[发明专利]一种带周期伸缩式可变衍射光栅的微加速度传感器

说明书

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。

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系统中，同时在汽车安全系统、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系统感受物体加速度，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。