[发明专利]集成光栅电光效应的微光学加速度传感器及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及微光电子机械系统（MOEMS）加速度传感器领域，尤其涉及一种集成光栅电光效应的微光学加速度传感器。

背景技术

微机械加速度传感器（Micro-machined Acceleration Sensor）是微机电系统具有代表性的器件之一，它具有体积小、质量轻、易集成的特点，是微型惯性测量组合的核心器件。

例如，专利公开号为CN101788570A的专利文献公开了一种三明治型光学微机械加速度传感器及其方法。它包括：激光光源、分光棱镜、第一光电探测器、第一硅基底、第二硅基底、第一亚波长光栅、弹性梁、位移执行器、第二光电探测器、质量块、第二亚波长光栅等。光从激光光源发出，通过扩束透镜组、分光棱镜产生两路激光，一路激光通过聚焦透镜组，照射到第一光电探测器上；另一路激光通过分光棱镜、玻璃基底、第一亚波长光栅、第二亚波长光栅，由第二光电探测器接收。

随着微机械加速度计性能的提高，应用不断向高精度领域发展。微加速度传感器是武器装备所需的关键传感器之一，具有广阔的军事运用前景。已有文献报道将微加速度传感器与微陀螺运用于增程制导弹药(ERGM)上，能有效改善弹药的战斗性能，但目前大部分微机械加速度传感器的精度不高，不能适应军事装备发展的需求。

目前，随着对微机械加速度传感器性能要求的提高，特别是中高精度微加速度传感器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电加速度传感器的研究成为了一个重要发展方向。

例如，专利公开号为CN102759635A的专利文献公开了一种基于集成光栅压电调制的微光学加速度传感器及其方法，微光学加速度传感器包括外壳，外壳内设有沿光路依次布置的光源和光栅，所述外壳内沿光路还设有底座、位于底座与光栅之间且滑动安装在所述外壳内的MEMS传感机构和位于所述光栅与MEMS传感机构之间且一面固定在所述光栅上的压电陶瓷部件，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向所述光栅的一面为镀有金属铝膜的反射面。

发明内容

本发明提供了一种高检测精度和抗外界干扰强的集成光栅电光效应的微光学加速度传感器及其检测方法。

一种集成光栅电光效应的微光学加速度传感器，包括外壳，外壳内设有沿光路依次布置的光源、光栅和MEMS传感机构，所述MEMS传感机构包括质量块和连接所述质量块的悬臂梁，所述质量块朝向光栅的一面为光反射面，还设有用于检测干涉光束光强的光电探测器，所述的干涉光束为被光栅反射的光束和被光反射面反射的光束发生干涉形成；所述光栅和MEMS传感机构之间设有用于对所述光反射面出射光束进行位相调制的电光晶体，还设有用于驱动所述电光晶体产生电光效应的电压驱动模块，以及根据所述光电探测器的信号得到相应的加速度的信号处理模块。

所述光源优选为垂直腔表面发射激光器，垂直腔表面发射激光器是一种低成本、高性能的特定波长光源，具有测试简单、易耦舍以及易形成阵列等独特优势。

所述的MEMS传感机构还包括一矩形框，所述质量块位于矩形框的中部，所述悬臂梁连接在所述质量块和矩形框之间。述质量块位于矩形框的中心部位，以便于质量块的稳固安放，所述质量块可以为矩形或圆形；悬臂梁和质量块的顶面处于同一平面，以保证光反射面的唯一性。

所述光电探测器为光电二极管，光电二级管和电压驱动模块均与信号处理模块连接，信号处理模块一方面通过控制电压驱动模块来使电光晶体产生电光效应，另一方面用于接收光电探测器收集的信息，信号处理模块通过分析对比光电探测器所反馈的信息计算出质量块的位移量，所述信号处理模块优选为锁相放大差分处理电路。

所述外壳包括用于支撑MEMS传感机构的底座，所述底座带有与所述质量块相适应的容纳腔，在有外界加速度作用下时，容纳腔为质量块提供位移变化的空间。

所述电光晶体的上下面均镀有ITO透明导电膜，所述电压驱动模块与ITO透明导电膜连接。电压驱动模块向ITO透明导电膜输出电压，电光晶体在电场的作用下发生电光效应，对透过电光晶体的光束进行位相调制。

所述光栅为镀设在电光晶体顶面的金属薄膜铬，并采用电子束曝光制作而成的金属光栅。

本发明的微光学加速度传感器工作过程如下：

垂直腔表面发射激光器发出相干光束入射到金属光栅上时，一部分光由光栅条直接反射，形成多级次的衍射光束；另一部分穿过光栅间隙透过电光晶体照射到质量块的光反射面，然后反射回来透过电光晶体，经过光栅形成多级次的衍射光束；这两部分相同级次的衍射光束产生干涉，干涉信号的强度被光电探测器收集。