组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法技术

本发明专利技术公开了一种组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法，该传感器包括两组发射接收结构、第一运动光栅、第二运动光栅、第一固定光栅、第二固定光栅、增反层、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块。本发明专利技术大大缩小了系统的体积，而且引入了梳状电极、电容平板作为静电力回复闭环器件，能够精确对位移进行探测，扩大了探测器的动态范围；通过一组光栅产生的脉冲式光强变化信号来锁定另一组光栅产生的平缓光强变化信号斜率最大的位置，从而测量位移；实现了传感系统的小型化、高精度，在航空、军事领域都有很广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法
本专利技术涉及传感器
，特别是涉及一种组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法。
技术介绍
近年来随着集成电路制造工艺和微机械加工工艺的发展，以这两种制作工艺为基础的微机械传感器的到了快速的发展。微机械传感器以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，迅速占领了各种传感器领域，例如微机械加速度传感器等。目前，随着对微机械位移传感器性能要求的提高，特别是中高精度位移传感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位移传感器的研究成为了一个重要发展方向。在现有的报道中位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。虽然种类繁多，但是现在的位移传感器的位移精度最高只能达到纳米量级，一种纳米级的微位移测量装置是美国SandiaNationalLab设计的双光栅MEMS位移传感器，该装置是利用光栅反射光强来测量微小位移，通过信号光强变化来将光栅锁定在测量位移最灵敏的位置，由于光强变化曲线相对平缓，无法准确区分光强的变化由于外界环境导致还是位移导致的，因此无法精确将光栅锁定在位移最灵敏的位置，测量精度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的步不足，提供一种组合光栅微位移传感器及其测量位移的方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种组合光栅微位移传感器，包括两组发射接收结构、第一运动光栅、第二运动光栅、第一固定光栅、第二固定光栅、增反层、第一固定底座、第二固定底座、回形悬臂梁、上层电容平板、下层电容平板、信号处理模块和电流驱动模块；所述每组发射接收结构包括光源、分束器、第一红外光电探测器、第一聚焦透镜组、第二红外光电探测器和第二聚焦透镜组；所述上层电容平板的一侧具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅，在上层电容平板的另一侧刻蚀与第二运动光栅结构相同的第一运动光栅；上层电容平板的一端通过两个回形悬臂梁与第一固定底座相连，另一端通过两个回形悬臂梁与第二固定底座相连，回形悬臂梁起到了支撑上层电容平板的作用，第一运动光栅和第一固定光栅之间，第二运动光栅和第二固定光栅之间均有相适应的容纳腔，在有外界纵向位移时，容纳腔为上层电容平板的位移提供了变化的空间。同时回形梁的设计保证了系统拥有较大的弹性系数，从而提高了探测位移的灵敏度，而且也使得光栅移动过程中不会出现垂轴串扰的现象；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反层上；上层电容平板通过回形悬臂梁、第一固定底座和第二固定底座与增反层电连接；所述下层电容平板的一侧刻蚀与第一运动光栅结构相同的第一固定光栅，所述第一固定光栅的横向初始位置与第一运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述下层电容平板的另一侧刻蚀与第二运动光栅结构相同的第二固定光栅，所述第二固定光栅的横向初始位置与第二运动光栅的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板固定在增反层上，与增反层绝缘；在上层电容平板的两个长边处对称设有两个第一梳状电极，在每个第一梳状电极的上方各设有与其所对应的第二梳状电极，且所述第二梳状电极可靠静电力被第一梳状电极吸引或排斥；每个第二梳状电极均通过梳状电极固定底座固定在增反层上，与增反层绝缘；所述两组发射接收结构分别置于第一运动光栅和第二运动光栅的正上方，每组发射接收结构的光源的下方设有分束器，第一红外光电探测器和第二红外光电探测器对称置于光源的两侧，第一聚焦透镜组置于第一红外光电探测器的正下方，第二聚焦透镜组置于第二红外光电探测器的正下方；两个第一红外光电探测器和两个第二红外光电探测器均与信号处理模块相连；下层电容平板的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；两个梳状电极固定底座通过引线相连后接入电流驱动模块；增反层的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块；电流驱动模块与信号处理模块相连；所述光源为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底从上至下依次排布组成，起到增强反射光信号的作用；所述第一运动光栅、第二运动光栅、第一固定光栅和第二固定光栅使用聚焦离子束制作而成，材料是Si，厚度均为950-965nm，光栅数均为30-80个，周期T均为1493-1500nm，占空比均为0.45-0.5；第一运动光栅和第一固定光栅的空气间隙为300-400nm，形成谐振腔，激发脉冲式光电信号；第二运动光栅与第二固定光栅的空气间隙为1000nm-1200nm。进一步地，所述的光源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、易耦合以及易形成阵列等独特优势。一种利用上述组合光栅微位移传感器测量位移的方法，包括以下步骤：两组光源发出的光均通过分束器产生两路激光，每组的一路激光均照射到上层电容平板没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组照射到第一红外光电探测器上；一组的另一路激光依次通过上层电容平板的第一运动光栅、下层电容平板的第一固定光栅和增反层后，经过增反层反射的光束通过第二聚焦透镜组照射到第二红外光电探测器上；另一组的另一路激光依次通过上层电容平板的第二运动光栅、下层电容平板的第二固定光栅和增反层后，经过增反层反射的光束通过第二聚焦透镜组照射到第二红外光电探测器上；两个第一红外光电探测器和两个第二红外光电探测器上接收到的光强信号传送到信号处理模块进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号；电流驱动模块输出电流到上层电容平板和下层电容平板，通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，当得到的脉冲式光强变化信号的线宽最窄时，锁定此时给予电容平板的电流；当上层电容平板和下层电容平板发生横向相对位移时产生一般伍德异常平缓光强变化信号和特殊伍德异常脉冲式光强变化信号，调整提供给第一梳状电极和第二梳状电极的电流，使得第一运动光栅和第一固定光栅横向相对位置保持在平缓光强变化曲线斜率最大的位置，该位置即为同时使得第二运动光栅和第二固定光栅产生脉冲式光强信号峰值的相对位置，利用脉冲的极窄线宽，锁定此时给予梳状电极的电流，记为横向初始位置，即锁定平缓光强变化曲线斜率最大的位置；当上层电容平板和下层电容平板再次发生横向相对位移时，通过电流驱动模块驱动第一梳状电极和第二梳状电极，将运动光栅拉回到锁定的横向初始位置，计算输出的电流，最终得到运动光栅的微小位移；若由于外界震动的原因造成上层电容平板和下层电容平板之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。本专利技术有益的效果是：当上下两层光栅发生微位移时，一组光栅的反射光强会产生脉冲式的变化，另一组光栅的反射光强产生较为平缓的变化，利用脉冲式光强信号的极窄线宽，梳状电极锁定此时另一组上下两层光栅的横向相对位置，即平缓反射光强曲线斜率最大的位置，即探测器灵敏度最高的位置，通过梳状电极的反馈电流计算位移大小。本专利技术大大缩小了系统的体积，而且引入了梳状电极、电容平板作为静电力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合光栅微位移传感器，其特征在于：包括两组发射接收结构、第一运动光栅（2）、第二运动光栅（20）、第一固定光栅（3）、第二固定光栅（21）、增反层（4）、第一固定底座（9）、第二固定底座（15）、回形悬臂梁（10）、上层电容平板（11）、下层电容平板（12）、信号处理模块（13）和电流驱动模块（14）；所述每组发射接收结构包括光源（1）、分束器（16）、第一红外光电探测器（5）、第一聚焦透镜组（6）、第二红外光电探测器（7）和第二聚焦透镜组（8）；所述上层电容平板（11）的一侧具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600‑900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅（20），在上层电容平板（11）的另一侧刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第一运动光栅（2）；上层电容平板（11）的一端通过两个回形悬臂梁（10）与第一固定底座（9）相连，另一端通过两个回形悬臂梁（10）与第二固定底座（15）相连；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反层（4）上；上层电容平板（11）通过回形悬臂梁（10）、第一固定底座（9）和第二固定底座（15）与增反层（4）电连接；所述下层电容平板（12）的一侧刻蚀与第一运动光栅（2）结构相同的第一固定光栅（3），所述第一固定光栅（3）的横向初始位置与第一运动光栅（2）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295‑305nm；所述下层电容平板（12）的另一侧刻蚀与第二运动光栅（20）结构相同的第二固定光栅（21），所述第二固定光栅（21）的横向初始位置与第二运动光栅（20）的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163‑167nm；下层电容平板（12）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；在上层电容平板（11）的两个长边处对称设有两个第一梳状电极（17），在每个第一梳状电极（17）的上方各设有与其所对应的第二梳状电极（18），且所述第二梳状电极（18）可靠静电力被第一梳状电极（17）吸引或排斥；每个第二梳状电极（18）均通过梳状电极固定底座（19）固定在增反层（4）上，与增反层（4）绝缘；所述两组发射接收结构分别置于第一运动光栅（2）和第二运动光栅（20）的正上方，每组发射接收结构的光源（1）的下方设有分束器（16），第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）对称置于光源（1）的两侧，第一聚焦透镜组（6）置于第一红外光电探测器（5）的正下方，第二聚焦透镜组（8）置于第二红外光电探测器（7）的正下方；两个第一红外光电探测器（5）和两个第二红外光电探测器（7）均与信号处理模块（13）相连；下层电容平板（12）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；两个梳状电极固定底座（19）通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；增反层（4）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；电流驱动模块（14）与信号处理模块（13）相连；所述光源（1）为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层（4）由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底从上至下依次排布组成；所述第一运动光栅（2）、第二运动光栅（20）、第一固定光栅（3）和第二固定光栅（21）、厚度均为950‑965nm，光栅数均为30‑80个，周期T均为1493‑1500nm，占空比均为0.45‑0.5；第一运动光栅（2）和第一固定光栅（3）的空气间隙为300‑400nm；第二运动光栅（20）与第二固定光栅（21）的空气间隙为1000nm‑1200nm。...

【技术特征摘要】
1.一种组合光栅微位移传感器，其特征在于：包括两组发射接收结构、第一运动光栅(2)、第二运动光栅(20)、第一固定光栅(3)、第二固定光栅(21)、增反层(4)、第一固定底座(9)、第二固定底座(15)、回形悬臂梁(10)、上层电容平板(11)、下层电容平板(12)、信号处理模块(13)和电流驱动模块(14)；所述每组发射接收结构包括光源(1)、分束器(16)、第一红外光电探测器(5)、第一聚焦透镜组(6)、第二红外光电探测器(7)和第二聚焦透镜组(8)；所述上层电容平板(11)的一侧具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深为600-900nm，在凹槽上刻蚀第二运动光栅(20)，在上层电容平板(11)的另一侧刻蚀与第二运动光栅(20)结构相同的第一运动光栅(2)；上层电容平板(11)的一端通过两个回形悬臂梁(10)与第一固定底座(9)相连，另一端通过两个回形悬臂梁(10)与第二固定底座(15)相连；第一固定底座(9)和第二固定底座(15)均固定在增反层(4)上；上层电容平板(11)通过回形悬臂梁(10)、第一固定底座(9)和第二固定底座(15)与增反层(4)电连接；所述下层电容平板(12)的一侧刻蚀与第一运动光栅(2)结构相同的第一固定光栅(3)，所述第一固定光栅(3)的横向初始位置与第一运动光栅(2)的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为295-305nm；所述下层电容平板(12)的另一侧刻蚀与第二运动光栅(20)结构相同的第二固定光栅(21)，所述第二固定光栅(21)的横向初始位置与第二运动光栅(20)的横向初始位置在垂直于光栅方向上的距离为163-167nm；下层电容平板(12)固定在增反层(4)上，与增反层(4)绝缘；在上层电容平板(11)的两个长边处对称设有两个第一梳状电极(17)，在每个第一梳状电极(17)的上方各设有与其所对应的第二梳状电极(18)，且所述第二梳状电极(18)可靠静电力被第一梳状电极(17)吸引或排斥；每个第二梳状电极(18)均通过梳状电极固定底座固定在增反层(4)上，与增反层(4)绝缘；所述两组发射接收结构分别置于第一运动光栅(2)和第二运动光栅(20)的正上方，每组发射接收结构的光源(1)的下方设有分束器(16)，第一红外光电探测器(5)和第二红外光电探测器(7)对称置于光源(1)的两侧，第一聚焦透镜组(6)置于第一红外光电探测器(5)的正下方，第二聚焦透镜组(8)置于第二红外光电探测器(7)的正下方；两个第一红外光电探测器(5)和两个第二红外光电探测器(7)均与信号处理模块(13)相连；下层电容平板(12)的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块(14)；两个梳状电极固定底座通过引线相连后接入电流驱动模块(14)；增反层(4)的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块(14)；电流驱动模块(14)与信号处理模块(13)相连；所述光源(1)为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层(4)由800nm的SiN3和600nm的Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨，白剑，张赛，汪凯巍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33