带有力反馈控制的三明治式微机械干涉加速度计

　　导航、地震监测和矿产勘探等应用领域通常都需要检测 μg 级 ( g =9. 8 m/s2) 的加速度. 为了实现这样的检测分辨率，所设计的传感器应具有很低的热噪声和极高的位移分辨率. 近年来，将光学干涉技术与微机电系统结合的集成光栅干涉位移测量方法能实现很高的位移分辨率( 约 10- 5nm / Hz0. 5) ，并且集成光栅干涉位移传感器的结构和调节与传统迈克尔逊干涉仪相比大为简化. 该方法已被成功应用于原子力显微镜的悬臂梁位移检测[1-2]、微生化传感器[3]以及微型麦克风[4-5]等. Loh [6]利用集成光栅干涉测量方法研制出一种微加速度计，该传感器的质量块上具有梳齿，与固连在基底上的参考梳齿形成相位敏感衍射光栅，可实现 ng 级的分辨率. Hall 等[7]研制出具有静电反馈的微型干涉加速度计. 笔者曾利用体硅工艺加工制作了集成光栅干涉微位移传感器[8]和微加速度计[9]，位移分辨率可达 0. 2 nm，加速度分辨率优于 34 μg. 开环状态下这类干涉式加速度的输出线性度较差，且量程较小( 可用的位移量程一般约为入射光波长的 1/8) . 本文在已有研究的基础上，引入静电力反馈控制[10]，从而改善传感器的线性度和灵敏度.

　　1 工作原理

　　集成光栅干涉加速度计的组成和原理如图 1 所示. 加速度计的敏感芯片为玻璃-硅-玻璃的三明治结构. 硅敏感质量块由金属薄梁支撑，梁的另一端与硅支撑结构固连. 质量块底部的金属膜可以增强对光的反射率，金属膜与下玻璃的间距为 d. 在下玻璃的上表面有金属光栅和电极，光栅位于质量块上的反射金属膜的下方. 玻璃上的光栅与质量块上的金属膜形成相位敏感光栅. 当经过准直后的激光光束透过底部玻璃近似垂直照射到光栅上时，一部分光被直接反射，并形成衍射光束( 记为衍射光束 1) ; 另一部分入射光通过光栅的间隙照射到质量块底部的金属膜上，然后被反射回来，再次经过光栅后也形成衍射光束( 记为衍射光束 2) . 衍射光束 2 与衍射光束 1 重合，且相位差为 2ld( l =2π/λ，λ 是入射光的波长) . 衍射光束 1 与衍射光束 2 发生干涉，使得重合的衍射光束的强度受到 d 的影响. 1 级衍射光的光强 I1可以表示为[1]

　　从式( 1) 可以看出，1 级衍射光的强度与 d 之间成正弦函数关系. 在外界加速度( 垂直方向) 的作用下，间隙 d 发生改变，从而使衍射光的强度发生变化. 通过一个光电探测器测得 +1 级( 或 -1 级) 衍射光强度的变化，就可以反映出 d 的变化. 光强 I 对间距 d 的 1 阶导数可表示为

　　由式( 2) 可知，光强对位移变化的灵敏度是 d 的正弦函数，当 d 等于 λ/8 的奇数倍时灵敏度最大. 在图1 所示的敏感芯片中，硅质量块通过金属支撑梁和硅支撑结构与下玻璃基片上的电极连通，从而可以在质量块和下玻璃基片上相对的电极之间施加静电驱动. 光电检测电路得到的信号反馈控制静电驱动，可以使得 d一直近似保持在某一 λ/8 的奇数倍位置，从而提高输出信号的线性度，并使得灵敏度一直保持最大.