[发明专利]一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置

说明书

本发明公开了一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置，包括封装外壳、MEMS干涉仪模块、激光器模块、光功率稳定模块、光电检测模块、温度控制模块。物理震动通过MEMS干涉仪模块转换为衍射光斑的相位变化，进一步通过光电检测模块转换为电压信号，并通过后续解调电路解算出物理震动的加速度响应；激光器模块在提供检测光源的同时，通过棱镜分出一束光照进光功率稳定模块，用来抑制因温度等环境变化所带来的激光器功率的漂移，配合温度控制模块对装置内部温度的稳定性控制，装置的低频性能得到保证，低频测震能力极大提升。所有功能性模块都固定于金属封装外壳之内，形成一个高精度便携式的光学微震计装置。

技术领域

本发明涉及光电检测技术和微惯性仪表与系统领域，具体涉及到一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置。

背景技术

传统的用于大地震动测量的惯性仪表通常由刚度极低的弹性梁来悬挂大质量的金属质量块构成，以此来降低机械系统的热噪声，使得质量块可以敏感到超微弱的地球固有震动，并将其转化为质量块位移，该类仪器通常通过电容极板将此位移量转换为电容变化量，并通过C/V电路转换为电压信号。随着全球航天技术的发展、对月球、火星等外星球的勘探、以及对外太空引力波等探索的需求，地震计已经不只局限于在地球表面使用，其已经成为航天装备平衡控制、外星球地貌勘测的重要仪器，因此对其体积、可携带性、以及测量精度都提出了进一步的要求，其微型化技术是我国国防装备发展的重要方向之一。

光学微机电系统是在传统微机电系统(MEMS)基础上发展起来的一类新型光学传感器微型化技术，基于微光机电系统制成的各类微纳敏感腔，如F-P腔、光子晶体腔、光栅干涉腔等等，相比于传统的电容极板检测具有无寄生效应、灵敏度超高、不受外界电磁干扰等众多优点，其已经成为微惯性仪表突破性能瓶颈的最重要解决方式。通过MEMS工艺实现大型地震类惯性仪器敏感结构的微型化，并将其与光学微纳腔相结合，实现高性能、小体积的微震计，是微光机电系统一类重要的应用。

目前国外已有通过光栅干涉腔制成的小型化地震计，但是其敏感结构仍然沿用了传统的宏观金属结构，因此其一体化程度、可批量制造性仍然存在很大的提升空间，而国内在这方面起步较晚，还没有成型的产品出现。

发明内容

为解决针对目前地面震动勘测类惯性仪表的微型化问题，本发明公开了一种基于MEMS三维干涉仪的光学微震计装置，包括封装外壳、MEMS干涉仪模块、激光器模块、光功率稳定模块、光电检测模块和温度控制模块；

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

MEMS干涉仪模块包括MEMS敏感结构、反馈线圈、线圈绕线支架、线圈电流输入、输出端子、模块支架、将MEMS敏感结构位于模块支架上并通过第一螺丝组和螺母组锁紧固定、将模块支架通过第二螺丝固定于封装外壳上；其中MEMS敏感结构包括上MEMS芯片、下MEMS芯片、垫片、微纳光栅；其中上、下MEMS芯片悬臂梁结构相同，但是质量块厚度不同，上MEMS芯片的厚度为下MEMS芯片厚度的2倍，上MEMS芯片键合于下MEMS芯片之上，方向呈相反布置，形成三维悬臂梁构造；

激光器模块包括半导体激光器、准直透镜、准直光束、分光棱镜、棱镜支架、驱动电路、楔形底座、第一电源/信号端子、第一电源/信号接口、将驱动电路通过第三螺丝组固定在于楔形底座上；

光功率稳定模块包括光电探测器、功率控制电路、第一矩形底座、参考光束、第二电源/信号端子、第二电源/信号接口、将功率控制电路通过第四螺丝组固定于第一矩形底座上；

光电检测模块包括三只光电探测器、接口电路、第二矩形底座、第三电源/信号端子、三束衍射光斑、第三电源/信号接口、将接口电路通过第五螺丝组固定于第二矩形底座上；