CN110208576B - 一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，包括基座、与基座固定连接的悬臂梁、与悬臂梁的自由端固定连接的质量块、以及用于测量悬臂梁位移的测量机构，测量机构包括两端分别与基座和质量块连接的周期伸缩式可变衍射光栅、以及固定于基座上的激光器和光电探测器；激光器和光电探测器分别置于周期伸缩式可变衍射光栅的两侧。与现有技术相比，本发明采用周期伸缩式可变衍射光栅测量物体加速度，利用光学光栅的误差平均效应的特点，具有测量精度高、响应速度快、测量高效、更容易测量精密振动等优点。

Description

一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器
技术领域
本发明涉及微光学器件技术领域，尤其是涉及一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器。
背景技术
近年来，硅微加速度传感器不仅作为MEMS技术的一个发展方向，在生活中得到了诸多应用，而且在光学测量的高精度与MEMS技术相结合的MOEMS加速度传感器的研究也成为了一个重要研究方向。其中，可变衍射光栅微加速度传感器能够以极高测量精度测出物体加速度，不仅应用于导航惯性***中，同时在汽车安全***、探矿测震、机器人状态控制、生物医疗等方面得到了广泛应用。典型的硅微加速度传感器，工作原理基于机械振动，利用质量块和弹性元件组成的***感受物体加速度，当物体有加速度时，弹性元件弯曲，质量块产生微小位移，通过牛顿第二定律可计算出加速度。检测灵敏度和可靠性是传感器的重要指标，目前的硅微加速度传感器通常是基于压电效应进行测量，该测量机构的测量精度不高，并且灵敏度较低，当加速度较小时，质量块的位移较小，则现有的MEMS技术无法测量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，包括基座、与基座固定连接的悬臂梁、与所述悬臂梁的自由端固定连接的质量块、以及用于测量所述悬臂梁位移的测量机构，所述测量机构包括两端分别与所述基座和质量块连接的周期伸缩式可变衍射光栅、以及固定于所述基座上的激光器和光电探测器；所述激光器和光电探测器分别置于所述周期伸缩式可变衍射光栅的两侧。
相比于现有技术中的光栅垂直移动的可变光栅加速度传感器，这种可变光栅加速度传感器包括其下形成凹部基底，以及矩形质量块，在其上部粘有悬臂梁，将可上下垂直移动的光栅固定在质量块上方，光源和光电探测器置于光栅上方，该可变光栅加速度传感器的封装工艺基于LED封装工艺。与该可变光栅加速度传感器相比，本发明采用改变光栅周期的投射式光栅，能够更好的感测质量块的位移。相比于现有技术中改变光栅与光源之间的距离的方案，本发明中光栅周期的变化带来的衍射光斑信息变化更大，灵敏度更高。
所述周期伸缩式可变衍射光栅包括若干个平行设置的平行光栅，相邻的平行光栅通过弹簧连接；并且靠近所述质量块的端部弹簧通过光栅手柄与所述质量块连接。
所述平行光栅的光栅节距为0.05～0.5mm，优选为0.2nm。
所述平行光栅的长为5～15mm，优选为10mm；宽度为2～12mm，优选为6mm。
本发明优化了平行光栅的结构参数，选择光栅节距较大的粗光栅，有助于光衍射，扩大了量程，能够测量高度运动的物体。同时，该传感器体积小，重量轻，集成度高，响应速度快，灵敏度高，结构灵巧。其次，该传感器驱动电压低，能耗低。最后，该传感器成本低，依赖于成熟的硅加工技术，可实现批量生产。
本发明制备得到的平行光栅，当物体加速度方向向上时，质量块位移方向向下，光栅间距随着加速度的增大而增大；当物体加速度方向向下时，质量块位移方向向上，光栅间距随着加速度的减小而减小；即质量块的位移可以改变平行光栅的周期，衍射光斑发生变化，利用光电探测器探测衍射光强，经过放大电路的信号处理，从而得到位移的信息，进一步测得加速度的值。
本发明对周期伸缩式可变衍射光栅进行了改进，设置若干个平行光栅，并且平行光栅通过弹簧连接，通过对物体施加加速度，质量块产生的位移作用到平行光栅上，弹簧受力产生形变可以更方便的改变光栅周期，且弹性形变是可以恢复的。由于光栅周期性变化，这种变化通过衍射光斑被光电探测器接收，改变明显，灵敏度高。同时，衍射光栅具有的误差平均效应可以提高测量精度，这是普通MEMS器件无法比拟的。
所述平行光栅的制备方法包括以下步骤：提供一硅基片；在所述硅基片上通过SiO2沉积法制备SiO2薄膜；在SiO2薄膜上涂覆高粘度的正性光刻胶；使用紫外线曝光设备进行光刻操作，然后将样品置于显影液中显影；采用反应离子刻蚀法刻蚀SiO2薄膜；采用深度反应离子刻蚀法对样品进行刻蚀，直至样品表面出现镂空结构，得到所述平行光栅。
所述硅基片的厚度为0.1～0.5mm，优选为0.2mm；所述SiO2薄膜的厚度为300～1000nm，优选为500nm；所述正性光刻胶的涂覆厚度为1500～3500nm，优选为2500nm；所述显影液为NMD-3显影溶液；所述反应离子刻蚀法中使用的刻蚀液为氢氟酸溶液；所述深度反应离子刻蚀法中使用的刻蚀气体为SF6和C4F8的气体混合物。
所述硅基片为n型硅晶片。
所述悬臂梁的制备方法：提供用于光刻处理的悬臂梁SOI基片，在所述悬臂梁SOI基片上旋涂光刻胶；利用悬臂梁结构掩模板，采用光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的悬臂梁SOI基片表面；用ICP刻蚀技术对悬臂梁SOI基片进行刻蚀，得到所述悬臂梁。
所述质量块的制备方法为：提供用于光刻处理的质量块SOI基片，在所述质量块SOI基片上旋涂光刻胶；准备好用于光刻处理的质量块掩模板，将所述质量块掩模板与悬臂梁掩模板上的对准标记对齐，利用光刻与显影技术将设计好的质量块掩模板结构图案转移在掩模板的质量块SOI基片表面；用ICP刻蚀技术对质量块SOI基片进行刻蚀；用湿法腐蚀工艺刻蚀质量块SOI基片的埋氧层得到所述质量块。
所述悬臂梁设有两个，分别设置于所述质量块的两侧。
本发明的测量原理为：利用激光器发出光线，通过光栅后形成的衍射光斑，当物体具有加速度时，弹性元件弯曲，质量块位移，光栅周期发生变化，衍射光斑角度产生变化，由探测器接收到的输出光强发生变化，再通过放大电路信号处理后，得到质量块位移信息，即可得到物体加速度信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)基于光栅的误差平均效应，本发明的测量精度比传统MEMS加速度传感器高很多，基于衍射光斑光强变化测量，响应速度更高；可以更高效、更容易测量精密振动；
(2)本发明的整体结构结合紧凑，体积小，加工简单，方便安装固定。
(3)本发明中平行光栅以及悬臂梁和质量块的加工方法简单，非常适合集成制作。
(4)本发明可以应用在航天航空、生物医疗、物联网等领域中，应用广泛。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中周期伸缩式可变衍射光栅的结构示意图；
图3为本发明中平行光栅的结构示意图；
图中，1为激光器，2为周期伸缩式可变衍射光栅，3为光电探测器，4为悬臂梁，5为质量块，6为基座，21为平行光栅，22为弹簧，23为光栅手柄，7为硅基片，8为SiO2薄膜，9为正性光刻胶膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，如图1所示，包括基座6、与基座6固定连接的悬臂梁4、与悬臂梁4的自由端固定连接的质量块5、以及用于测量悬臂梁4位移的测量机构，其中，测量机构包括两端分别与基座6和质量块5连接的周期伸缩式可变衍射光栅2、以及固定于基座6上的激光器1和光电探测器3；激光器1和光电探测器3分别置于周期伸缩式可变衍射光栅2的两侧，悬臂梁4设有两个，分别设置于质量块5的两侧，周期伸缩式可变衍射光栅2、悬臂梁4、质量块5都是用硅材料加工的。
本实施例中，周期伸缩式可变衍射光栅2包括若干个平行设置的平行光栅21，相邻的平行光栅21通过弹簧22连接；并且位于端部的弹簧22通过光栅手柄23与质量块5连接，如图2所示；平行光栅21为透射式，其光栅节距为0.2nm；通过拉动或推动与质量块相连的光栅手柄，可以扩大或缩小光栅周期，为了测量高速运动的物体，设计了相对较大的栅间距；为了防止光栅的脆弱性，将制作光栅的蚀刻硅片的厚度设计为0.2mm；当入射光几乎垂直于光栅平面上的光栅线时，具有粗光栅线的结构将有助于有效地衍射光。平行光栅21的尺寸为10mm×6mm。光栅手柄23的材质为硅，为一个带空腔的长方体结构。
本实施例中是利用光电探测器3作为敏感元件，感受与传递加速度信息，通过光电探测器3探测衍射光斑光强变化，得到物体加速度的大小。整个加工过程完全可以通过基于半导体硅材料微制造方法来制作。
当对物体施加加速度时，产生的惯性使质量块与加速度传感器的基座产生相对位移，悬臂梁弯曲，与质量块相连的光栅手柄发生位移，位移的大小与加速度的大小有直接关系。当物体加速度方向向上时，质量块位移方向向下，光栅间距随着加速度的增大而增大；当物体加速度方向向下时，质量块位移方向向上，光栅间距随着加速度的减小而减小。所以加速度可由光栅间距变化引起的衍射光强的变化准确的测量。本实施例是由周期可变光栅间距变化而使得激光器到光电探测器的光通量发生改变。
本实施例的制备方法包括平行光栅21、悬臂梁4和质量块5的分别制造，然后与相关零部件进行组装，三者之间可以通过点胶封装实现连接。
本实施中，平行光栅21的制备方法包括以下步骤，如图3所示，该平行光栅用一个掩模制作的；提供一硅基片7，硅基片7的厚度为0.2mm，采用n型100晶片；在硅基片7上通过SiO2沉积法制备500nm厚的SiO2薄膜8，如图3中的硅片经过氧化形成的a结构；在SiO2薄膜8上涂覆高粘度的正性光刻胶(OFPR-800，450cp)形成正性光刻胶膜9，正性光刻胶的涂覆厚度为2500nm；使用紫外线曝光设备(Kall Suss，MA-8)进行光刻操作，然后将样品置于显影液中显影，在NMD-3显影液中显影出掩膜版的图形，如图3中硅片经过第一次光刻与刻蚀形成的b结构；采用反应离子刻蚀法刻蚀SiO2薄膜8，具体为HF溶液刻蚀SiO2，如图3中的c结构；采用深度反应离子刻蚀法对样品进行刻蚀，直至样品表面出现镂空结构，得到平行光栅21，如图3中的d结构，深度反应离子刻蚀法中使用的刻蚀气体为SF6和C4F8的气体混合物。
悬臂梁4的制备方法：首先，提供用于光刻处理的悬臂梁SOI基片，对悬臂梁SOI基片进行清洗预烘和旋涂光刻胶，匀胶转速3000rad/s，匀胶时间45s，胶层厚度3μm；其次，准备好用于光刻处理的掩模板，利用光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的悬臂梁SOI基片表面；最后，用ICP工艺对悬臂梁SOI基片进行刻蚀，刻蚀速率约为0.8μm/min，刻蚀时间约13min。
质量块5的制备方法为：首先，提供用于光刻处理的质量块SOI基片，对质量块SOI基片进行清洗预烘和旋涂光刻胶，匀胶转速3000rad/s，匀胶时间45s，胶层厚度3μm；其次，准备好用于光刻处理的掩模板，质量块的掩模板与悬臂梁的掩模板的对准标记对准，利用光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的质量块SOI基片表面；然后，用ICP工艺对质量块SOI基片进行刻蚀，刻蚀速率约为0.8μm/min，刻蚀时间约50min；最后，用湿法腐蚀工艺刻蚀埋氧层，刻蚀溶液为氟化铵6g(3ml)，去离子水9ml，刻蚀时间约为10min。
本实施例制作的周期伸缩式可变衍射光栅微加速度传感器的敏感元件是光电探测器，采用了新的方法测量质量块的位移变化，适合高精准的加速度测量，并且制备方法基于硅工艺的加工方法，非常适合于集成制作成制作不同类型的MOEMS加速度传感器。由于光栅的误差平均效应，测量精度比传统MEMS加速度传感器高很多，而且我们对于可变光栅也做出了结构创新；本实施例可以应用于航天航空、生物医疗、物联网等领域。总之，该传感器优于传统硅微传感器，与光学器件的高精度结合是很好的研究方向。
实施例2
本实施例为一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于平行光栅21的结构参数，平行光栅21的光栅节距为0.05mm；其长度为5mm，宽度为2mm。
制备平行光栅21的具体工艺参数不同，具体为：
该平行光栅用一个掩模制作的；提供一硅基片7，硅基片7的厚度为0.1mm，采用n型100晶片；在硅基片7上通过SiO2沉积法制备300nm厚的SiO2薄膜8；在SiO2薄膜8上涂覆高粘度的正性光刻胶(OFPR-800，450cp)形成正性光刻胶膜9，正性光刻胶的涂覆厚度为1500nm；使用紫外线曝光设备(Kall Suss，MA-8)进行光刻操作，然后将样品置于显影液中显影，在NMD-3显影液中显影出掩膜版的图形；采用反应离子刻蚀法刻蚀SiO2薄膜8，具体为HF溶液刻蚀SiO2；采用深度反应离子刻蚀法对样品进行刻蚀，直至样品表面出现镂空结构，得到平行光栅21，深度反应离子刻蚀法中使用的刻蚀气体为SF6和C4F8的气体混合物。
实施例3
本实施例为一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其主体结构与实施例1的结构相同，不同之处在于平行光栅21的结构参数，平行光栅21的光栅节距为0.5mm；其长度为15mm，宽度为12mm。
制备平行光栅21的具体工艺参数不同，具体为：
该平行光栅用一个掩模制作的；提供一硅基片7，硅基片7的厚度为0.5mm，采用n型100晶片；在硅基片7上通过SiO2沉积法制备1000nm厚的SiO2薄膜8；在SiO2薄膜8上涂覆高粘度的正性光刻胶(OFPR-800，450cp)形成正性光刻胶膜9，正性光刻胶的涂覆厚度为3500m；使用紫外线曝光设备(Kall Suss，MA-8)进行光刻操作，然后将样品置于显影液中显影，在NMD-3显影液中显影出掩膜版的图形；采用反应离子刻蚀法刻蚀SiO2薄膜8，具体为HF溶液刻蚀SiO2；采用深度反应离子刻蚀法对样品进行刻蚀，直至样品表面出现镂空结构，得到平行光栅21，深度反应离子刻蚀法中使用的刻蚀气体为SF6和C4F8的气体混合物。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，包括基座(6)、与所述基座(6)固定连接的悬臂梁(4)、与所述悬臂梁(4)的自由端固定连接的质量块(5)、以及用于测量所述悬臂梁(4)位移的测量机构，其特征在于，
所述测量机构包括两端分别与所述基座(6)和质量块(5)连接的周期伸缩式可变衍射光栅(2)、以及固定于所述基座(6)上的激光器(1)和光电探测器(3)；所述激光器(1)和光电探测器(3)分别置于所述周期伸缩式可变衍射光栅(2)的两侧；
所述周期伸缩式可变衍射光栅(2)包括若干个平行设置的平行光栅(21)，相邻的平行光栅(21)通过弹簧(22)连接；并且靠近所述质量块(5)的端部弹簧(22)通过光栅手柄(23)与所述质量块(5)连接；
利用激光器(1)发出光线，通过光栅后形成的衍射光斑，当物体具有加速度时，弹簧(22)弯曲，质量块(5)位移，光栅周期发生变化，衍射光斑角度产生变化，由光电探测器(3)接收到的输出光强发生变化，再通过放大电路信号处理后，得到质量块位移信息，即可得到物体加速度信息。
2.根据权利要求1所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述平行光栅(21)的光栅节距为0.05～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述平行光栅(21)的长为5～15mm；宽度为2～12mm。
4.根据权利要求1所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，
所述平行光栅(21)的制备方法包括以下步骤：提供一硅基片(7)；在所述硅基片(7)上通过SiO2沉积法制备SiO2薄膜(8)；在SiO2薄膜(8)上涂覆高粘度的正性光刻胶；使用紫外线曝光设备进行光刻操作，然后将样品置于显影液中显影；采用反应离子刻蚀法刻蚀SiO2薄膜(8)；采用深度反应离子刻蚀法对样品进行刻蚀，直至样品表面出现镂空结构，得到所述平行光栅(21)。
5.根据权利要求4所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述硅基片(7)的厚度为0.1～0.5mm；所述SiO2薄膜的厚度为300～1000nm；所述正性光刻胶的涂覆厚度为1500～3500nm；所述显影液为NMD-3显影溶液；所述反应离子刻蚀法中使用的刻蚀液为氢氟酸溶液；所述深度反应离子刻蚀法中使用的刻蚀气体为SF6和C4F8的气体混合物。
6.根据权利要求4所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述硅基片(7)为n型硅晶片。
7.根据权利要求1所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述悬臂梁(4)的制备方法为：
提供用于光刻处理的悬臂梁SOI基片，在所述悬臂梁SOI基片上旋涂光刻胶；
利用悬臂梁结构掩模板，采用光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的悬臂梁SOI基片表面；
用ICP刻蚀技术对悬臂梁SOI基片进行刻蚀，得到所述悬臂梁(4)。
8.根据权利要求7所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述质量块(5)的制备方法为：
提供用于光刻处理的质量块SOI基片，在所述质量块SOI基片上旋涂光刻胶；
准备好用于光刻处理的质量块掩模板，将所述质量块掩模板与悬臂梁掩模板上的对准标记对齐，利用光刻与显影技术将设计好的质量块掩模板结构图案转移在掩模板的质量块SOI基片表面；
用ICP刻蚀技术对质量块SOI基片进行刻蚀；
用湿法腐蚀工艺刻蚀质量块SOI基片的埋氧层得到所述质量块(5)。
9.根据权利要求1所述的一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器，其特征在于，所述悬臂梁(4)设有两个，分别设置于所述质量块(5)的两侧。
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