基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，包括不透明的矩形殼體(9)、封裝在矩形殼體(9)底部的芯片和矩形殼體(9)側(cè)壁上部固定的光源(8)；其中，所述的芯片依次由基底(1)、下絕緣材料層(2)、光敏材料層(3)、微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)組成；其特征在于：所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)的中部和上絕緣材料層(4)的中部為貫通的矩形空腔；空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊(7a)通過(guò)條狀的微懸梁(7b)連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂；且矩形質(zhì)量塊(7a)在微懸梁(7b)方向的長(zhǎng)度小于或等于矩形空腔在微懸梁(7b)方向的長(zhǎng)度的1/2。其靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)快、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)；且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，易于批量化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】
基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光電式加速度傳感器。【背景技術(shù)】
[0002]加速度傳感器是一種能夠測(cè)量慣性力的電子設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車制動(dòng)/啟動(dòng)檢測(cè)、地震檢測(cè)、振動(dòng)測(cè)試與分析、地質(zhì)勘探、安全保衛(wèi)振動(dòng)偵察、圖像自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、慣性導(dǎo)航、硬盤保護(hù)、游戲控制等領(lǐng)域。目前加速度傳感器主要有壓電式、壓阻式、電容式和光電式等四種。其中，光電式加速度傳感器主要包括相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和光纖布拉格光柵型三種。
[0003]相位調(diào)制型加速度傳感器利用被測(cè)物體加速度發(fā)生改變之后，反射回來(lái)的信號(hào)光束與參考光束發(fā)生干涉的現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。該類型的加速度傳感器具有體積小、頻帶寬、失真度小、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)；但是，其成本高，并且由于溫度漂移的存在，其測(cè)量精度低、可靠性差、重復(fù)性差。
[0004]光強(qiáng)調(diào)制型加速度傳感器利用入射光受到對(duì)加速度敏感的結(jié)構(gòu)的影響之后，光敏器件所接收到反射光、透射光或偏振光的強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。該類型的加速度傳感器具有體積小、穩(wěn)定性好、精度較高等優(yōu)點(diǎn)；但是其機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械加工難度大，導(dǎo)致其分辨率低、重復(fù)性較差、可靠性不好。
[0005]光纖布拉格光柵加速度傳感器利用受力狀態(tài)下的懸臂梁不同厚度層產(chǎn)生的不同應(yīng)變所引起光纖光柵的啁嗽效應(yīng)或波長(zhǎng)漂移來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。具有抗電磁干擾、體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、易組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其壽命短、不耐高溫、且易受溫度影響。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，該種光電式加速度傳感器的檢測(cè)靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)快、可靠性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng);且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，加工成本低，易于批量化生產(chǎn)。
[0007]本發(fā)明解決其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是:一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，包括不透明的矩形殼體、封裝在矩形殼體底部的芯片和矩形殼體側(cè)壁上部固定的光源;其中，所述的芯片的組成是:基底、基底上表面沉積的下絕緣材料層、下絕緣材料層的上表面生長(zhǎng)有光敏材料層、光敏材料層的上表面沉積有上絕緣材料層和兩個(gè)金電極； 上絕緣材料層的上表面生長(zhǎng)有一層不透明的結(jié)構(gòu)材料層;其特征在于:
[0008]所述的結(jié)構(gòu)材料層的中部和上絕緣材料層的中部為貫通的矩形空腔;矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊通過(guò)條狀的微懸梁連接在結(jié)構(gòu)材料層靠近光源一側(cè)的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊在微懸梁方向的長(zhǎng)度小于或等于矩形空腔在微懸梁方向的長(zhǎng)度的1/2。
[0009]本發(fā)明的工作過(guò)程和原理是:
[0010]將本發(fā)明的光電式加速度傳感器固裝于運(yùn)動(dòng)物體上，使其芯片與物體運(yùn)動(dòng)方向垂直。當(dāng)物體加速或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，矩形質(zhì)量塊受到慣性力的作用并傳遞給微懸梁，使微懸梁相應(yīng)的彎曲，其彎曲程度與加速度大小正相關(guān);進(jìn)而使矩形質(zhì)量塊發(fā)生與加速度大小正相關(guān)的傾斜而不再與運(yùn)動(dòng)方向垂直;在光源的照射下，異形微懸臂的矩形質(zhì)量塊在光敏材料層表面的投影面積的大小會(huì)也隨之而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致光敏材料層產(chǎn)生的光電流發(fā)生改變，光敏材料層通過(guò)金電極向外輸出的電流發(fā)生改變。從而通過(guò)光電流的變化而對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的加速度的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0011]與現(xiàn)有光電式加速度傳感器相比，本發(fā)明的有益效果:
[0012]—、本發(fā)明采用異形微懸臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)矩形質(zhì)量塊受到慣性力的作用并傳遞給細(xì)小的微懸梁，微懸梁彎曲并使矩形質(zhì)量塊發(fā)生傾斜，進(jìn)而使其在光敏材料層表面的投影面積的大小產(chǎn)生變化，導(dǎo)致光敏材料層產(chǎn)生的光電流發(fā)生改變，最終實(shí)現(xiàn)加速度的檢測(cè)。這種基于微懸梁彎曲的加速度微懸臂感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)快、抗電磁干擾、受溫度影響小，重復(fù)性好、可靠性強(qiáng)。
[0013]二、較之在不同的厚度層產(chǎn)生的不同應(yīng)變的光纖光柵結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的異形微懸臂結(jié)構(gòu)由矩形質(zhì)量塊通過(guò)條狀的微懸梁連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層的空腔壁上構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 加工容易、成本低，可批量化生產(chǎn)。
[0014]進(jìn)一步本發(fā)明的矩形質(zhì)量塊的寬度大于等于條形微懸梁寬度的5倍;光源的光斑中心與矩形質(zhì)量塊的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。
[0015]矩形質(zhì)量塊的寬度大于條形微懸梁寬度的的5倍，保證了異形微懸臂的靈敏度和響應(yīng)效率，而且具有較大的受光面積，提高了加速度的檢測(cè)范圍。
[0016]光源的光斑中心與矩形微懸梁和矩形質(zhì)量塊的連接中心的連線與水平面成40-50 度的夾角，這對(duì)光敏材料層表面的陰影面積進(jìn)行了二次放大(第一次放大:在光線在傳播的過(guò)程中遇到遮擋物之后，會(huì)在投影面上產(chǎn)生一個(gè)陰影，陰影面積的放大程度與光源到遮擋物的距離和遮擋物到投影面的距離有關(guān);第二次放大:當(dāng)光線以一定的角度傾斜照射到遮擋物上時(shí)，其在水平面上的投影面積比垂直于水平面照射要大，此時(shí)投影面積的放大程度與光源與水平面的夾角成反比關(guān)系)，從而在更大程度上提高了加速度檢測(cè)的靈敏度和分辨率。40-50度角既使陰影的放大倍數(shù)大，同時(shí)其檢測(cè)范圍也大。
[0017]進(jìn)一步，本發(fā)明的基底由單晶硅、石英或碳化硅制成。
[0018]進(jìn)一步，本發(fā)明的的基底由PDMS、PET或PI材料制成。
[0019]進(jìn)一步，本發(fā)明的上絕緣材料層和下絕緣材料層均由二氧化硅或氮化硅形成。
[0020]進(jìn)一步，本發(fā)明的的光敏材料層為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的在微懸梁未彎曲(被檢測(cè)物體加速度為零)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的在微懸梁彎曲(被檢測(cè)物體加速度不為零)時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖1、圖2中帶箭頭的線表示光源發(fā)出的光線，黑色的矩形部分表示光源的光線被矩形質(zhì)量塊遮擋后在光敏材料層表面形成的陰影?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例
[0025]圖1-2示出，本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】是:一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，包括不透明的矩形殼體9、封裝在矩形殼體9底部的芯片和矩形殼體9側(cè)壁上部固定的光源8;其中，所述的芯片的組成是:基底1、基底1上表面沉積的下絕緣材料層2、下絕緣材料層2的上表面生長(zhǎng)有光敏材料層3、光敏材料層3的上表面沉積有上絕緣材料層4和兩個(gè)金電極3a;上絕緣材料層4的上表面生長(zhǎng)有一層不透明的微懸臂結(jié)構(gòu)層5;其特征在于:
[0026]所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層5的中部和上絕緣材料層4的中部為貫通的矩形空腔;矩形空腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊7a通過(guò)條狀的微懸梁7b連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層5靠近光源8—側(cè)的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊7a在微懸梁7b方向的長(zhǎng)度小于或等于矩形空腔在微懸梁 7b方向的長(zhǎng)度的1/2。
[0027]本例的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所述的矩形質(zhì)量塊7a的寬度大于等于條形微懸梁7b寬度的5倍;所述的光源8的光斑中心與矩形質(zhì)量塊7a 的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。
[0028]本例的基底1由單晶硅、石英或碳化硅制成。[〇〇29] 本例的基底1由PDMS、PET或PI材料制成。
[0030]本例的上絕緣材料層2和下絕緣材料層4均由二氧化硅或氮化硅形成。
[0031]本例的光敏材料層3為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。
[0032]本發(fā)明的光電式加速度傳感器可以單個(gè)獨(dú)立使用，也可多個(gè)并聯(lián)形成傳感器陣列使用。多個(gè)傳感器構(gòu)成陣列使用時(shí)，可成倍提高其檢測(cè)靈敏度、分辨率和可靠性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，包括不透明的矩形殼體(9)、封裝在矩 形殼體(9)底部的芯片和矩形殼體(9)側(cè)壁上部固定的光源(8);其中，所述的芯片的組成 是:基底(1)、基底(1)上表面沉積的下絕緣材料層(2)、下絕緣材料層(2)的上表面生長(zhǎng)有光 敏材料層(3)、光敏材料層(3)的上表面沉積有上絕緣材料層(4)和兩個(gè)金電極(3a);上絕緣 材料層(4)的上表面生長(zhǎng)有一層不透明的微懸臂結(jié)構(gòu)層(5);其特征在于:所述的微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)的中部和上絕緣材料層(4)的中部為貫通的矩形空腔;矩形空 腔內(nèi)的矩形質(zhì)量塊(7a)通過(guò)條狀的微懸梁(7b)連接在微懸臂結(jié)構(gòu)層(5)靠近光源(8)—側(cè) 的空腔壁上構(gòu)成異形微懸臂;且矩形質(zhì)量塊(7a)在微懸梁(7b)方向的長(zhǎng)度小于或等于矩形 空腔在微懸梁(7b)方向的長(zhǎng)度的1/2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所 述的矩形質(zhì)量塊(7a)的寬度大于等于條形微懸梁(7b)寬度的5倍;所述的光源(8)的光斑中 心與矩形質(zhì)量塊(7a)的幾何中心的連線與水平面成40-50度的夾角。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所 述的基底(1)由單晶硅、石英或碳化硅制成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所 述的基底(1)由PDMS、PET或PI材料制成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所 述上絕緣材料層(2)和下絕緣材料層(4)均由二氧化硅或氮化硅形成。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微懸臂投影的光電式加速度傳感器，其特征在于:所 述的光敏材料層(3)為銻化銦紅外光敏材料層、碲鎘汞紅外光敏材料層、氧化鋅紫外光敏材料層。
【文檔編號(hào)】G01P15/093GK106093469SQ201610382181
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日 公開號(hào)201610382181.8, CN 106093469 A, CN 106093469A, CN 201610382181, CN-A-106093469, CN106093469 A, CN106093469A, CN201610382181, CN201610382181.8
【發(fā)明人】錢林茂, 汪紅波, 蔣淑蘭, 李斌, 余丙軍, 陳磊
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)