微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器研究
微加速度传感器是军械、车辆、船舶等抗冲击、抗振动测量，地震监测，惯性导航与制导系统的重要传感器，特别是微型10-6-10-9 g量级的高精度加速度传感器更是先进军事与国防创新研究的高技术基础，对精密导航，目标定位，陆地，太空及海洋重力分布测量具有突破性意义。近年来国外的MEMS加速度传感器技术发展很快，但是国内在加速度传感器技术上尚未有突破，仍沿用传统的压电技术等，精度上大体处于10-4-10-5g的水平。本课题所做的研究，主要是为了填补国内在高精度微加速度传感器方面的空白，对于提升国家整体的惯导技术水平具有重要意义。
本文提出了一种微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器，开创性的设计了由光栅、压电陶瓷和硅微机械结构组成的三明治式加速度传感芯片，并通过微加工技术完成了该方案的加速度传感器原理样机的制作。基于相位调制-解调的信号处理方法，对制作完成的加速度传感器原理样机进行了静态测试与分析。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:
1.简要介绍了加速度传感器的工作原理、分类方法以及发展进程，并给出了MEMS和MOEMS的概念，详细分析了一些典型的MEMS和MOEMS加速度传感器的工作原理、发展现状及各自的优缺点。提出了本文的主要研究内容、研究方案目标、以及主要的创新点。
2.将迈克尔逊干涉仪与光栅测量技术结合，提出了由光栅、压电陶瓷和反射镜组成的相位敏感的光栅干涉结构，建立了相位调制的光栅干涉技术理论，推导了各级次干涉光强与位移之间的函数关系式。结合相位调制-解调技术，提出了相位调制的光栅干涉技术可用于纳米量级以下位移的检测。由于加速度是位移的二次微分，因而，该光栅干涉技术可以扩展用于加速度的测量。
3.根据加速度传感器的力学模型，结合光栅干涉技术理论，开创性的设计了由光栅、压电陶瓷和硅微机械结构组成的三明治式加速度传感芯片，建立了微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器的理论与模型，并推导出了各级次干涉光强与加速度之间的函数关系式。利用ANSYS有限元仿真分析软件，围绕微机械传感结构的参数设计、建模、并对其模态、线性等性能进行了仿真分析。最后，根据该方案的加速度传感器的输出信号特性，提出了基于相位调制-解调的信号检测方法。
4.结合微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器系统的组成，依次介绍了各个组成元件及其参数等。包括利用电子束曝光技术制作光栅;压电陶瓷的参数与性能;采用光刻、ICP(Inductively Coupled Plasma)即感应等离子体刻蚀等技术加工制作硅微机械传感结构。然后，对制作完成的光栅、压电陶瓷、硅微机械传感结构进行封装与键合，完成了三明治式加速度传感芯片的制作与封装。最后详细介绍了加速度传感器系统的信号处理电路的工作原理及各电子元器件的选择。
5.为了对微光学集成的高精度MOEMS加速度传感器的原理样机进行性能的测试与分析，我们在高精度光学转台上搭建了静态重力场测试平台。针对评价微加速度传感器的主要性能指标参数，我们主要完成了灵敏度、线性度、迟滞性、重复性与稳定性等参数的测试与分析。经过多次、反复实验，其测试结果表明我们制作完成的加速度传感器，在一个周期的线性区域内，采用相位调制-解调方式的加速度探测灵敏度为1676 V/g，分辨率小于3.1μg，且具有良好的稳定性与重复性。
最后，本文对所涉及的研究工作进行了总结，并对未来的主要工作内容与方向提出了展望。
微光学集成;光栅干涉;三明治结构;加速度传感器;微光机电系统;相位调制解调
浙江大学
博士
测试计量技术及仪器
白剑;杨国光;侯昌伦
2013
中文
TP212.17;TN256
137
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）