微光學(xué)集成的高精度MOEMS加速度傳感器研究.pdf

1、微加速度傳感器是軍械、車輛、船舶等抗沖擊、抗振動測量，地震監(jiān)測，慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的重要傳感器，特別是微型10-6-10-9 g量級的高精度加速度傳感器更是先進軍事與國防創(chuàng)新研究的高技術(shù)基礎(chǔ)，對精密導(dǎo)航，目標(biāo)定位，陸地，太空及海洋重力分布測量具有突破性意義。近年來國外的MEMS加速度傳感器技術(shù)發(fā)展很快，但是國內(nèi)在加速度傳感器技術(shù)上尚未有突破，仍沿用傳統(tǒng)的壓電技術(shù)等，精度上大體處于10-4-10-5g的水平。本課題所做的研究，主要是為了填

2、補國內(nèi)在高精度微加速度傳感器方面的空白，對于提升國家整體的慣導(dǎo)技術(shù)水平具有重要意義。
　　 本文提出了一種微光學(xué)集成的高精度MOEMS加速度傳感器，開創(chuàng)性的設(shè)計了由光柵、壓電陶瓷和硅微機械結(jié)構(gòu)組成的三明治式加速度傳感芯片，并通過微加工技術(shù)完成了該方案的加速度傳感器原理樣機的制作?；谙辔徽{(diào)制-解調(diào)的信號處理方法，對制作完成的加速度傳感器原理樣機進行了靜態(tài)測試與分析。本論文的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　 1.簡要介

3、紹了加速度傳感器的工作原理、分類方法以及發(fā)展進程，并給出了MEMS和MOEMS的概念，詳細(xì)分析了一些典型的MEMS和MOEMS加速度傳感器的工作原理、發(fā)展現(xiàn)狀及各自的優(yōu)缺點。提出了本文的主要研究內(nèi)容、研究方案目標(biāo)、以及主要的創(chuàng)新點。
　　 2.將邁克爾遜干涉儀與光柵測量技術(shù)結(jié)合，提出了由光柵、壓電陶瓷和反射鏡組成的相位敏感的光柵干涉結(jié)構(gòu)，建立了相位調(diào)制的光柵干涉技術(shù)理論，推導(dǎo)了各級次干涉光強與位移之間的函數(shù)關(guān)系式。結(jié)合相位調(diào)制-

4、解調(diào)技術(shù)，提出了相位調(diào)制的光柵干涉技術(shù)可用于納米量級以下位移的檢測。由于加速度是位移的二次微分，因而，該光柵干涉技術(shù)可以擴展用于加速度的測量。
　　 3.根據(jù)加速度傳感器的力學(xué)模型，結(jié)合光柵干涉技術(shù)理論，開創(chuàng)性的設(shè)計了由光柵、壓電陶瓷和硅微機械結(jié)構(gòu)組成的三明治式加速度傳感芯片，建立了微光學(xué)集成的高精度MOEMS加速度傳感器的理論與模型，并推導(dǎo)出了各級次干涉光強與加速度之間的函數(shù)關(guān)系式。利用ANSYS有限元仿真分析軟件，圍繞微機械

5、傳感結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計、建模、并對其模態(tài)、線性等性能進行了仿真分析。最后，根據(jù)該方案的加速度傳感器的輸出信號特性，提出了基于相位調(diào)制-解調(diào)的信號檢測方法。
　　 4.結(jié)合微光學(xué)集成的高精度MOEMS加速度傳感器系統(tǒng)的組成，依次介紹了各個組成元件及其參數(shù)等。包括利用電子束曝光技術(shù)制作光柵;壓電陶瓷的參數(shù)與性能;采用光刻、ICP(Inductively Coupled Plasma)即感應(yīng)等離子體刻蝕等技術(shù)加工制作硅微機械傳感結(jié)構(gòu)。然后

6、，對制作完成的光柵、壓電陶瓷、硅微機械傳感結(jié)構(gòu)進行封裝與鍵合，完成了三明治式加速度傳感芯片的制作與封裝。最后詳細(xì)介紹了加速度傳感器系統(tǒng)的信號處理電路的工作原理及各電子元器件的選擇。
　　 5.為了對微光學(xué)集成的高精度MOEMS加速度傳感器的原理樣機進行性能的測試與分析，我們在高精度光學(xué)轉(zhuǎn)臺上搭建了靜態(tài)重力場測試平臺。針對評價微加速度傳感器的主要性能指標(biāo)參數(shù)，我們主要完成了靈敏度、線性度、遲滯性、重復(fù)性與穩(wěn)定性等參數(shù)的測試與分析。