抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计技术方案

本发明专利技术公开了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。主要由封装外壳和布置在封装外壳中的微机械加速度敏感单元和光学微位移测量单元组成，微机械加速度敏感单元位于光学微位移测量单元正下方；微机械加速度敏感单元从上到下依次为光栅、质量块‑悬臂梁‑硅基底微机械结构和下限位板。微机械加速度敏感单元将外界输入的加速度转化为质量块的位移，光学微位移测量单元将位移量转化为电信号并实现高精度的加速度测量。本发明专利技术能保证微机械结构在大冲击下不失效，固定封装的光学微位移测量单元能保证各个光学元件在大冲击下不损毁，相对位置保持不变，从而实现抗大冲击的高精度加速度测量。

【技术实现步骤摘要】
抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计
本专利技术属于光学微加速度传感器
，涉及了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计。
技术介绍
飞行器的惯性导航，电磁炮发射，爆炸侵彻等领域，不仅对加速度计的测量灵敏度和精度有一定的要求，并且对抗大冲击的性能也提出了很高的要求。同时，为了满足现有先进装备和战略武器装备的小型化、集成化需求，设计制作高性能的微型加速度计也成为了现阶段加速度计的研究重点之一。目前已经有了很多具有高测量精度的加速度计，如冷原子干涉加速度计[Canuel,B.,etal.,Six-AxisInertialSensorUsingCold-AtomInterferometry.PhysicalReviewLetters,2006.97:010402.]、基于微光纤的光学加速度计[Chen,G.Y.,etal.,Theoreticalandexperimentaldemonstrationsofamicrofiber-basedflexuraldiscaccelerometer.OptLett.,2011.36(18):p.3669-71.]、隧穿式加速度计[Hiu,C.H.,etal.,AHigh-Precision,Wide-BandwidthMicromachinedTunnelingAccelerometer.JournalofMicroelectromechanicalSystems,2001.10(3):p.425-433.]，但是它们在承受巨大冲击后无法正常工作，并且冷原子干涉型加速度计也很难实现小型化。微机电系统(MEMS)加速度计已有许多实例可以抵抗高冲击，比如美国专利号为US7013730B2的专利“Internallyshockcagedserpentineflexureformicro-machinedaccelerometer”公开了一种抗冲击的MEMS加速度计，该设计通过引入限位缓冲块和调整弹性结构的宽度实现了良好的抗冲击性能，该种MEMS加速度计可以抵抗16000到20000g的冲击；世界专利号为WO2012/047996A1的专利“ShockresistantmountingforhighgshockAccelerometer”提出了一种基于无引线芯片载体(LLC)的抗冲击MEMS加速度计，该设计通过将MEMS加速度敏感单元封装进高弹性的无引线芯片载体的方式实现了进一步的抗冲击性能，该种MEMS加速度计最高可以抵抗300000g的冲击。现有许多文献也报道了多种抗大冲击的MEMS加速度计，例如JiachouWang等人曾报道了一种双悬臂梁型MEMS加速度计，该种加速度计采用自限位保护面来抵抗冲击，可以抵抗20500g的冲击[Wang,J.andX.Li,AHigh-PerformanceDual-CantileverHigh-ShockAccelerometerSingle-SidedMicromachinedin(111)SiliconWafers.JournalofMicroelectromechanicalSystems,2010.19(6):p.1515-1520.]；KebinFan等人提出了一种基于键合铰链的MEMS加速度计，并实验证明该种加速度计可以抵抗44614g的冲击[Dong,J.,etal.,Siliconmicromachinedhigh-shockaccelerometerswithacurved-surface-applicationstructureforover-rangestopprotectionandfree-mode-resonancedepression.JournalofMicromechanicsandMicroenigneering,2002.12:p.742-746.]；PeitaoDong等人提出了能够承受50000到100000g冲击的三轴压阻式MEMS加速度计[Dong,P.,etal.,High-performancemonolithictriaxialpiezoresistiveshockaccelerometers.SensorsandActuatorsA:Physical,2008.141(2):p.339-346.]。在大冲击应用场合，MEMS加速度计可以通过加入限位措施或者提高弹性机构的刚度来提升抗冲击性能，目前已可以有效抵抗大于10000g的冲击。但是，基于MEMS的加速度计由于其测量原理的限制(电容、压阻、压电等形式由于工艺误差的存在)，很难实现高加速度测量灵敏度和测量精度。以上所述的抗高冲击MEMS加速度计的典型灵敏度在μV/g的量级，很难满足高测量灵敏度及精度的需求。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，结合带柔性限位装置的三明治式微机械加速度敏感单元和聚合物固定封装的光学微位移测量单元进行构建，兼顾了MEMS加速度计和光学测量原理测量抗冲击性能和精度高的优点。本专利技术加速度计中的微机械敏感结构与现有MEMS加速度计可以充分利用现有MEMS加速度计抗大冲击性能的方法，并利用聚合物固定封装保证光学微位移测量单元的各部分相对位置不变，有望同时实现抗大冲击和高加速度测量精度的性能。本专利技术采用的技术方案如下：一、一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计：所述加速度计主要由封装外壳和布置在封装外壳中的微机械加速度敏感单元和光学微位移测量单元组成，微机械加速度敏感单元属于三明治式结构，位于光学微位移测量单元正下方。微机械加速度敏感单元将外界输入的加速度转化为质量块的位移，光学微位移测量单元将位移量转化为电信号并实现高精度的加速度测量。二、带有上下限位结构的微机械加速度敏感单元包括一个质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构，其中悬臂梁连接质量块和硅基底，静止状态下质量块、悬臂梁、硅基底的中心平面与SOI基片的中心平面重合，质量块的厚度略小于硅基底，两者的厚度均远大于悬臂梁的厚度。包括质量块上表面的高反膜，高反膜由对相应波长反射率高的金属和起保护作用的介质组成，作为微纳光腔中的反射膜。包括光栅，光栅除了进行衍射外还充当上限位板的作用，光栅的材料为透明石英片，上面镀有铬膜，通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅。包括由多层单晶硅厚膜构成的柔性的下限位板，最上层的单晶硅厚膜上覆盖有聚对二甲苯的柔性薄膜作为缓冲层。本专利技术上述三明治式微机械加速度敏感单元不仅具有高加速度位移灵敏度，同时可以保证微机械结构在大冲击下不失效。所述的质量块厚度为悬臂梁厚度的20～60倍，质量块上下表面经过对称刻蚀使得其厚度稍小于硅基底的厚度，为质量块与上下限位板间提供空气间隙，光栅和质量块之间以及质量块与下限位板之间具有合适的距离，使得本专利技术的加速计既能抵抗大冲击，又能在最大可能冲击下不被破坏内部的微机械结构。具体实施的硅基底厚度比质量块大10～20μm，从SOI基片上下表面分别刻蚀5～10μm构成质量块上下表面，质量块的中心平面与SOI基片的中心平面重合。所述的四个悬臂梁以质量块中心呈中心对称分布在质量块周围，其厚度为器件层的厚度，SOI基片厚度的1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述加速度计主要由封装外壳(14)和布置在封装外壳(14)中的微机械加速度敏感单元(1)和光学微位移测量单元(2)组成，微机械加速度敏感单元(1)位于光学微位移测量单元(2)正下方；所述微机械加速度敏感单元(1)从上到下依次为光栅(3)、质量块‑悬臂梁‑硅基底微机械结构和下限位板(8)，所述的光学微位移测量单元(2)和微机械加速度敏感单元(1)均通过聚合物固定封装材料(13)封装在封装外壳(14)中。

【技术特征摘要】
1.一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述加速度计主要由封装外壳(14)和布置在封装外壳(14)中的微机械加速度敏感单元(1)和光学微位移测量单元(2)组成，微机械加速度敏感单元(1)位于光学微位移测量单元(2)正下方；所述微机械加速度敏感单元(1)从上到下依次为光栅(3)、质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构和下限位板(8)，所述的光学微位移测量单元(2)和微机械加速度敏感单元(1)均通过聚合物固定封装材料(13)封装在封装外壳(14)中。2.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅(3)材料为透明的石英片，上面镀有铬膜，并通过电子束曝光和刻蚀的方法制作出占空比为1：1的刻线作为光栅结构。3.根据权利要求1所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构包括硅基底(4)、质量块(6)和悬臂梁(7)，光栅(3)置于硅基底(4)顶面，硅基底(4)中心开有方形通槽，质量块(6)置于方形通槽中，光栅(3)和质量块(6)上表面严格平行，质量块(6)四周侧面分别经各自的悬臂梁(7)与方形通槽的内侧面连接，各个悬臂梁(7)结构相同并以质量块(6)中心呈中心对称分布在质量块(6)四周，硅基底(4)底面置于下限位板(8)上，下限位板(8)中位于方形通槽正下方的部分采用柔性微限位结构；质量块(6)上表面镀有高反膜(5)，高反膜(5)与光栅(3)构成微纳光腔。4.根据权利要求3所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述的光栅(3)和质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底(4)上表面通过硅玻璃阳极键合，质量块-悬臂梁-硅基底微机械结构的硅基底(4)下表面和下限位板(8)通过硅硅键合。5.根据权利要求3所述的一种抗大冲击的高精度微光机电系统加速度计，其特征在于：所述下限位板(8)的柔性微限位结构为开设在下限位板(8)上部的多层间隔层叠布置的单晶硅厚膜(24)，每层单晶硅厚膜(24)的厚度为20～50μm，面积与方形通槽大小相同，相邻层单晶硅厚膜(24)之间有0.5～1μm的空气间隙(23)，最上层的单晶硅厚膜(24)上覆盖有聚对二甲苯薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢乾波，白剑，汪凯巍，焦旭芬，韩丹丹，陈佩文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33