本發(fā)明涉及加速度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高精度雙層納米光柵三軸加速度檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

納米光柵研究起源于90年代，主要分為兩個(gè)階段，第一階段主要集中在衍射理論及加工探索方面(1996年—2003年)，后期研究集中在納米光柵在位移和位移敏感的傳感器的應(yīng)用(2003—今)，1996年，M.G.Moharam首次運(yùn)用嚴(yán)格耦合波理論，以TE波和TM波為例討論了衍射光柵在激光照射下的反射和透射特性，證明了利用嚴(yán)格耦合波理論分析納米光柵的可行性，為納米光柵傳感器的研制奠定了理論基礎(chǔ)。此后，嚴(yán)格耦合波理論逐漸由理論分析走向設(shè)計(jì)應(yīng)用。

隨著嚴(yán)格耦合理論解決光柵的衍射效率的技術(shù)不斷成熟，科學(xué)研究工作者開始把經(jīng)歷轉(zhuǎn)移到納米光柵的傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)上，美國sandia國家實(shí)驗(yàn)室于2003年在論文中首次提出水平可調(diào)納米光柵位移傳感器，在理論及實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了兩個(gè)水平交錯(cuò)的納米光柵間距的微小變化會(huì)引起光柵反射光強(qiáng)都的極大變化，實(shí)現(xiàn)了的位移分辨率，該位移傳感器具有非常高的靈敏度，可達(dá)10％/nm。但是該位移傳感器是單軸位移傳感器，只能檢測(cè)某一個(gè)方向的微位移。2005年，美國研究者首次提出了水平可調(diào)納米光柵的加工方法，在其實(shí)用性上邁出堅(jiān)實(shí)一步。

2007年，sandia實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)納米光柵加速度計(jì)，重點(diǎn)解決了弱懸臂梁與大質(zhì)量塊集成，高深寬比納米光柵加工，器件濕法腐蝕后應(yīng)力釋放及可靠刻蝕等一系列問題，光束以一定角度照射到納米光柵上，臨近光柵之間的柵格發(fā)生近場(chǎng)(遠(yuǎn)場(chǎng))衍射，當(dāng)有外部加速度作用時(shí)，納米光柵間距發(fā)生納米量級(jí)的位移，引起亞波長結(jié)構(gòu)的有效折射率的變化，反射光和衍射光的振幅將發(fā)生大的變化，通過探測(cè)這種變化從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的加速度測(cè)量，這種水平可調(diào)結(jié)構(gòu)的納米光柵易于實(shí)現(xiàn)單片式的多軸加速度傳感器。該器件的靈敏度為598V/g，分辨率為非常接近該器件的熱噪聲極限水平是當(dāng)時(shí)精度最高的MOEMS加速度計(jì)。

2011年南佛羅里達(dá)大學(xué)在論文中提出一種垂直可調(diào)納米光柵位移傳感器，并將它應(yīng)用在加速度計(jì)設(shè)計(jì)方案中，硅質(zhì)量塊底部和玻璃基板上分別刻有納米光柵，他們之間的間隙為波長量級(jí)，形成近場(chǎng)耦合區(qū)。外界加速度使質(zhì)量塊先對(duì)底層光柵發(fā)生垂直位移，引起近場(chǎng)耦合區(qū)的間隙變化，通過檢測(cè)投射光強(qiáng)的改變，得到外界加速度的大小。

現(xiàn)有水平可調(diào)或垂直可調(diào)的納米光柵加速度傳感器都具有局限性，例如北京航空航天大學(xué)在2010年申請(qǐng)了一個(gè)專利，專利名稱為：《可調(diào)納米光柵及納米光柵加速度計(jì)及其加工》，專利號(hào)為：ZL201010607706.6，該專利只能檢測(cè)單軸的加速度，結(jié)構(gòu)較單一，且結(jié)構(gòu)都暴露在空氣中，使用壽命短，而本發(fā)明可以檢測(cè)空間三軸的加速度，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)新穎，用氦氣進(jìn)行封裝，功能更多，使用壽命更長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高精度雙層納米光柵三軸加速度檢測(cè)裝置，可檢測(cè)空間三軸方向的加速度，延長壽命且能保證檢測(cè)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明一種高精度雙層納米光柵三軸加速度檢測(cè)裝置，包括凸臺(tái)、3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)、光電探測(cè)器陣列；凸臺(tái)上布置有固定納米光柵，凸臺(tái)下方布置有與固定納米光柵對(duì)應(yīng)的激光光源陣列，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)包括分別檢測(cè)X、Y、Z軸加速度的納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)，位于凸臺(tái)上方，所述納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)上設(shè)有與固定納米光柵對(duì)應(yīng)的可動(dòng)納米光柵，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)通過連接塊與凸臺(tái)可移動(dòng)連接；激光光源陣列、固定納米光柵、可動(dòng)納米光柵、光電探測(cè)器陣列自下而上對(duì)應(yīng)布置，且均在同一條豎直軸線上。

進(jìn)一步的，激光光源陣列、固定納米光柵、可動(dòng)納米光柵、光電探測(cè)器陣列均為5組，2組用于檢測(cè)面內(nèi)X軸加速度，2組用于檢測(cè)面內(nèi)Y軸加速度，1組用于檢測(cè)離面Z軸加速度。

進(jìn)一步的，納米光柵的制作材料為硅。

進(jìn)一步的，固定納米光柵和可動(dòng)納米光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)均為：入射光波長λ為850nm，光柵周期Λ為800nm，占空比r為0.5，光柵厚度d為400nm。

進(jìn)一步的，上述檢測(cè)裝置用惰性氣體封裝。

進(jìn)一步的，所述惰性氣體為氦氣。

本發(fā)明的有益效果為：能同時(shí)檢測(cè)空間三軸方向的加速度，可獲得ng級(jí)的加速度檢測(cè)分辨率；使用惰性氣體氦氣進(jìn)行封裝，壽命長；該裝置尺寸只有微納級(jí)別，應(yīng)用廣泛；該裝置微型化、集成化、精度高、多功能、壽命長，適于推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例高精度雙層納米光柵三軸加速度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例中單層光柵模型圖。

圖3所示為雙層納米光柵離面加速度檢測(cè)示意圖。

圖4所示為雙層納米光柵面內(nèi)加速度檢測(cè)示意圖。

圖5所示為連接塊與可動(dòng)納米光柵結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6所示為凸臺(tái)與固定納米光柵結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1-激光光源陣列、2-光電探測(cè)器陣列、3-連接塊、4-可動(dòng)納米光柵、5-固定納米光柵、6-凸臺(tái)、7-面內(nèi)X軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)、8-面內(nèi)Y軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)、9-離面Z軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下文將結(jié)合具體附圖詳細(xì)描述本發(fā)明具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。在下述實(shí)施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標(biāo)號(hào)代表相同的特征或者部件，可應(yīng)用于不同實(shí)施例中。

如圖1-6所示，本發(fā)明實(shí)施例一種高精度雙層納米光柵三軸加速度檢測(cè)裝置，包括凸臺(tái)6，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)7、8、9，光電探測(cè)器陣列2；凸臺(tái)6上布置有固定納米光柵5，凸臺(tái)6下方布置有與固定納米光柵5對(duì)應(yīng)的激光光源陣列1，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)7、8、9包括分別檢測(cè)X、Y、Z軸加速度的納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)，分別為面內(nèi)X軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)7、面內(nèi)Y軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)8、離面Z軸的加速度敏感結(jié)構(gòu)，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)7、8、9位于凸臺(tái)6上方，所述納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)7、8、9上設(shè)有與固定納米光柵5對(duì)應(yīng)的可動(dòng)納米光柵4，3軸加速度敏感結(jié)構(gòu)7、8、9通過連接塊3與凸臺(tái)6可移動(dòng)連接；激光光源陣列1、固定納米光柵5、可動(dòng)納米光柵4、光電探測(cè)器陣列2自下而上對(duì)應(yīng)布置，且均在同一條豎直軸線上。

優(yōu)選的，激光光源陣列1、固定納米光柵5、可動(dòng)納米光柵4、光電探測(cè)器陣列2均為5組，2組用于檢測(cè)面內(nèi)X軸加速度，2組用于檢測(cè)面內(nèi)Y軸加速度，1組用于檢測(cè)離面Z軸加速度。

優(yōu)選的，納米光柵4、5的制作材料為硅。

優(yōu)選的，固定納米光柵5和可動(dòng)納米光柵4的結(jié)構(gòu)參數(shù)均為：入射光波長λ為850nm，光柵周期Λ為800nm，占空比r為0.5，光柵厚度d為400nm。

優(yōu)選的，所述檢測(cè)裝置用惰性氣體封裝，惰性氣體可選擇氦氣，電路、電源等由引線引出。

光柵可以使入射光的相位或振幅(或者同時(shí))受到周期性空間調(diào)制，光柵的衍射性能主要是由入射光的波長、偏振特性以及光柵的槽深、周期、槽型等決定的。根據(jù)光波的性質(zhì)劃分，有標(biāo)量衍射理論和矢量衍射理論；按照光柵衍射性能的精確程度劃分，有近似衍射理論和嚴(yán)格衍射理論。標(biāo)量衍射理論沒有考慮光的矢量特性，主要被用來分析特征尺寸遠(yuǎn)大于波長(周期大于10倍波長)的光柵的衍射特性，根據(jù)該理論計(jì)算可以很方便地得到光柵的色散、分辨率、衍射效率等光柵性能指標(biāo)，但是對(duì)于特征尺寸與波長相近甚至小于波長的情況下，標(biāo)量衍射理論就會(huì)失效，計(jì)算就可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，這時(shí)需要采用矢量衍射理論。矢量衍射理論是分析光柵衍射特性的嚴(yán)格方法，主要包括微分法、積分法、模式法和嚴(yán)格耦合波法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)，其中嚴(yán)格耦合波法已經(jīng)被廣泛用于分析光柵的衍射問題。本發(fā)明中，光柵的特征尺寸與光源波長相近，為了更加精確的分析雙層納米光柵的衍射特性，我們采用嚴(yán)格耦合波法作為雙層光柵衍射特性的分析方法。

嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)是一種直接有效的電磁場(chǎng)理論，它在光柵區(qū)域嚴(yán)格的求解麥克斯韋方程，將麥克斯韋方程的求解問題化為一個(gè)求解特征函數(shù)的問題，得到光柵區(qū)域由特征函數(shù)耦合起來的電磁場(chǎng)表達(dá)式，然后在光柵區(qū)域與其它區(qū)域交界面上求解邊界條件，最后得到衍射效率或者反射效率。這種方法廣泛使用在各種形狀光柵的分析設(shè)計(jì)中。嚴(yán)格耦合波理論是沒有近似的嚴(yán)格方法，將介質(zhì)光柵當(dāng)作周期調(diào)制的平面波導(dǎo)處理，通過Maxwell方程組和邊界條件進(jìn)行求解波導(dǎo)模式的本征方程。

光柵模型如圖1所示，光柵槽深為d，周期為Λ，占空比f為ɑ/Λ，入射平面與xz平面的夾角為Φ(方位角)，入射角為θ，Ψ是電位移矢量E和入射平面的夾角，波長為λ。入射區(qū)域I和透射區(qū)域III的折射率分別為n_I和n_III。在區(qū)域II，設(shè)光柵本身材料的折射率為n_rd，光柵之間的間隙的折射率為n_gr。

當(dāng)光柵為無損介質(zhì)材料時(shí)，各反射、透射級(jí)次的衍射效率相加為1，若為有損介質(zhì)，由于光在傳播過程中介質(zhì)吸收了部分能量，衍射效率總和小于1。

雙層納米光柵的分析理論也是基于嚴(yán)格耦合波理論的。

雙層納米光柵加速度檢測(cè)主要有離面檢測(cè)和面內(nèi)檢測(cè)兩種檢測(cè)方式。其基本工作原理是：光通過雙層納米光柵時(shí)，當(dāng)連接塊3受加速度作用運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接塊3帶動(dòng)可動(dòng)納米光柵4作離面或面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)納米光柵4和固定納米光柵5之間發(fā)生了垂直或水平相對(duì)位移，該微小的位移變化，將會(huì)導(dǎo)致零級(jí)衍射光透射效率發(fā)生劇烈變化。通過檢測(cè)零級(jí)衍射光透射效率的變化來得到加速度的變化?？蓜?dòng)納米光柵4結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，固定納米光柵5結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

1、雙層納米光柵離面加速度檢測(cè)

如圖3所示，激光光源陣列1、固定納米光柵5、可動(dòng)納米光柵4和光電探測(cè)器陣列2在一條豎直直線上，當(dāng)連接塊3受加速度作用運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接塊3帶動(dòng)可動(dòng)納米光柵4做離面運(yùn)動(dòng)，光電探測(cè)器陣列2電學(xué)量輸出就會(huì)有相應(yīng)的變化。如圖4所示，納米光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：入射光波長λ為850nm，光柵周期Λ為800nm，占空比r為0.5，光柵厚度d為400nm，上下兩層光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)相同。

當(dāng)雙層納米光柵結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的離面位移變化范圍為0-140nm時(shí)，面內(nèi)保持無運(yùn)動(dòng)，零級(jí)衍射光的衍射效率變化靈敏度最大，達(dá)到了1.75％/nm；當(dāng)雙層納米光柵結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的離面位移變化大于140nm時(shí)，面內(nèi)保持無運(yùn)動(dòng)，零級(jí)衍射光的衍射效率變化靈敏度會(huì)發(fā)生周期性變化，達(dá)到了0.236％/nm。

2、雙層納米光柵面內(nèi)加速度檢測(cè)

如圖4所示，激光光源陣列1、固定納米光柵5、可動(dòng)納米光柵4和光電探測(cè)器陣列2在一條豎直直線上，當(dāng)連接塊3受加速度作用運(yùn)動(dòng)時(shí)，連接塊3帶動(dòng)可動(dòng)納米光柵4做面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，光電探測(cè)器陣列2電學(xué)量輸出就會(huì)有相應(yīng)的變化。如圖4所示，納米光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：入射光波長λ為850nm，光柵周期Λ為800nm，占空比r為0.5，光柵厚度d為400nm，上下兩層光柵結(jié)構(gòu)的參數(shù)相同，上下兩層光柵結(jié)構(gòu)的間距為160nm。

雙層納米光柵面內(nèi)檢測(cè)的加速度變化與零級(jí)衍射光的衍射效率變化之間為正弦關(guān)系，其靈敏度為0.178％/nm。

本發(fā)明實(shí)施例的雙層納米光柵三軸加速度敏感結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

雙層納米光柵三軸加速度敏感結(jié)構(gòu)包括2組檢測(cè)X軸加速度的納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)7，2組檢測(cè)Y軸加速度的納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)8和1組檢測(cè)Z軸加速度的納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)9；5組納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)上設(shè)置了5組可動(dòng)納米光柵4；可動(dòng)納米光柵4上方設(shè)置了5組光電探測(cè)器陣列2；凸臺(tái)6上布置的固定納米光柵5和可動(dòng)納米光柵4、光電探測(cè)器陣列2共同組成加速度敏感器件。如圖3所示，1組納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)9、1組固定納米光柵結(jié)構(gòu)5、1組光電探測(cè)器陣列2、1組激光光源陣列1組成了Z軸加速度檢測(cè)單元。如圖4所示，1組納米光柵加速度敏感結(jié)構(gòu)7或8、1組固定納米光柵結(jié)構(gòu)5、1組光電探測(cè)器陣列2、1組激光光源陣列1組成了X軸或Y軸加速度檢測(cè)裝置。

本發(fā)明的有益效果為：能同時(shí)檢測(cè)空間三軸方向的加速度，可獲得ng級(jí)的加速度檢測(cè)分辨率；使用惰性氣體氦氣進(jìn)行封裝，壽命長；該裝置尺寸只有微納級(jí)別，應(yīng)用廣泛；該裝置微型化、集成化、精度高、多功能、壽命長，適于推廣應(yīng)用。

本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對(duì)本文的實(shí)施例進(jìn)行改變。上述實(shí)施例只是示例性的，不應(yīng)以本文的實(shí)施例作為本發(fā)明權(quán)利范圍的限定。