新型光学加速度传感器动力学性能设计

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作者：时间：2007-10-25 来源：传感器与微系统收藏

　　引言

　　动力学振动系统是众多惯性传感器中的重要组成部分，其参数的选取决定了传感器的性能的优劣。针对基于菲涅耳衍射微透镜的新型光学加速度传感器设计了一种简单实用的敏感加速度的振动系统，它是由一个微弹性机械结构连接在外框架上构成。微弹性机械结构不仅是微型加速度传感器重要组成部分，而且，在微型驱动器、微位移计、微陀螺仪及其他惯性传感器中也有着重要的应用，在微机电系统(MEMS)中发挥着重要的作用。目前，MEMS中类似于微弹性机械结构的敏感装置主要有硅悬臂梁、直角弹性结构及结构更复杂的硅弹簧等。微弹性机械结构是在一块硅片上通过简单的MEMS工艺加工的，可以通过改变硅片的厚度和弹性臂的宽度来设计不同的弹性系数和振动系统的固有频率，以满足传感器的要求。具体讨论了微弹性机械结构参数的选取，并且，模拟分析了传感器的性能和误差。

　　1 传感器动力学系统的工作原理

　　如图1所示，把一个反光膜平行地置于菲涅耳衍射微透镜(以下简称“微透镜”)的一侧，固定一个敏感加速度的微质量于反光膜后面，光纤端部置于微透镜的汇聚点处。光的发射和接收可由同一根光纤来完成，则光纤接收光强的大小随反光膜位置的变化而改变。因此，通过检测光纤中接收光强的变化可以获取反光膜位置的变化。

　　微弹簧一端与反光膜固定连接，另一端固定在传感器的外框架上，这就形成了一个由微质量、反光膜、微弹簧和外框架构成的振动系统。

　　把传感器固定在被测物体上，设被测物体的振动方程为xs=asinωt，令Y表示反光膜相对于微透镜的稳态响应的振动幅值，则

　　式中a为常数;ω为被测物体的振动频率;ωn为该振动系统的一阶固有频率;ζ为阻尼比。当ωn》ω时，式(1)可以改写为

　　式中aω2为被测物体的加速度幅值。可见只要固有频率远高于被测物体的振动频率，反光膜与微透镜间的相对运动的振幅Y正比于被测物体的加速度幅值aω2。而振幅Y可由检测光纤接收的光强来实现获取，从而通过检测光强的变化来实现加速度的测量。

　　2动力学系统的设计

　　2.1 结构设计

　　针对这种新型MEMS光学传感器对动力学系统的要求，设计了一种结构简单实用的一维振动系统，它包含传感器中的微弹簧、反光膜和微质量。它是由一个微弹性机械结构(以下简称“微结构”)的4个臂端固定在外框架上构成，微结构如图2(a)所示，它的四周是4个完全相同的弹性臂，相当于传感器中的微弹簧，单个弹性臂如图2(b)所示。微结构与微透镜相邻的一侧蒸镀上一层铝或银构成了传感器中的反光膜。整个微结构的当量质量相当于传感器中的微质量。微结构的厚度与弹性臂的宽度可以根据弹性系数和振动系统固有频率的要求来选择。整个微结构可在一块光滑等厚的硅片上通过光刻、深反应离子刻蚀(DRIE)、金属膜蒸镀等几步完成。