【摘 要】
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加速度计是测量物体加速度的仪表,是惯性传感器的重要组成部件之一。本文对高精度MEMS加速度计进行研究,将太赫兹技术与MEMS技术相结合,提出了一种基于亚波长硅基双层光栅“伍德异常”现象的光学传感式MEMS加速度计。其传感方式不仅具有光学传感的抗电磁干扰、受温度影响小、分辨率高等优势,与传统的光学传感相比,还具有加工难度更低、高误差容忍度等特点,能够与体硅工艺完美结合。本文首先介绍了基于太赫兹双层光
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加速度计是测量物体加速度的仪表,是惯性传感器的重要组成部件之一。本文对高精度MEMS加速度计进行研究,将太赫兹技术与MEMS技术相结合,提出了一种基于亚波长硅基双层光栅“伍德异常”现象的光学传感式MEMS加速度计。其传感方式不仅具有光学传感的抗电磁干扰、受温度影响小、分辨率高等优势,与传统的光学传感相比,还具有加工难度更低、高误差容忍度等特点,能够与体硅工艺完美结合。本文首先介绍了基于太赫兹双层光栅的MEMS加速度计的结构设计与优化。为提高MEMS加速度计的位移传感灵敏度,对光栅的电磁特性进行仿真优化,最终确定了优化后的光栅结构参数,使得双层光栅在较小相对位移情况下,能够具有较大的反射率或透射率变化,最终得到8μm的位移区间内透射灵敏度可以达到10.3%/μm。进一步地,本文研究了基于双层硅基光栅的MEMS加速度计表头加工。其中工艺加工的难点之一就是双层光栅间距的控制与两层光栅结构的键合,对光栅间距的控制方法进行了不同的工艺摸索。随后对于加工后的MEMS加速度计进行测量确定加工误差,并利用加工获得的光栅参数进行电磁仿真,验证了加工方案的可行性。最后,对加工获得的硅基MEMS加速度计进行了实验验证,得到加速度计本征频率为2.1 Hz,标度因数21.7 V/mg,静态本底噪声为210 ng/√
[email protected] Hz及48 ng/√Hz@1Hz。本文设计了一款基于光学传感的MEMS加速度计,完成了加速度计表头结构的加工并搭建实验平台进行测试。通过对比分析测试结果与理论模型的计算结果,验证了设计方案的正确性,并实现了对地球表层微弱振动信号的检测。基于太赫兹频段硅基光栅的新型位移传感方式,为太赫兹技术的应用以及MEMS加速度计传感方式的扩展提供了新思路,也为该技术进一步发展奠定了基础。
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