采用微机械加工技术的微光学加速度计

　　1　引　　言

　　微机电系统(Microeletromechanical Systems,MEMS)领域在过去的十年中得到了重大的发展,MEMS的应用十分广泛,从压力传感器到微机械加速度计以及微流体等领域都有成功的应用。最近,随着光通讯和光计算领域的发展,集微光学、微电子和微机械的微光机电系统(Microopto-elec-tro mechanical system, MOEMS)技术已经引起国际上光学研发单位和制造厂商的广泛重视[1]。

　　MOEMS的重要性、优越特性以及在传感器和执行器等应用领域的应用前景得到了越来越多的关注。MOEMS采用多晶硅表面微机械加工技术,它为实现单片集成光学系统提供了一种全新的技术途径。

　　目前微机械加速度计主要为电容、压电及压阻式。电容式加速度计检测难度大,电路复杂。压电式检测电路相对简单一些,但对温度等很敏感。本文采用MOEMS技术,研制了一种新型微机械微光学加速度计(Micromachined Micro Optical Accelerome-ter, MMOA),其工作原理是基于光线与光闸相互作用引起的光通量的变化。它的优点是采用光学检测,易于检测,线性输出,电路易于集成,全固态。

　　2　MMOA的设计

　　2·1　结构及原理

　　图1给出了MMOA的光学系统结构,它由一个半导体激光器,一个多晶硅光闸及光电探测器组成,光源安装在光闸的上面,光探测器被划分为工作区和透明区条纹间隔,并通过键合安装在光闸下面。光闸缝隙设计成与光检测器的条纹间隔基本相同。当光闸在加速度的作用下运动,位于光闸下面的光探测器检测到的光通量将随之变化,通过光通量的变化可以确定所测量的加速度。

　　根据MMOA的结构可知,光检测器的反向偏置电流与光闸的位移之间存在以下关系[2]:

　　有关,可以假设为常数。

　　根据应力和应变的关系式,光闸的位移L和加速度a成线性比例关系[2],即:

　　其中,K2是比例常数,与光闸的尺寸、质量等参数有关。从式(1)、(2)可知,光探测器反向偏置电流与加速度成正比,这就是MMOA能线性测量加速度的原理.

　　在MMOA的设计与加工中,多晶硅光闸是最关键的器件。图2为多晶硅光闸的结构设计图。多晶硅光闸厚度为2μm,它采用一个200μm长的多晶硅褶曲梁式弹簧支撑在基片上,硅基片与光闸结构层之间所夹的牺牲层采用氢氟酸湿法刻蚀去除,同时采用一个自装配单层涂层来防止摩擦。

　　采用平行沟道结构,光闸的功能与光栅相似,因此在MMOA的设计中应考虑衍射的影响,假设正交入射时,光栅的方程为: