一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于加速度传感装置技术领域，具体涉及一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，所述分束镜设置在第一激光器和第二激光器的光路方向上，所述第一激光器经分束镜的反射光路上设置有第一金属反射结构，所述第二激光器经分束镜的反射光路上设置有第一光栅加速度计结构，所述第一激光器经分束镜的透射光路上设置有第二金属反射结构，所述第二激光器经分束镜的透射光路上设置有第二光栅加速度计结构。本发明专利技术利用纳米光栅衍射光强的变化来实现微位移测量，进而检测加速度的大小，使测量系统具有更高的灵敏度和分辨率。系统具有更高的灵敏度和分辨率。系统具有更高的灵敏度和分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置


[0001]本专利技术属于加速度传感装置
，具体涉及一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置。

技术介绍

[0002]作为加速度、速度和位置测量的标度，加速度计不仅是惯性导航系统的关键部件，而且在汽车安全、地震监测、重力检测、航向指示、姿态测量等广泛应用中发挥着至关重要的作用。二十世纪八十年代以来，随着人们对更高性能和功能以及小型化需求的不断增加，MEMS加速度计凭借体积小、质量轻、集成度高且具有高灵敏度、低噪声等性能优势，已成为加速度计的热门发展方向之一，逐步成熟并广泛应用于军用战术导弹、惯性导航系统以及汽车、消费电子产品、医疗等民用领域。
[0003]从目前MEMS加速度计的发展来看，加速度计的发展主要分为两个方面，一方面是研制基于新原理/效应的加速度计以突破现有商用电容式加速度计的极限，另一方面是对现有加速度计进行改进，往更高性能、高精度的方向发展。可以预见在未来较长时间内，加速度计仍将会在中、高精度惯性导航等领域的应用中发挥重要作用，其未来发展趋势是在进一步微小型化的同时提高其性能。常见的微加速度计按检测原理的不同，主要可以分为：隧道效应式加速度计、压阻式加速度计、压电式加速度计、电容式加速度计以及谐振式加速度计等。隧道电流式加速度计，其精密性很高、加工难度大、成品率低、成本较高、低频特性差，不能用于静态加速度的测量；压阻式加速度计工艺简单、成本较低，但是具有分辨率低、温度效应严重等缺点；电容式加速度计灵敏度高、稳定性好、温度漂移相对较小，并且可以利用静电力进行自检，相对于压阻式加速度计，分辨率和精度有所提高，但是电容式加速度计的动态范围较小，并且电容检测的原理方式也容易受到电磁干扰和寄生电容的影响，去除噪声较为困难。

技术实现思路

[0004]针对上述电容式加速度计的动态范围较小，并且电容检测的原理方式也容易受到电磁干扰和寄生电容的影响，去除噪声较为困难的技术问题，本专利技术提供了一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，将双轴纳米光栅硅微加速度计结构与格兰棱镜结构相结合，实现对二维光学测量系统的集成，具有高集成度、高分辨率、抗电磁干扰能力强的特点。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，包括激光器、分束镜、第一金属反射结构、第二金属反射结构、第一光栅加速度计结构、第二光栅加速度计结构，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，所述分束镜设置在第一激光器和第二激光器的光路方向上，所述第一激光器经分束镜的反射光路上设置有第一金属反射结构，所述第二激光器经分束镜的反射光路上设置有第一光栅加速度计结构，所述第一激光器经分束镜的透射光路上设置有第二金属反射结构，所述第二激光器经分束镜的透射光路上设置有第二光栅加速
度计结构。
[0007]包括第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一金属反射结构的反射光路上设置有第一光电探测器，所述第一光栅加速度计结构的反射光路上设置有第二光电探测器。
[0008]所述分束镜设置在第一金属反射结构与第一光电探测器之间，所述分束镜设置在第一光栅加速度计结构与第二光电探测器之间。
[0009]所述激光器、分束镜、第一金属反射结构、第二金属反射结构、第一光栅加速度计结构、第二光栅加速度计结构、第一光电探测器和第二光电探测器均设置在屏蔽外壳内。
[0010]所述分束镜采用格兰棱镜。
[0011]所述第一光栅加速度计结构和第二光栅加速度计结构均包括光栅、反射镜，所述反射镜设置在光栅的光路方向上。
[0012]一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置的测量方法，包括下列步骤：
[0013]S1、第一激光器发出的激光通过分束镜反射到侧面的第一金属反射结构，与透射到分束镜底部的第二光栅加速度计结构反射回来的光形成干涉，经第一光电探测器探测，此时光信号转化为电信号实现对离面加速度的测量；
[0014]S2、第二激光器发出的激光经分束镜反射到侧面的第一光栅加速度计结构，与透射到分束镜底部的第二金属反射结构反射回来的光形成干涉，经光第二光电探测器转化电信号实现对水平加速度的检测。
[0015]所述对离面加速度和水平加速度的检测方法为：
[0016]激光束垂直入射到正弦振幅光栅，经光栅衍射分光后形成+1级和
‑
1两束衍射光束，当光栅引入一位移D
x
时，+1级和
‑
1级两束衍射光束的光路保持不变。
[0017]假设+1级衍射光为
[0018][0019]所述i
x
为单位方向向量；所述A1为+1级衍射光的振幅；所述j为虚数单位；所述z1为+1级衍射光的光程；
[0020]同理，
‑
1级衍射光表示为：
[0021][0022]计算出干涉点处光场分布，光强表示为：
[0023][0024]所述(z1‑
z2)为
±
1级衍射光之间由于光程差产生的固定的相位差，所述4πD
x
/d是由光栅的横线平移产生的
±
1级衍射光相位差；
[0025]入射光束垂直入射至光栅上表面，光栅的周期为Λ，光栅与反射镜之间的距离为d，采用夫琅禾费衍射来计算光栅干涉结构的光强与位移之间的关系：
[0026][0027]所述E(p)是衍射复振幅，所述C是归一化常数，所述λ是入射光波长，所述是波矢量，所述p＝sinθ
i
‑
sinθ
o
；所述θ
o
和θ
i
分别为入射角和衍射角；所述F是一个周期内的传
递函数，所述F的表达式为：
[0028][0029]上式中θ值由以下解析式确定：
[0030][0031]两组衍射光束对应的级次发生干涉后形成的前三阶级次光强，与位移之间的函数表示为
[0032][0033][0034][0035]所述I
in
是入射光强，各级次光强与位移之间的关系为以入射光波长为周期的正弦或余弦函数，且每一级次随位移变化的周期为λ/2，所以任一级次的光强变化都可以被用来检测微位移的变化，进而实现对加速度的检测。
[0036]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0037]本专利技术利用纳米光栅衍射光强的变化来实现微位移测量，进而检测加速度的大小，使测量系统具有更高的灵敏度和分辨率。并且本专利技术中纳米光栅干涉式二维加速度测量系统结构简单，灵活多变，系统集成度高，使用0级光作为检测信号，提高了系统的灵敏度和分辨率。本专利技术在检测光路上利用了格兰棱镜，使得光源和探测器分布在光栅同侧，提升了系统的集成度，且使用了二维测量方式，在测量维度扩大的同时保证了高精度。
附图说明
[0038]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：包括激光器(1)、分束镜(2)、第一金属反射结构(3)、第二金属反射结构(5)、第一光栅加速度计结构(4)、第二光栅加速度计结构(6)，所述激光器(1)包括第一激光器(101)和第二激光器(102)，所述分束镜(2)设置在第一激光器(101)和第二激光器(102)的光路方向上，所述第一激光器(101)经分束镜(2)的反射光路上设置有第一金属反射结构(3)，所述第二激光器(102)经分束镜(2)的反射光路上设置有第一光栅加速度计结构(4)，所述第一激光器(101)经分束镜(2)的透射光路上设置有第二金属反射结构(5)，所述第二激光器(102)经分束镜(2)的透射光路上设置有第二光栅加速度计结构(6)。2.根据权利要求1所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：包括第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，所述第一金属反射结构(3)的反射光路上设置有第一光电探测器(7)，所述第一光栅加速度计结构(4)的反射光路上设置有第二光电探测器(8)。3.根据权利要求2所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：所述分束镜(2)设置在第一金属反射结构(3)与第一光电探测器(7)之间，所述分束镜(2)设置在第一光栅加速度计结构(4)与第二光电探测器(8)之间。4.根据权利要求3所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：所述激光器(1)、分束镜(2)、第一金属反射结构(3)、第二金属反射结构(5)、第一光栅加速度计结构(4)、第二光栅加速度计结构(6)、第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)均设置在屏蔽外壳(9)内。5.根据权利要求1所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：所述分束镜(2)采用格兰棱镜。6.根据权利要求1所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置，其特征在于：所述第一光栅加速度计结构(4)和第二光栅加速度计结构(6)均包括光栅(401)、反射镜(402)，所述反射镜(402)设置在光栅(401)的光路方向上。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的一种基于纳米光栅干涉式二维加速度传感装置的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：S1、第一激光器发出的激光通过分束...

【专利技术属性】
技术研发人员：金丽，张晓玉，李孟委，王策，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：