塊的懸臂梁，所述質(zhì)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(fā)生干涉形成；所述光柵和MEMS傳感機構之間設有用于對所述光反射面出射光束進行位相調(diào)制的電光晶體，還設有用于驅動所述電光晶體產(chǎn)生電光效應的電壓驅動模塊，以及根據(jù)所述光電探測器的信號得到相應的加速度的信號處理模塊。所述光源優(yōu)選為垂直腔表面發(fā)射激光器，垂直腔表面發(fā)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(yōu)勢。所述的MEMS傳感機構還包括一矩形框，所述質(zhì)量塊位于矩形框的中部，所述懸臂梁連接在所述質(zhì)量塊和矩形框之間。述質(zhì)量塊位于矩形框的中心部位，以便于質(zhì)量塊的穩(wěn)固安放，所述質(zhì)量塊可以為矩形或圓形；懸臂梁和質(zhì)量塊的頂面處于同一平面，以保證光反射面的唯一性。所述光電探測器為光電二極管，光電二級管和電壓驅動模塊均與信號處理模塊連接，信號處理模塊一方面通過控制電壓驅動模塊來使電光晶體產(chǎn)生電光效應，另一方面用于接收光電探測器收集的信息，信號處理模塊通過分析對比光電探測器所反饋的信息計算出質(zhì)量塊的位移量，所述信號處理模塊優(yōu)選為鎖相放大差分處理電路。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(zhì)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(zhì)量塊提供位移變化的空間。所述電光晶體的上下面均鍍有ITO透明導電膜，所述電壓驅動模塊與ITO透明導電膜連接。電壓驅動模塊向ITO透明導電膜輸出電壓，電光晶體在電場的作用下發(fā)生電光效應，對透過電光晶體的光束進行位相調(diào)制。所述光柵為鍍設在電光晶體頂面的金屬薄膜鉻，并采用電子束曝光制作而成的金屬光柵。本發(fā)明的微光學加速度傳感器工作過程如下:垂直腔表面發(fā)射激光器發(fā)出相干光束入射到金屬光柵上時，一部分光由光柵條直接反射，形成多級次的衍射光束；另一部分穿過光柵間隙透過電光晶體照射到質(zhì)量塊的光反射面，然后反射回來透過電光晶體，經(jīng)過光柵形成多級次的衍射光束；這兩部分相同級次的衍射光束產(chǎn)生干涉，干涉信號的強度被光電探測器收集。當有外界加速度作用時，懸臂梁帶動質(zhì)量塊發(fā)生位移時，光柵與質(zhì)量塊之間的距離發(fā)生變化，從而干涉信號的強度發(fā)生變化。電光晶體在電壓驅動模塊的驅動下產(chǎn)生電光效應，使透過電光晶體的光束的位相產(chǎn)生變化，產(chǎn)生位相調(diào)制，通過檢測兩個不同級次衍射光強的信號，通過鎖相放大和差分技術可精確得到光柵和質(zhì)量塊之間的距離的變化，由此位移變化即可測得加速度的大小。本發(fā)明還提供了一種利用上述微光學加速度傳感器的檢測方法，包括:I)光源出射光束經(jīng)過光柵后投射到質(zhì)量塊的光反射面，被光柵反射的衍射光束和被光反射面反射經(jīng)過光柵產(chǎn)生的同級次衍射光束發(fā)生干涉，通過光電探測器測得干涉光束的第一強度信號；2)在有外界加速度作用時，質(zhì)量塊發(fā)生位移，光源出射光束經(jīng)過光柵后投射到質(zhì)量塊的光反射面，被光柵反射的衍射光束和被光反射面反射經(jīng)過光柵產(chǎn)生的同級次衍射光束發(fā)生干涉，然后通過光電探測器測得干涉光束的第二強度信號；3)對比兩次檢測到的干涉光束的強度信號，通過鎖相放大和差分技術得到質(zhì)量塊的位移量；4)根據(jù)質(zhì)量塊的位移量計算出加速度。
本發(fā)明將光柵干涉技術與MEMS結合，通過測量由外界加速度引起的光強變化，進而可測得加速度。當有相干光束入射到金屬光柵上時，一部分光由光柵條直接反射；另一部分通過光柵間隙照射到質(zhì)量塊的反射面，然后反射回來，這兩部分光干涉形成多級衍射光斑。本發(fā)明中的光柵與質(zhì)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(zhì)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/3i2) X sin2 (2 π d/λ ) (I)式中:Iin為入射光功率；d為金屬光柵與質(zhì)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，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。本發(fā)明的有益效果是:引入電光晶體作為調(diào)制器件，能夠大大提高傳感器的探測靈敏度；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，降低電路噪聲，提聞系統(tǒng)測量精度。


圖1為本發(fā)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(fā)明的微光學加速度傳感器的原理示意圖。圖4為本發(fā)明金屬光柵的俯視圖。圖5為本發(fā)明電光晶體的結構示意圖。圖6為本發(fā)明MEMS傳感機構的結構示意圖。圖7為信號調(diào)解原理圖。圖中，垂直腔表面發(fā)射激光器1、金屬光柵2、懸臂梁3、質(zhì)量塊4、電光晶體5、光電二極管6、光電二極管7、鎖相放大差分處理電路8、電壓驅動模塊9、底座10、外殼11。
具體實施例方式如圖1所不,是本發(fā)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(zhì)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(nèi)，底座10帶有與質(zhì)量塊4相適應的容納腔，該容納腔為質(zhì)量塊4的位移變化提供空間，在MEMS傳感機構上方設置金屬光柵2,金屬光柵2和MEMS傳感機構之間設有電光晶體5,在金屬光柵2的上方及外殼11內(nèi)壁的頂部設置有垂直腔表面發(fā)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和電壓驅動模塊9均與鎖相放大差分處理電路8連接。如圖4所示，本發(fā)明中采用的金屬光柵的周期為2 μ m,即光柵條寬度為I μ m,間隙為I μ m。如圖5所示，電光晶體(如鈮酸鋰或者是鉭酸鋰)片的a面和b面各鍍上一層ITO透明導電膜作為電極，電壓驅動模塊9為兩個電極提供電壓。本發(fā)明采用鍍膜和電子束刻蝕工藝，在電光晶體上制作金屬光柵使光柵與電光晶體作為一個整體形成調(diào)制測量部件，具體的由以下內(nèi)容實現(xiàn):首先在電光晶體(如鈮酸鋰或者是鉭酸鋰)的上下兩個面各鍍上一層ITO透明導電膜作為電極，然后在其中一面鍍金屬薄膜鉻Cr，通過電子束曝光制作出金屬光柵。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(zhì)量塊4，如圖6所示，且懸臂梁3及質(zhì)量塊4的一面鍍有金屬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I μ m左右。質(zhì)量塊和懸臂梁的設計參數(shù)為:質(zhì)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(zhì)量塊和懸臂梁的厚度不等，質(zhì)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。本發(fā)明中采用的垂直腔表面發(fā)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(fā)明的工作過程:垂直腔表面發(fā)射激光器I發(fā)出相干光束入射到金屬光柵2上時,一部分光由金屬光柵2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間隙透過電光晶體5照射到質(zhì)量塊4的光反射面，然后反射回來透過電光晶體5，經(jīng)過金屬光柵形成多級次的衍射光束；這兩部分相同級次的衍射光束產(chǎn)生干涉，干涉信號的強度被光電二極管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(zhì)量塊4發(fā)生位移時，金屬光柵2與質(zhì)量塊4之間的距離發(fā)生變化，從而干涉信號的強度發(fā)生變化。電光晶體5在電壓驅動模塊9的驅動下產(chǎn)生電光效應，使透過電光晶體5的光束的位相產(chǎn)生變化，產(chǎn)生位相調(diào)制，通過光電二極管6和光電二極管7收集這兩個不同級次衍射產(chǎn)生的干涉信號的強度；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(zhì)量塊之間的 距離的變化，由此位移變化即可測得加速度的大小。本發(fā)明中的金屬光柵與質(zhì)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(zhì)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/ Ji2) X sin2 (2 π d/ λ ) (I)式中:Iin為入射光功率；d為金屬光柵與質(zhì)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7所示，b為位相調(diào)制信號，a為經(jīng)過調(diào)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(zhì)量塊之間的距離d關系，則光強I對位移d的I階導數(shù)為a//ad = (8Iin/3T λ) Xsin(4 3id/A)可見，當d等于λ /8的奇數(shù)倍時，光強對位移的靈敏度最大。因而，本發(fā)明中，令d的初始值Cltl為λ/8的奇數(shù)倍。當有外界加速度作用時，一級衍射光的光強將發(fā)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，通過加入電光晶體驅動電壓來進行位相調(diào)制，可以大大提高檢測靈敏度。本發(fā)明的微光學加速度傳感器的靈敏度:由式(I)可知，假定初始質(zhì)量塊與光柵之間的距離(1=λ/2，對應的光電流為O。當光電流為0.1nA時，對應的位移d為0.0868nm。本發(fā)明所采用的MEMS傳感機構，Ig的加速度引起的質(zhì)量塊發(fā)生的最大位移改變量約為20 μ m,因而，對應Inm的位移該變量測得的加速度約為4.34 μ g，即靈敏度在μ g量級。
權利要求
1.一種集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，包括外殼，外殼內(nèi)設有沿光路依次布置的光源、光柵和MEMS傳感機構，所述MEMS傳感機構包括質(zhì)量塊和連接所述質(zhì)量塊的懸臂梁，所述質(zhì)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(fā)生干涉形成；其特征在于，所述光柵和MEMS傳感機構之間設有用于對所述光反射面出射光束進行位相調(diào)制的電光晶體，還設有用于驅動所述電光晶體產(chǎn)生電光效應的電壓驅動模塊，以及根據(jù)所述光電探測器的信號得到相應的加速度的信號處理模塊。
2.如權利要求1所述的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，其特征在于，所述的MEMS傳感機構還包括一矩形框，所述質(zhì)量塊位于矩形框的中部，所述懸臂梁連接在所述質(zhì)量塊和矩形框之間。
3.如權利要求1所述的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，其特征在于，所述光電探測器為光電二極管。
4.如權利要求1所述的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，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(zhì)量塊相適應的容納腔。
5.如權利要求4所述的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器,其特征在于，所述電光晶體的上下面均鍍有ITO透明導電膜，所述電壓驅動模塊與ITO透明導電膜連接。
6.如權利要求1所述的集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，其特征在于，所述光柵為鍍設在電光晶體頂面的金屬薄膜鉻，并采用電子束曝光制作而成的金屬光柵。
7.一種利用權利要求1所述微光學加速度傳感器的檢測方法，其特征在于，包括: O光源出射光束經(jīng)過光柵后投射到質(zhì)量塊的光反射面，被光柵反射的衍射光束和被光反射面反射經(jīng)過光柵產(chǎn)生的同級次衍射光束發(fā)生干涉，通過光電探測器測得干涉光束的第一強度信號； 2)在有外界加速度作用時，質(zhì)量塊發(fā)生位移，光源出射光束經(jīng)過光柵后投射到質(zhì)量塊的光反射面，被光柵反射的衍射光束和被光反射面反射經(jīng)過光柵產(chǎn)生的同級次衍射光束發(fā)生干涉，然后通過光電探測器測得干涉光束的第二強度信號； 3)對比兩次檢測到的干涉光束的強度信號，通過鎖相放大和差分技術得到質(zhì)量塊的位移量; 4)根據(jù)質(zhì)量塊的位移量計算出加速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成光柵電光效應的微光學加速度傳感器，包括外殼，外殼內(nèi)設有沿光路依次布置的光源、光柵和MEMS傳感機構，所述MEMS傳感機構包括質(zhì)量塊和連接所述質(zhì)量塊的懸臂梁，所述質(zhì)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(fā)生干涉形成；所述光柵和MEMS傳感機構之間設有用于對所述光反射面出射光束進行位相調(diào)制的電光晶體，還設有用于驅動所述電光晶體產(chǎn)生電光效應的電壓驅動模塊，以及根據(jù)所述光電探測器的信號得到相應的加速度的信號處理模塊。本發(fā)明還公開了利用上述微光學加速度傳感器的檢測方法。
文檔編號G01P15/093GK103175992SQ20131006110
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權日2013年2月27日
發(fā)明者侯昌倫 申請人:浙江大學