【技术实现步骤摘要】
一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置
[0001]本专利技术涉及微机电系统(MEMS)和微惯性测量仪表
，具体涉及到一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置。
技术介绍
[0002]加速度计作为惯性测量系统中的重要组成部分，在惯性导航、地震监测、资源勘探领域都有着广泛的应用。这些领域通常都需要检测
µ
g级的加速度，为了获得极低的机械热噪声和极高的位移分辨率，将光学干涉原理与微机电系统（MEMS）相结合实现了基于光栅干涉位移测量原理的加速度计。相比于主流的电容式加速度计，光栅加速度计具有高灵敏度、高线性度、抗电磁干扰能力强等优点。
[0003]由于MEMS加工技术的高速发展，使得惯性仪器高精度、集成化和微型化等方面成为了主要的发展趋势，微型化加速度计目前已经可以达到微G级，想要进一步提高，微型化和高精度两者则很难兼得，传统MEMS加速度计的质量块微型化会获得数倍量级的机械热噪声，这也是超高精度惯性器件难以突破微型化的重要原因。光栅加速度计将光栅干涉技术与MEMS技术相结合，从而形成了高灵敏度度的集成式加速度计，实现了微型化惯性器件的高灵敏度测量。
技术实现思路
[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了针对目前超高精度惯性仪器微型化技术难题，本专利技术公开了一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置，具有极高的机械灵敏度、高线性度、抗电磁干扰能力强等优点。
[0005]一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置，包括顶层结构、中层主体结构和底层结构，而顶...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置，其特征在于：包括顶层结构（24）、中层主体结构（1）和底层结构（29），而顶层结构（24）、中层主体结构（1）和底层结构（29），从上到下布置形成一个完整的三轴光栅加速度计结构;其中中层主体结构（1）包括X轴模块（1
‑
1）、Y轴模块（1
‑
2）、Z轴模块（1
‑
3）、键合模块（1
‑
4）和第一键合层结构（23）；X轴模块（1
‑
1）位于中层主体结构（1）的左上角，Y轴模块（1
‑
2）位于中层主体结构（1）的右下角，X轴模块（1
‑
1）与Y轴模块（1
‑
2）垂直布置，Z轴模块（1
‑
3）位于中层主体结构（1）的左下角，键合模块（1
‑
4）位于中层主体结构（1）的右上角，第一键合层结构（23）的键合电极分布于各个模块的四角处；中层主体结构（1）为正方形，X轴模块（1
‑
1）与Y轴模块（1
‑
2）构造完全一致，均为长方形，Z轴模块（1
‑
3）、键合模块（1
‑
4）为正方形，X轴模块（1
‑
1）的下长边与Z轴模块（1
‑
3）的上边长重合，Y轴模块（1
‑
2）的左长边与Z轴模块（1
‑
3）的右边长重合，键合模块（1
‑
4）的左边长与X轴模块（1
‑
1）的右短边重合，下边长与Y轴模块（1
‑
2）的上短边重合，第一键合层结构（23）的下表面与X轴模块（1
‑
1）、Y轴模块（1
‑
2）、Z轴模块（1
‑
3）、键合模块（1
‑
4）的上表面重合；X轴模块（1
‑
1）用于测量X轴方向的加速度，Y轴模块（1
‑
2）用于测量Y轴方向的加速度，Z轴模块（1
‑
3）用于测量Z轴方向的加速度，第一键合层结构（23）用于与顶层结构（24）键合;X轴模块（1
‑
1）由X轴环形外框（2）、第一、二X轴环型外层弹性梁（3
‑
1、3
‑
2）、X轴环形连接框架（4）、第一、二X轴环型内层弹性梁（5
‑
1、5
‑
2）、X轴梳齿结构（6）、X轴可动光栅质量块（7）、第一、二X轴固定光栅质量块（8
‑
1、8
‑
2）构成；第一、二X轴固定光栅质量块（8
‑
1、8
‑
2）位于X轴可动光栅质量块（7）的内部的中心位置，并关于X轴模块（1
‑
1）中心左右对称分布，第一、二X轴固定光栅质量块（8
‑
1、8
‑
2）的上表面刻出大量平行等距凹槽形成光栅部分；X轴可动光栅质量块（7）位于X轴模块（1
‑
1）的正中心，等距分成五个部分，第二、四部分挖空，第一、三、五部分保留连接，X轴可动光栅质量块（7）的上表面同样刻出大量平行等距凹槽形成光栅部分；X轴梳齿结构（6）位于X轴可动光栅质量块（7）的左右两侧，X轴梳齿结构（6）由X轴可动光栅质量块（7）左方第一、二、三X轴反馈梳齿（6
‑
1、6
‑
2、6
‑
3），X轴可动光栅质量块（7）右方第四、五、六X轴反馈梳齿（6
‑
4、6
‑
5、6
‑
6）组成，左右两侧的反馈梳齿等间距分布，反馈梳齿由一对固定梳齿和一个可动梳齿构成，固定梳齿分别对称分布于可动梳齿的上下两侧，并在梳齿间形成一定的重叠长度且相邻梳齿的间距相等，上侧为驱动梳齿，下侧为感应梳齿，可动梳齿与X轴可动光栅质量块（7）相连，反映X轴可动光栅质量块（7）的位移；X轴可动光栅质量块（7）通过上方第一X轴环型内层弹性梁（5
‑
1）和下方第二X轴环型内层弹性梁（5
‑
2）支撑于X轴环形连接框架（4）之上，X轴环形连接框架（4）内部结构作为整体，再通过上方第一X轴环型外层弹性梁（3
‑
1）和下方第二X轴环型外层弹性梁（3
‑
2）支撑于X轴环形外框（2）之上，其中第一、二X轴环型外层弹性梁（3
‑
1、3
‑
2）略长于第一、二X轴环型内层弹性梁（5
‑
1、5
‑
2）；当经过准直后的激光光束透过顶部玻璃近似照射到光栅上时，一部分光被直接反射，并形成衍射光束1，另一部分入射光通过光栅的间隙后被反射回来，再次经过光栅后形成衍射光束2;两个衍射光束会发生干涉，产生干涉光斑，当外界有X轴加速度输入时，X轴可动光栅质量块（7）会受到惯性力的作用产生位移，而X轴固定光栅质量块（8）不发生改变，从而影响光斑强度的改变。2.同时通过X轴静电反馈梳齿结构实现对X轴可动光栅质量块（7）的控制，使得X轴可动光栅质量块（7）始终处于平衡位置，最后实现对X轴加速度的闭环测量;
Y轴模块（1
‑
2）由Y轴环形外框（9）、第一、二Y轴环型外层弹性梁（10
‑
1、10
‑
2）、Y轴环形连接框架（11）、第一、二Y轴环型内层弹性梁（12
‑
1、12
‑
2）、Y轴梳齿结构（13）、Y轴可动光栅质量块（14）、第一、二Y轴固定光栅质量块（15
‑
1、15
‑
2）构成；第一、二Y轴固定光栅质量块（15
‑
1、15
‑
2）位于Y轴可动光栅质量块（14）的内部中心位置，并关于Y轴模块（1
‑
2）中心上下对称分布，第一、二Y轴固定光栅质量块（15
‑
1、15
‑
2）的上表面刻出大量平行等距凹槽形成光栅部分；Y轴可动光栅质量块（14）位于Y轴模块（1
‑
2）的正中心，等距分成五个部分，第二、四部分挖空，第一、三、五部分保留连接，Y轴可动光栅质量块（14）的上表面同样刻出大量平行等距凹槽形成光栅部分；Y轴梳齿结构（13）位于Y轴可动光栅质量块（14）的上下两侧，Y轴梳齿结构（13）由Y轴可动光栅质量块（14）上方第一、二、三Y轴反馈梳齿（13
‑
1、13
‑
2、13
‑
3），Y轴可动光栅质量块（14）下方第四、五、六Y轴反馈梳齿（13
‑
4、13
‑
5、13
‑
6）组成，上下两侧的反馈梳齿等间距分布，反馈梳齿由一对固定梳齿和一个可动梳齿构成，固定梳齿分别对称分布于可动梳齿的左右两侧，并在梳齿间形成一定的重叠长度且相邻梳齿的间距相等，左侧为驱动梳齿，右侧为感应梳齿，可动梳齿与Y轴可动光栅质量块（14）相连，反映Y轴可动光栅质量块（14）的位移；Y轴可动光栅质量块（14）通过位于左方的第一Y轴环型内层弹性梁（12
‑
1）和位于右方的第二Y轴环型内层弹性梁（12
‑
2）支撑于Y轴环形连接框架（11）之上，Y轴环形连接框架（11）内部结构作为整体，再通过左方第一Y轴环型外层弹性梁（10
‑
1）和右方第二Y轴环型外层弹性梁（10
‑
2）支撑于Y轴环形外框（9）之上，其中第一、二Y轴环型外层弹性梁（10
‑
1、10
‑
2）长于第一、二Y轴环型内层弹性梁（12
‑
1、12
‑
2）；当经过准直后的激光光束透过顶部玻璃近似垂直照射到光栅上时，一部分光被直接反射，并形成衍射光束1，另一部分入射光通过光栅的间隙后被反射回来，再次经过光栅后形成衍射光束2；两个衍射光束会发生干涉，产生干涉光斑，当外界有Y轴加速度输入时，Y轴可动光栅质量块（14）会受到惯性力的作用产生位移，而Y轴固定光栅质量块（15）不发生改变，从而影响光斑强度的改变；同时通过Y轴静电反馈梳齿结构实现对Y轴可动光栅质量块（14）的控制，使得Y轴可动光栅质量块（14）始终处于平衡位置，最后实现对Y轴加速度的闭环测量；Z轴模块（1
‑
3）由Z轴环形外框（16）、第一、二、三、四Z轴U型外层弹性梁（17
‑
1、17
‑
2、17
‑
3、17
‑
4）、Z轴环形连接框架（18）、第一、二、三、四Z轴U型内层弹性梁（19
‑
1、19
‑
2、19
‑
3、19
‑
4）、Z轴质量块（20）、第一、二Z轴金属电极（21
‑
1、21
‑
2）、Z轴内层反射膜（22）构成；Z轴质量块（20）为正方形，位于Z轴模块（1
‑
3）的正中心位置，Z轴内层反射膜（22）为正方形，边长小于Z轴质量块（20）的边长，位于Z轴质量块（20）上表面的中心位置，第一、二Z轴金属电极（21
‑
1、21
‑
2）为环形，外围大小小于Z轴质量块（20），内围大小略大于Z轴内层反射膜（22），第一Z轴金属电极（21
‑
1）位于Z轴质量块（20）上表面的中心位置，第二Z轴金属电极（21
‑
2）位于Z轴质量块（20）下表面的中心位置；第一Z轴U型内层弹性梁（19
‑
1）位于Z轴质量块（20）的上方，第二Z轴U型内层弹性梁（19
‑
2）位于Z轴质量块（20）的右方，第三Z轴U型内层弹性梁（19
‑
3）位于Z轴质量块（20）的下方，第四Z轴U型内层弹性梁（19
‑
4）位于Z轴质量块（20）的左方，Z轴质量块（20）通过第一、二、三、四Z轴U型内层弹性梁（19
‑
1、19
‑
2、19
‑
3、19
‑
4）支撑于Z轴环形连接框架（18）之上，第一Z轴U型外层弹性梁（17
‑
1）位于Z轴环形连接框架（18）的上方，第二Z轴U型外层弹性梁（17
‑
2）位于Z轴环形连接框架（18）的右方，第三Z轴U型外层弹性梁（17
‑
3）位于Z轴环形连接框架（18）的下方，第四Z轴U型外层弹性梁（17
‑
4）位于Z轴环形连接框架（18）的左方，Z轴环形连接框架（18）内部结构作为整体，再通过第一、二、三、四Z轴U
型外层弹性梁（17
‑
1、17
‑
2、17
‑
3、17
‑
4）支撑于Z轴环形外框（16）之上，其中第一、二、三、四Z轴U型外层弹性梁（17
‑
1、17
‑
2、17
‑
3、17
‑
4）长于第一、二、三、四Z轴U型内层弹性梁（19
‑
1、19
‑
2、19
‑
3、19
‑
4）；当经过准直后的激光光束透过顶部玻璃近似垂直照射到光栅上时，一部分光被直接反射，并形成衍射光束1，另一部分入射光通过光栅的间隙后被反射回来，再次经过光栅后形成衍射光束2；两个衍射光束会发生干涉，产生干涉光斑，当外界有Z轴加速度输入时，Z轴质量块（20）会受到惯性力的作用，产生沿Z轴方向的位移从而影响光斑强度的改变；同时通过静电反馈结构实现对Z轴质量块（20）的闭环控制，使得Z轴质量块（20）始终处于平衡位置，最后实现对Z轴加速度的闭环测量。3.根据权利要求1所述的一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置，其特征在于：第一层键合层结构（23）包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九中层键合电极（23
‑
1、23
‑
2、23
‑
3、23
‑
4、23
‑
5、23
‑
6、23
‑
7、23
‑
8、23
‑
9），第一中层键合电极（23
‑
1）位于X轴模块（1
‑
1）上表面的左上角，第三中层键合电极（23
‑
3）位于键合模块（1
‑
4）上表面的右上角，第七中层键合电极（23
‑
7）位于Z轴模块（1
‑
3）上表面的左下角，第九中层键合电极（23
‑
9）位于Y轴模块（1
‑
2）上表面的右下角，第四、五、六中层键合电极（23
‑
4、23
‑
5、23
‑
6）的中心位于X轴模块（1
‑
1）与Z轴模块（1
‑
3）的交界线上，第二、五、八中层键合电极（23
‑
2、23
‑
5、23
‑
8）的中心位于Y轴模块（1
‑
2）与Z轴模块（1
‑
3）的交界线上，第一、四、七中层键合电极（23
‑
1、23
‑
4、23
‑
7），第二、五、八中层键合电极（23
‑
2、23
‑
5、23
‑
8）和第三、六、九中层键合电极（23
‑
3、23
‑
6、23
‑
9）分别位于同一垂直线上，第一、二、三中层键合电极（23
‑
1、23
‑
2、23
‑
3），第四、五、六中层键合电极（23
‑
4、23
‑
5、23
‑
6）和第七、八、九中层键合电极（23
‑
7、23
‑
8、23
‑
9）分别位于同一水平线上。4.根据权利要求1所述的一种基于静电反馈结构的三轴光栅加速度计装置，其特征在于：顶层结构（24）的第二键合层结构（28）下表面与中层主体结构（1）的第一键合层结构（23）上表面完全重合，中层主体结构（1）的环形外框和键合模块（1
‑
4）下表面与底层结构（29）的锚点层（31）上表面完全重合，形成类似三明治的三维结构；在顶层结构（24）中，金属光栅（26）的上表面与顶层玻璃基片（25）的下表面重合，金属光栅（26）正对于中层主体结构（1）的Z轴内层反射膜（22）且与Z轴内层反射膜（22）存在100
µ
m间距，顶层金属电极（27）的上表面与顶层玻璃基片（25）的下表面重合，顶层金属电极（27）正对于中层主体结构（1）的第一Z轴金属电极（21
‑
1）且与第一Z轴金属电极（21
‑
1）存在100
µ
m间距，第二键合层结构（28）上表面与顶层玻璃基片（25）下表面重合，第二键合层结构（28）下表面与第一键合层结构（23）上表面重合；在中层主体结构（1）中，左侧为X 轴模块（1
‑
1），右侧为Z轴模块（1
‑
3），Y轴模块（1
‑
2）与X轴（1
‑
1）构造一致，X轴模块（1
‑
1）中从左至右依次为X轴环形外框（2）、第一X轴环型外层弹性梁（3
‑
1）、X轴环形连接框架（4）、第一X轴环型内层弹性梁（5
‑
1）、X轴可动光栅质量块（7）、第二X轴环型内层弹性梁（5
‑
2）、X轴环形连接框架（4）、第二X轴环型外层弹性梁（3
‑
2）、X轴环形外框（2），X轴可动光栅质量块（7）位于X轴模块（1
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