基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计

摘要

本发明公开了一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅、四个悬臂梁和基底组成；光学位移测量系统包括激光器、光电探测器、上层基底层、支撑和连接部分、处理电路和计算机；其中光栅既作为光学位移测量系统中的光学调制元件，又在加速度敏感系统中充当了质量块的角色；本发明微加速度计利用了单片集成的NEMS加速度敏感系统实现了大动态范围的线性加速度敏感，并利用了衍射光栅的干涉现象和亚波长光栅的伍德异常现象实现了很高的位移测量灵敏度，综合两个系统可以达到高精度、大动态范围的加速度测量。

主权项

一种基于单片集成的高精度、大量程光学NEMS微加速度计，其特征在于，由加速度敏感系统和光学位移测量系统组成，所述加速度敏感系统由单片SOI上的光栅(1)、四个悬臂梁(2)和基底(3)组成，所述单片SOI为Si‑SiO₂‑Si的三层结构；所述悬臂梁(2)为蛇形梁结构；对基底(3)上的硅器件层进行电子束曝光或者利用聚焦离子束刻蚀出光栅(1)和四个悬臂梁(2)，其中，光栅(1)位于加速度敏感系统的中央，四个悬臂梁(2)中心对称地分布在光栅(1)的周围；然后通过HF释放二氧化硅牺牲层得到空气间隔(4)；最后通过镀膜的方式在光栅(1)表面和透过光栅(1)的基底(3)区域镀上高反射率的金属膜形成类光栅光阀结构；在加速度敏感系统中光栅(1)充当质量块的角色，其光栅周期为1.5‑2μm；所述光学位移测量系统包括：VCSEL激光器(5)、两个光电探测器(6)、上层基底层(7)、支撑和连接部分(8)、处理电路(9)和计算机(10)；上层基底层(7)通过支撑和连接部分(8)与加速度敏感系统装配在一起，VCSEL激光器(5)和光电探测器(6)均固定在上层基底层(7)下方，VCSEL激光器(5)位于光栅(1)中心的正上方，两个光电探测器(6)对称分布在±1级衍射级次上，均与处理电路(9)相连，处理电路(9)与计算机(10)相连；由VCSEL激光器(5)出射的激光经过准直垂直入射到光栅(1)上，经过光栅(1)反射衍射出0级、±1级和±3级衍射光，而透射经过光栅(1)的光束被基底(3)表面所镀金属膜反射后再次经过光栅(1)发生衍射，同样形成0'级、±1'级和±3'级衍射光，两次产生的衍射光相干叠加形成干涉光斑；当光栅(1)受到外界加速度作用时，光栅(1)在垂直方向发生位移，位移量与加速度在弹性范围内成线性关系；干涉光斑的光强随着光栅(1)的垂直位移发生变化，但干涉光斑的位置不变；通过光学位移测量系统测得光栅(1)的位移量即可最终得到加速度值。