脉冲微机械加速度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型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。
【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，本实用新型提供了一种脉冲微机械加速度传感器，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]本实用新型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]本实用新型的有益效果是:本实用新型结构紧凑、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】
[0011]图1为本实用新型脉冲微机械加速度传感器的总体结构示意图；
[0012]图2为上层电容平板的结构示意图；
[0013]图3为下层电容平板的结构示意图；
[0014]图4为光源和探测器的结构示意图；
[0015]图5为整体结构示意图；
[0016]图6为上层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；
[0017]图7为下层电容平板四组结构中一组光栅局部放大图；
[0018]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；
[0019]图9为图8的脉冲局部放大图；
[0020]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19。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0022]当TE偏振的1530nm的红外光源垂直照射到亚波长光栅上时，会在光栅表面以倏逝波的形式传播。本实用新型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(300-400nm间隔)，调整光栅的周期、占空比等参数，使得反射光强相对于由于加速度对质量块牵引产生的位移距离有脉冲式的变化。当两个光栅在垂直方向距离很近时，光会在两层光栅之间震荡，光通过倏逝场从一个光栅传到另外一个光栅，同时另外一个光栅的倏逝波也会通过倏逝场耦合原来的光栅这是一种特殊的伍德异常现象，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，能够极大地放大微小位移和加速度的信号，能够精确测量到ng量级以下的加速度变化。
[0023]如图1-7所示，本实用新型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4、第一固定底座9、第二固定底座15、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和电流驱动模块14 ;所述上层电容平板11的一端与第一固定底座9相连，另一端与第二固定底座15相连；上层电容平板11的正中间设有质量块区域19 ;在质量块区域19的左右两侧刻蚀回形悬臂梁10，上下两端各设有一与质量块区域19相连的T形光栅区，在上层电容平板11上围绕质量块区域19和T形光栅区刻蚀通道；所述通道在质量块区域19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17，与第一梳状电极17配对的梳状齿作为第二梳状电极18，所述第二梳状电极18靠静电力被第一梳状电极17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2 ;第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反层4上并与增反层4电连接。
[0024]所述下层电容平板12上与上层电容平板11的四个运动光栅2相对应的位置刻蚀固定光栅3，下层电容平板12固定在增反层4上，与增反层4绝缘。
[0025]每组发射接收装置包括光源1、分束器16、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和第二聚焦透镜组8 ;光源I置于上层电容平板11的运动光栅2正上方，光源I的下方设有分束器16，第一红外光电探测器5和第二红外光电探测器7对称置于光源I的两侧，第一聚焦透镜组6置于第