微光學集成的高精度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，慣性導航與制導系統的重要傳感器，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)新研究的高技術基礎，對精密導航，目標定位，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加速度傳感器技術發(fā)展很快，但是國內在加速度傳感器技術上尚未有突破，仍沿用傳統的壓電技術等，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技術水平具有重要意義。
　　 本文提出了一種微光學集成的高精度MOEMS加速度傳感器，開創(chuàng)性的設計了由光柵、壓電陶瓷和硅微機械結構組成的三明治式加速度傳感芯片，并通過微加工技術完成了該方案的加速度傳感器原理樣機的制作?；谙辔徽{制-解調的信號處理方法，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)展現狀及各自的優(yōu)缺點。提出了本文的主要研究內容、研究方案目標、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結合，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構，建立了相位調制的光柵干涉技術理論，推導了各級次干涉光強與位移之間的函數關系式。結合相位調制-

4、解調技術，提出了相位調制的光柵干涉技術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，該光柵干涉技術可以擴展用于加速度的測量。
　　 3.根據加速度傳感器的力學模型，結合光柵干涉技術理論，開創(chuàng)性的設計了由光柵、壓電陶瓷和硅微機械結構組成的三明治式加速度傳感芯片，建立了微光學集成的高精度MOEMS加速度傳感器的理論與模型，并推導出了各級次干涉光強與加速度之間的函數關系式。利用ANSYS有限元仿真分析軟件，圍繞微機械

5、傳感結構的參數設計、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，提出了基于相位調制-解調的信號檢測方法。
　　 4.結合微光學集成的高精度MOEMS加速度傳感器系統的組成，依次介紹了各個組成元件及其參數等。包括利用電子束曝光技術制作光柵;壓電陶瓷的參數與性能;采用光刻、ICP(Inductively Coupled Plasma)即感應等離子體刻蝕等技術加工制作硅微機械傳感結構。然后

6、，對制作完成的光柵、壓電陶瓷、硅微機械傳感結構進行封裝與鍵合，完成了三明治式加速度傳感芯片的制作與封裝。最后詳細介紹了加速度傳感器系統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，我們在高精度光學轉臺上搭建了靜態(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參數，我們主要完成了靈敏度、線性度、遲滯性、重復性與穩(wěn)定性等參數的測試與分析。