脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制作工艺为基础的微机械传感器的到了快速的发展。微机械传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，迅速占领了各种传感器领域，例如微机械加速度传感器等。目前，随着对微机械加速度传感器性能要求的提高，特别是中高精度加速度传感应用需求的不断扩展，与光学测量和微光学技术相结合的高精度微光机加速度传感器的研宄成为了一个重要发展方向。
[0003]在现有的报到中加速度传感器主要分为电感式加速度传感器，电容式加速度传感器，传统机械式加速度传感器。虽然种类繁多，但是现在的加速度传感器的加速度精度最高只能达到纳米量级，一种纳米级的微加速度测量装置是美国Sandia Nat1nal Lab设计的双光栅MEMS加速度传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小加速度但该装置只能测量到微米级加速度，难以达到更高的精度，主要限制因素是光强VS光栅加速度的曲线曲率较低，使得光强相对于加速度的变化较小。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种脉冲微机械加速度传感器及其测量加速度的方法，依据伍德异常现象中的一种特殊情况，即精确控制两层光栅间隔在1/5的波长量级时，调整光栅的周期、占空比等参数，上下两层光栅由于加速度对质量块的牵引发生微位移，反射光强相对于位移距离有脉冲式的变化，与一般的伍德异常光强变化相对于位移的平缓曲线相比，有更高的斜率，设计出传感器能够精确测量到ng量级以下的加速度变化，对于高精度加速度传感领域的应用来说，具有很重要的意义。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种脉冲微机械加速度传感器，包括四组发射接收装置、增反层、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块；所述上层电容平板的一端与第一固定底座相连，另一端与第二固定底座相连；上层电容平板的正中间设有质量块区域；在质量块区域的左右两侧刻蚀回形悬臂梁，上下两端各设有一与质量块区域相连的T形光栅区，在上层电容平板上围绕质量块区域和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域的四个角上具有梳状结构，梳状结构在质量块区域形成的梳状齿作为第一梳状电极，与第一梳状电极配对的梳状齿作为第二梳状电极，所述第二梳状电极靠静电力被第一梳状电极吸引或排斥；在每个T形光栅区顶面的左右两侧各刻蚀运动光栅；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上并与增反层电连接。
[0006]所述下层电容平板上与上层电容平板的四个运动光栅相对应的位置刻蚀固定光栅，下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘。
[0007]每组发射接收装置包括光源、分束器、第一红外光电探测器、第一聚焦透镜组、第二红外光电探测器和第二聚焦透镜组；光源置于上层电容平板的运动光栅正上方，光源的下方设有分束器，第一红外光电探测器和第二红外光电探测器对称置于光源的两侧，第一聚焦透镜组置于第一红外光电探测器的正下方，第二聚焦透镜组置于第二红外光电探测器的正下方；四个第一红外光电探测器和四个第二红外光电探测器均与信号处理模块相连；下层电容平板的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；增反层的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；电流驱动模块与信号处理模块相连。
[0008]所述光源为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层由Si基底上依次镀有600nm的S1jP 800nm的Si 3N4形成；所述运动光栅和固定光栅厚度均为950_965nm ;光栅数均为30-80个，周期T均为1493-1500nm，占空比均为0.45-0.5 ;运动光栅与固定光栅的空气间隙为300-400nm。
[0009]进一步地，所述的光源为垂直腔表面发射激光器。
[0010]一种利用上述脉冲微机械加速度传感器测量加速度的方法，包括以下步骤:
每组发射接收装置的光源发出的光通过分束器产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组照射到第一红外光电探测器上；另一路激光依次通过上层电容平板的运动光栅、下层电容平板的固定光栅和增反层后，经过增反层反射的光束通过第二聚焦透镜组照射到第二红外光电探测器上；
每组发射接收装置的第一红外光电探测器和第二红外光电探测器上接收到的光强信号传送到信号处理模块进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块输出电流到上层电容平板和下层电容平板，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时给予电容平板的电流；当上层电容平板和下层电容平板发生横向相对位移时产生脉冲式光强信号，调整提供给第一梳状电极和第二梳状电极的电流，使得两层光栅保持在脉冲光强斜率最大的位置，该位置记为横向初始位置，锁定此时给予梳状电极的电流；当上层电容平板和下层电容平板由于加速度对质量块的牵引再次发生横向相对位移时，通过电流驱动模块驱动第一梳状电极和第二梳状电极，将运动光栅拉回到锁定的横向初始位置，计算输出的电流，最终得到运动光栅的微小位移，根据回形悬臂梁的弹性系数和质量块的质量，计算出输入的加速度大小；对四个第一红外光电探测器和四个第二红外光电探测器采集的信号进行分析得到的四组加速度大小取平均，得到最终的加速度；若由于外界震动的原因造成上层电容平板和下层电容平板之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。
[0011]本发明有益的效果是:本发明结构紧凑、体积小、质量轻；探测信号信噪比高，能够精确反映两个维度加速度加速度变化；具有调节能力，系统灵活；测量精度高，突破了现有的加速度传感器的探测精度；引入梳状电极，动态范围大，同时通过静电力产生的微加速度与测量的微加速度平衡，保证运动光栅始终处于平衡位置，也即最灵敏的测量点位置，提高了系统测量精度，从而该器件能够同时测量大加速度并保持较高精度；通过设计四组探测结构，并对其获得的加速度信号进行均分，可以大大提高信噪比；器件和基片易加工制作，成本比同类型的加速度传感器低。同时，将光源，探测器以及光栅集成在一起，可以大大缩小系统的体积。根据此特点，可以在加速度测量的小型化，高精度方面有着突破性进展。
【附图说明】
[0012]图1为本发明脉冲微机械加速度传感器的总体结构示意图；
图2为上层电容平板的结构示意图；
图3为下层电容平板的结构示意图；
图4为光源和探测器的结构示意图；
图5为整体结构不意图；
图6为上层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；
图7为下层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；
图8为单组光栅中反射光强随着上下两层光栅由于加速度引起的相对移动产生的脉冲式变化曲线图；
图9为图8的脉冲局部放大图；
图中，光源1、运动光栅2、固定光栅3、增反层4、第一红外光电探测器5、第一聚焦透镜组6、第二红外光电探测器7、第二聚焦透镜组8、第一固定底座9、回形悬臂梁10、上层电容平板11、下层电容平板12、信号处理模块13、电流驱动模块14、第二固定底座15、分束器16、第一梳状电极17、第二梳状电极18、质量块区域1