[发明专利]一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置

权利要求书

1.一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置，其特征在于，包括封装外壳(1)、MEMS干涉仪模块(2)、激光器模块(3)、光功率稳定模块(4)、光电检测模块(5)和温度控制模块(6)；

封装外壳(1)为长方体金属管壳，包括线圈电流输入/输出端口(101)、激光器模块电源/信号端口(102)、温度控制模块电源/信号端口(103)、光电检测/光功率控制模块电源/信号端口(104)；

MEMS干涉仪模块(2)包括MEMS敏感结构(201)、反馈线圈(212)、线圈绕线支架(211)、线圈电流输入、输出端子(206a，206b)、模块支架(209)、将MEMS敏感结构(201)位于模块支架(209)上并通过第一螺丝组(207)和螺母组(208)锁紧固定、将模块支架(209)通过第二螺丝(210)固定于封装外壳(1)上；其中MEMS敏感结构(201)包括上MEMS芯片(202)、下MEMS芯片(203)、垫片(204)、微纳光栅(205)；其中上、下MEMS芯片(202、203)悬臂梁结构相同，但是质量块厚度不同，上MEMS芯片(202)的厚度为下MEMS芯片(203)厚度的2倍，上MEMS芯片(202)键合于下MEMS芯片(203)之上，方向呈相反布置，形成三维悬臂梁构造；

激光器模块(3)包括半导体激光器(301)、准直透镜(302)、准直光束(303)、分光棱镜(305)、棱镜支架(304)、驱动电路(306)、楔形底座(307)、第一电源/信号端子(309)、第一电源/信号接口(310)、将驱动电路(306)通过第三螺丝组(308)固定在于楔形底座(307)上；

光功率稳定模块(4)包括光电探测器(401)、功率控制电路(402)、第一矩形底座(403)、参考光束(405)、第二电源/信号端子(406)、第二电源/信号接口(407)、将功率控制电路(402)通过第四螺丝组(404)固定于第一矩形底座(403)上；

光电检测模块(5)包括三只光电探测器(501)、接口电路(502)、第二矩形底座(503)、第三电源/信号端子(505)、三束衍射光斑(506)、第三电源/信号接口(507)、将接口电路(502)通过第五螺丝组(504)固定于第二矩形底座(503)上；

温度控制模块(6)包括热敏电阻(601)、制热/制冷片(602)、温度控制电路(603)、第三矩形底座(604)、第四电源/信号端子(606)、第四电源/信号接口(607)、将温度控制电路(603)通过第六螺丝组(605)固定于第三矩形底座(604)上；MEMS干涉仪模块(2)中的上MEMS芯片(202)由上锚点(2021)、第一内悬臂梁组(2023)、上隔离框架(2024)、第一外悬臂梁组(2022)、上质量块(2025)、永磁薄膜(2026)、上安装孔径组(2027)组成；上质量块(2025)为正方形，位于结构正中心，永磁薄膜(2026)也为正方形，宽度小于上质量块(2025)，并位于上质量块(2025)的正中心；上质量块(2025)由第一内、外悬臂梁组(2023、2022)共同悬挂于锚点(2021)之上，第一内、外悬臂梁组(2023、2022)中间通过隔离框架(2024)隔离开来，避免应力过度集中于梁连接段；第一内悬臂梁组(2023)包括第一～四内悬臂梁(2023a、2023b、2023c、2023d)；第一外悬臂梁组(2022)包括第一～四外悬臂梁(2022a、2022b、2022c、2022d)，其中第一内、外悬臂梁组都为U型结构；第一～四内悬臂梁(2023a、2023b、2023c、2023d)长度长于上质量块(2025)的宽度，第一～四外悬臂梁(2022a、2022b、2022c、2022d)长度长于上隔离框架(2024)的宽度，以增加空间利用率，并最大化梁的弹性；第一内、外悬臂梁组(2023、2022)的厚度小于上质量块(2025)的厚度，上隔离框架(2024)、上锚点(2021)的厚度与上质量块(2025)相同，从而获得足够小的支撑刚度；上安装孔径组(2027)包括第一～四圆形孔径(2027a、2027b、2027c、2027d)；其中第一～四圆形孔径(2027a、2027b、2027c、2027d)分布在上锚点(2021)的四个角上，用于将MEMS敏感结构(201)固定于模块支架(209)之上；

下MEMS芯片(203)与上MEMS芯片(202)结构一致，但镀膜材料和厚度不同，下MEMS芯片(203)由下锚点(2031)、下内悬臂梁(2033)、下隔离框架(2034)、第二外悬臂梁组(2032)、下质量块(2035)、反射薄膜(2036)、热敏薄膜(2038)、电阻薄膜(2039)、下安装孔径组(2037)组成；下质量块(2035)为正方形，位于结构正中心，反射薄膜(2036)也为正方形，宽度小于下质量块(2035)，并位于下质量块(2035)正中心；下质量块(2035)由第二内、外两层悬臂梁组(2033、2032)共同悬挂于下锚点(2031)之上，第二内、外悬臂梁组(2033、2032)中间通过下隔离框架(2034)隔离开来；

第二内悬臂梁组(2033)包括第五～八内悬臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)；第二外悬臂梁组(2032)包括第五～八内悬臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)；第五～八内悬臂梁(2033a、2033b、2033c、2033d)长度长于下质量块(2035)的宽度，第五～八外悬臂梁(2032a、2032b、2032c、2032d)长度长于下隔离框架(2034)的宽度；第二内、外悬臂梁组(2033、2032)小于下质量块(2035)的厚度，

下隔离框架(2034)、下锚点(2031)的厚度与下质量块(2035)的厚度相同；热敏薄膜(2038)由矩形热敏模块(2038a)和第一输入、输出模块(2038b1、2038b2)组成，位于下锚点(2031)上边中间位置，电阻薄膜(2039)由“蛇形”电阻模块(2039a)和第二输入、输出模块(2039b1、2039b2)组成，位于下锚点(2031)下边中间位置，两者用于在封装外壳(1)内温度基本稳定的情况下，更加精细的监测和控制MEMS敏感结构(201)的温度；下安装孔径组(2037)包括第五～八圆形孔径(2037a、2037b、2037c、2037d)；其中第五～八圆形孔径(2037a、2037b、2037c、2037d)分布在下锚点(2031)的四个角上，用于将MEMS敏感结构(201)固定于模块支架(209)之上；

所述垫片(204)为环形结构，与上、下锚点(2021、2031)的结构一致，但是厚度不同，所述垫片(204)的厚度为下MEMS芯片(203)厚度的五分之一；所述垫片(204)的四个角分布开设有第九～十二圆形孔径(2041a、2041b、2041c、2041d)，用于将MEMS敏感结构(201)固定于模块支架(209)之上；

微纳光栅(205)由基底(2051)与光栅齿条(2052)组成，基底(2051)为透明材料，基底(2051)面积与上、下MEMS芯片(202、203)的总面积一致；光栅齿条(2052)的宽度为1.5～2微米，齿条宽度与间隙宽度一致，即占空比为50％，厚度为50～100纳米，基底(2051)的四个角开设有第十三～十六圆形孔径(2053a、2053b、2053c、2053d)，用于将MEMS敏感结构(201)固定于模块支架(209)之上。