一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，具体为一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，解决了其对低刚度、抗横向干扰机械敏感结构和高性能力反馈方式的需求，包括外部壳体、电磁反馈部分、机械敏感结构和光学检测模块，电磁反馈部分包括永磁铁和圆形线圈，机械敏感结构包括质量块和悬臂梁，光学检测模块包括反射薄膜、光栅、玻璃平面、光电探测器、激光器和基底。本发明专利技术通过低刚度机械敏感结构与光学检测技术结合，提高了加速度传感器灵敏度，旋转对称放置的悬臂梁减小横向灵敏度，设计的线圈和永磁铁可以提供较大的电磁力，反馈电磁力与输入电流呈线性关系，使质量块维持在原始位置，该传感器稳定性好、抗电磁干扰，可对加速度信号进行高精度检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器


[0001]本专利技术属于传感器
，具体为一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器。

技术介绍

[0002]加速度传感器应用于多种领域，包括惯性导航与定位、地震检测、航天器微振动检测和汽车控制与安全系统等，这要求加速度传感器有抗横向加速度干扰、较大的线性范围输出和优异的灵敏度性能。上世纪80年代MEMS（微机电系统）被提出后国内外便对其进行了广泛的研究，MEMS加速度传感器有体积小、重量轻、功耗低、成本低和易于集成等优点，高性能MEMS加速度计开始进入精密测量领域。例如美国Silicon Audio公司研发的光学MEMS微震仪，其检测水平可达3ng/Hz；由英国帝国理工大学研制并用于火星地质探测的高性能微震仪，该仪器自噪声达到了0.25ng/Hz@1Hz。
[0003]由于MOEMS传感器融合了MEMS与光学检测技术，具有体积小、灵敏度高和抗电磁干扰等优点。机械敏感结构是传感器的重要组成部分，其性能对传感器的测量水平具有决定意义，为了提高传感器灵敏度，需要增大验证质量块的重量和降低悬臂梁的刚度，为了减小质量块表面积其厚度被设计得很厚，悬臂梁通过减小厚度和增大长度来降低其敏感方向上的刚度，为了增大抗横向输入加速度的能力，悬臂梁的宽度远大于其厚度。加速度传感器反馈实现方式主要有PZT驱动、静电力驱动和电磁力驱动，PZT驱动一般体积较大，不利于小型化，静电力驱动输入电压与加速度呈二次关系，容易产生非线性误差；电磁力驱动通过通电线圈与永磁铁产生电磁力实现反馈控制，加速度与输入电流呈一次关系易于控制，而且电磁驱动可以提供较大反馈力，则敏感头（质量块
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悬臂梁）设计时可以增大质量块重量，有效提高传感器精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决MOEMS加速度传感器对低刚度、抗横向干扰机械敏感结构和高性能力反馈方式的需求，故设计了一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器。
[0005]本专利技术是采用如下的技术方案实现的：一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，包括外部壳体、机械敏感结构和光学检测模块，其中机械敏感结构包括质量块和悬臂梁，光学检测模块包括反射薄膜、光栅、玻璃平面、光电探测器、激光器和基底，悬臂梁的一端和质量块固定，另一端则与外部壳体固定，悬臂梁将质量块悬固在外部壳体内部，反射薄膜固定在质量块的下表面，玻璃平面固定于外部壳体内且位于质量块的下方，光栅是固定在玻璃平面上，基底是固定在外部壳体底部，光电探测器、激光器都固定于基底上。
[0006]工作原理：光源由激光器向上发射后垂直光栅表面入射，一部分光通过玻璃平面被质量块底部的反射薄膜反射，另一部分光则被光栅反射，两部分光叠加后发生干涉形成干涉光信号，干涉光信号被光电探测器接收并将其转换为电信号。当该加速度传感器跟随被测装置一起加速度运动时，质量块沿加速度传感器轴向产生位移，被反射薄膜反射的光的光程发生变
化，所形成的干涉光信号发生变化，变化后的干涉光信号被光电探测器接收并将其转换为变化后的电信号，根据光电信号即可测出加速度值。
[0007]上述的一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，悬臂梁包括两端的L形端部和中间的多回折蛇形梁，多回折蛇形梁将两端的L形端部连接，悬臂梁有多根，多根悬臂梁上下错开且分别交叉并围绕质量块布置。悬臂梁的L形端部节省空间，另外，多回折蛇形梁刚度较小，回折处可以应力释放，降低梁的整体应力，提高加速度传感器灵敏度。
[0008]上述的一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，每两根悬臂梁之间的夹角相等，悬臂梁的形状相同、尺寸相等，分两层旋转围绕分布于质量块边缘，上下层悬臂梁具有旋转对称性。旋转对称放置的悬臂梁有利于减小非轴向灵敏度。
[0009]上述的一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，还包括电磁反馈部分，电磁反馈部分包括永磁铁和圆形线圈，永磁铁固定于外部壳体内顶部，圆形线圈固定在质量块的上表面，永磁铁在质量块的上方。检测加速度时质量块产生了位移，检测完后需要将质量块归位，故根据变化后的电信号在圆形线圈输入相应电流，圆形线圈产生电磁，永磁铁对圆形线圈产生吸引力或排斥力，将质量块带回原始位置，最终实现加速度的高精度检测。
[0010]本专利技术的有益效果在于：通过MEMS与光学检测技术结合，提高了传感器精度，有效降低传感器受电磁干扰的影响；通过大重量质量块和低刚度悬臂梁有效提高加速度
─
位移灵敏度，从而提高传感器灵敏度；通过电磁力反馈方式，能提供较大的反馈力，可以有效扩大传感器的线性测量范围，提高光学加速度传感器的闭环检测精度。
附图说明
[0011]图1为MOEMS加速度传感器示意图。
[0012]图2为永磁铁示意图。
[0013]图3为机械敏感结构、圆形线圈和反射薄膜示意图。
[0014]图4为光栅和玻璃基底示意图。
[0015]图5为激光器和光电探测器示意图。
[0016]图中：1
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外部壳体、2
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永磁铁、3
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圆形线圈、4
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质量块、5
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悬臂梁、6
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反射薄膜、7
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光栅、8
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玻璃平面、9
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光信号、10
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光电探测器、11
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激光器、12
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基底。
具体实施方式
[0017]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释专利技术，并不用于限定专利技术。
[0018]请参阅图1
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5，本专利技术提供一种技术方案：一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，其包括外部壳体1、电磁反馈部分、机械敏感结构和光学检测模块，电磁反馈部分由永磁铁2和圆形线圈3组成，机械敏感结构包括质量块4和悬臂梁5，光学检测模块由反射薄膜6、光栅7、玻璃平面8、光电探测器10、激光器11和基底12。
[0019]所述电磁反馈部分的永磁铁2为圆柱形状，已沿加速度传感器轴向磁化，用于提供所需磁场，永磁铁2固定于外部壳体1内顶部；所述圆形线圈3通电，通过改变通电电流实现电磁力方向和大小的控制，圆形线圈3固定在质量块4的上表面。
[0020]所述机械敏感结构的质量块4上下表面为六边形，加速度传感器轴向输入加速度后，由于惯性力的作用质量块4沿加速度传感器轴向移动，实现加速度
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位移转换；所述悬臂梁5包括两端的L形端部和中间的四回折蛇形梁，四回折蛇形梁将两端的L形端部连接，悬臂梁5总共有六根，上下各三根且分别交错并旋转围绕质量块4布置，悬臂梁5的一端和质量块4固定，另一端则与外部壳体1固定。
[0021]所述光学检测模块利用迈克尔干涉技术实现测量，所述反射薄膜6为一层金属薄膜，用于反射到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，其特征在于：包括外部壳体（1）、机械敏感结构和光学检测模块，其中机械敏感结构包括质量块（4）和悬臂梁（5），光学检测模块包括反射薄膜（6）、光栅（7）、玻璃平面（8）、光电探测器（10）、激光器（11）和基底（12），悬臂梁（5）的一端和质量块（4）固定，另一端则与外部壳体（1）固定，悬臂梁（5）将质量块（4）悬固在外部壳体（1）内部，反射薄膜（6）固定在质量块（4）的下表面，玻璃平面（8）固定于外部壳体（1）内且位于质量块（4）的下方，光栅（7）是固定在玻璃平面（8）上，基底（12）是固定在外部壳体（1）底部，光电探测器（10）、激光器（11）都固定于基底（12）上。2.根据权利要求1所述的一种力反馈高灵敏MOEMS集成加速度传感器，其特征在于：悬臂梁（5）包括两端的L形端部和中间的多回折蛇形梁，多...

【专利技术属性】
技术研发人员：石云波，刘俊，赵锐，沈富明，栗文凯，祖凯旋，刘豪，张旭，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：