組合光柵微位移傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種組合光柵微位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)隨著集成電路制造工藝和微機(jī)械加工工藝的發(fā)展，以這兩種制作工藝為基礎(chǔ)的微機(jī)械傳感器的到了快速的發(fā)展。微機(jī)械傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過(guò)載能力強(qiáng)和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了各種傳感器領(lǐng)域，例如微機(jī)械加速度傳感器等。目前，隨著對(duì)微機(jī)械位移傳感器性能要求的提高，特別是中高精度位移傳感應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)展，與光學(xué)測(cè)量和微光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的高精度微光機(jī)位移傳感器的研宄成為了一個(gè)重要發(fā)展方向。
[0003]在現(xiàn)有的報(bào)到中位移傳感器主要分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。雖然種類繁多，但是現(xiàn)在的位移傳感器的位移精度最高只能達(dá)到納米量級(jí)，一種納米級(jí)的微位移測(cè)量裝置是美國(guó)Sandia Nat1nal Lab設(shè)計(jì)的雙光柵MEMS位移傳感器，該裝置是利用光柵反射光強(qiáng)來(lái)測(cè)量微小位移，通過(guò)信號(hào)光強(qiáng)變化來(lái)將光柵鎖定在測(cè)量位移最靈敏的位置，由于光強(qiáng)變化曲線相對(duì)平緩，無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分光強(qiáng)的變化由于外界環(huán)境導(dǎo)致還是位移導(dǎo)致的，因此無(wú)法精確將光柵鎖定在位移最靈敏的位置，測(cè)量精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的步不足，提供一種組合光柵微位移傳感器。
[0005]本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)、第一運(yùn)動(dòng)光柵、第二運(yùn)動(dòng)光柵、第一固定光柵、第二固定光柵、增反層、第一固定底座、第二固定底座、回形懸臂梁、上層電容平板、下層電容平板、信號(hào)處理模塊和電流驅(qū)動(dòng)模塊；所述每組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)包括光源、分束器、第一紅外光電探測(cè)器、第一聚焦透鏡組、第二紅外光電探測(cè)器和第二聚焦透鏡組；
[0006]所述上層電容平板的一側(cè)具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運(yùn)動(dòng)光柵，在上層電容平板的另一側(cè)刻蝕與第二運(yùn)動(dòng)光柵結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)光柵；上層電容平板的一端通過(guò)兩個(gè)回形懸臂梁與第一固定底座相連，另一端通過(guò)兩個(gè)回形懸臂梁與第二固定底座相連，回形懸臂梁起到了支撐上層電容平板的作用，第一運(yùn)動(dòng)光柵和第一固定光柵之間，第二運(yùn)動(dòng)光柵和第二固定光柵之間均有相適應(yīng)的容納腔，在有外界縱向位移時(shí)，容納腔為上層電容平板的位移提供了變化的空間。同時(shí)回形梁的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)擁有較大的彈性系數(shù)，從而提高了探測(cè)位移的靈敏度，而且也使得光柵移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)垂軸串?dāng)_的現(xiàn)象；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反層上；上層電容平板通過(guò)回形懸臂梁、第一固定底座和第二固定底座與增反層電連接；
[0007]所述下層電容平板的一側(cè)刻蝕與第一運(yùn)動(dòng)光柵結(jié)構(gòu)相同的第一固定光柵，所述第一固定光柵的橫向初始位置與第一運(yùn)動(dòng)光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為295-305nm ;所述下層電容平板的另一側(cè)刻蝕與第二運(yùn)動(dòng)光柵結(jié)構(gòu)相同的第二固定光柵，所述第二固定光柵的橫向初始位置與第二運(yùn)動(dòng)光柵的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣；
[0008]在上層電容平板的兩個(gè)長(zhǎng)邊處對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)第一梳狀電極，在每個(gè)第一梳狀電極的上方各設(shè)有與其所對(duì)應(yīng)的第二梳狀電極，且所述第二梳狀電極可靠靜電力被第一梳狀電極吸引或排斥；每個(gè)第二梳狀電極均通過(guò)梳狀電極固定底座固定在增反層上，與增反層絕緣；
[0009]所述兩組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)分別置于第一運(yùn)動(dòng)光柵和第二運(yùn)動(dòng)光柵的正上方，每組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)的光源的下方設(shè)有分束器，第一紅外光電探測(cè)器和第二紅外光電探測(cè)器對(duì)稱置于光源的兩側(cè)，第一聚焦透鏡組置于第一紅外光電探測(cè)器的正下方，第二聚焦透鏡組置于第二紅外光電探測(cè)器的正下方；兩個(gè)第一紅外光電探測(cè)器和兩個(gè)第二紅外光電探測(cè)器均與信號(hào)處理模塊相連；下層電容平板的兩側(cè)通過(guò)引線相連后接入電流驅(qū)動(dòng)模塊；兩個(gè)梳狀電極固定底座通過(guò)引線相連后接入電流驅(qū)動(dòng)模塊；增反層的兩側(cè)通過(guò)引線相連后接入電流驅(qū)動(dòng)模塊；電流驅(qū)動(dòng)模塊與信號(hào)處理模塊相連；
[0010]所述光源為帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束的紅外1530nm光源；所述增反層由800nm的SiN3*600nm的S12以及Si基底從上至下依次排布組成，起到增強(qiáng)反射光信號(hào)的作用；所述第一運(yùn)動(dòng)光柵、第二運(yùn)動(dòng)光柵、第一固定光柵和第二固定光柵使用聚焦離子束制作而成，材料是Si，厚度均為950-965nm，光柵數(shù)均為30-80個(gè)，周期T均為1493_1500nm，占空比均為0.45-0.5 ;第一運(yùn)動(dòng)光柵和第一固定光柵的空氣間隙為300-400nm，形成諧振腔，激發(fā)脈沖式光電信號(hào)；第二運(yùn)動(dòng)光柵與第二固定光柵的空氣間隙為1000nm-1200nm。
[0011]進(jìn)一步地，所述的光源為垂直腔表面發(fā)射激光器，垂直腔表面發(fā)射激光器是一種低成本、高性能的特定波長(zhǎng)光源，具有測(cè)試簡(jiǎn)單、易耦合以及易形成陣列等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
[0012]本實(shí)用新型有益的效果是:本實(shí)用新型大大縮小了系統(tǒng)的體積，而且引入了梳狀電極、電容平板作為靜電力回復(fù)閉環(huán)器件，能夠精確對(duì)位移進(jìn)行探測(cè)，擴(kuò)大了探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍；通過(guò)一組光柵產(chǎn)生的脈沖式光強(qiáng)變化信號(hào)來(lái)鎖定另一組光柵產(chǎn)生的平緩光強(qiáng)變化信號(hào)斜率最大的位置，從而測(cè)量位移；實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的小型化、高精度，在航空、軍事領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為組合光柵微位移傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為上層電容平板的一個(gè)角度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為上層電容平板的另一個(gè)角度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為下層電容平板的一個(gè)角度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5為下層電容平板的另一個(gè)角度的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6為梳狀電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖7為梳狀電極和下層電容平板組合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖8為上層電容平板和下層電容平板組合的俯視圖；
[0021]圖9為光柵間隔為300-400nm時(shí)，反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的脈沖式變化曲線圖；
[0022]圖10為光柵間隔為1000-1200nm時(shí)，反射光強(qiáng)隨著上下兩層光柵相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的平緩變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]當(dāng)TE偏振的1530nm的紅外光源垂直照射到亞波長(zhǎng)光柵上時(shí)，會(huì)在光柵表面以倏逝波的形式傳播。當(dāng)兩個(gè)光柵在垂直方向距離很近時(shí)，光會(huì)在兩層光柵之間震蕩，光通過(guò)倏逝場(chǎng)從一個(gè)光柵傳到另外一個(gè)光柵，同時(shí)另外一個(gè)光柵的倏逝波也會(huì)通過(guò)倏逝場(chǎng)耦合會(huì)原來(lái)的光柵。當(dāng)兩層光柵發(fā)生的橫向相對(duì)位移時(shí)，會(huì)導(dǎo)致諧振場(chǎng)發(fā)生變化，使得反射光的強(qiáng)度急劇提高，通過(guò)探測(cè)反射光的光強(qiáng)變化，我們可以精確知道發(fā)生的橫向、縱向相對(duì)位移。通過(guò)調(diào)整兩層光柵的縱向間隔，可以產(chǎn)生兩種反射光強(qiáng)變化，一種是光強(qiáng)相對(duì)于位移的平緩變化的曲線，一種是光強(qiáng)相對(duì)于位移的脈沖式變化曲線。利用脈沖式變化曲線的極窄線寬，梳狀電極可以鎖定平緩變化曲線的斜率最大的位置，從而利用反饋電流計(jì)算出位移的大小。
[0025]如圖1-8所示，本實(shí)用新型一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)、第一運(yùn)動(dòng)光柵2、第二運(yùn)動(dòng)光柵20、第一固定光柵3、第二固定光柵21、增反層4、第一固定底座9、第二固定底座15、回形懸臂梁10、上層電容平板11、下層電容平板12、信號(hào)處理模塊13和電流驅(qū)動(dòng)模塊14 ;所述每組發(fā)射接收結(jié)構(gòu)包括光源1、分束器16、第一紅外光電探測(cè)器5、第一聚焦透鏡組6、第二紅外光電探測(cè)器7和第二聚焦透鏡組8 ;
[0026]所述上層電容平板11的一側(cè)具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運(yùn)動(dòng)光柵20，在上層電容平板11的另一側(cè)刻蝕與第二運(yùn)動(dòng)光柵20結(jié)構(gòu)相同的第一運(yùn)動(dòng)光柵2 ;上層電容平板11的一端通過(guò)兩個(gè)回形懸臂梁10與第一固定底座9相連，另一端通過(guò)兩個(gè)回形懸臂梁10與第二固定底座15相連，回形懸臂梁10起到了支撐上層電容平板11的作用，第一運(yùn)動(dòng)光柵2和第一固定光柵3之間，第二運(yùn)動(dòng)光柵20和第二固定光柵21之間均有相適應(yīng)的容納腔，在有外界縱向位移時(shí)，容納腔為上層電容平板11的位移提供了變化的空間。同時(shí)回形梁的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)擁有較大的彈性系數(shù)，從而提高了探測(cè)位移的靈敏度，而且也使得光柵移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)垂軸串?dāng)_的現(xiàn)象；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上；上層電容平板11通過(guò)回形懸臂梁10、第一固定底座9和第二固定底座15與增反層4電連接；
[0027]所述下層電容平板12的一側(cè)刻蝕與第一運(yùn)動(dòng)光柵2結(jié)構(gòu)相同的第一固定光柵3，所述第一固定光柵3的橫向初始位置與第一運(yùn)動(dòng)光柵2的橫向初始位置在垂直于光柵方向上的距離為295-305nm ;所述下層電容平板12