組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法
2023-06-26 15:39:06
組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法
【專利摘要】本發明公開了一種組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法，該傳感器包括兩組發射接收結構、第一運動光柵、第二運動光柵、第一固定光柵、第二固定光柵、增反層、第一固定底座、第二固定底座、回形懸臂梁、上層電容平板、下層電容平板、信號處理模塊和電流驅動模塊。本發明大大縮小了系統的體積，而且引入了梳狀電極、電容平板作為靜電力回復閉環器件，能夠精確對位移進行探測，擴大了探測器的動態範圍；通過一組光柵產生的脈衝式光強變化信號來鎖定另一組光柵產生的平緩光強變化信號斜率最大的位置，從而測量位移；實現了傳感系統的小型化、高精度，在航空、軍事領域都有很廣泛的應用前景。
【專利說明】 組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，特別是涉及一種組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法。
【背景技術】
[0002]近年來隨著集成電路製造工藝和微機械加工工藝的發展，以這兩種製作工藝為基礎的微機械傳感器的到了快速的發展。微機械傳感器以其體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強和可批量生產等特點，迅速佔領了各種傳感器領域，例如微機械加速度傳感器等。目前，隨著對微機械位移傳感器性能要求的提高，特別是中高精度位移傳感應用需求的不斷擴展，與光學測量和微光學技術相結合的高精度微光機位移傳感器的研究成為了一個重要發展方向。
[0003]在現有的報到中位移傳感器主要分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。雖然種類繁多，但是現在的位移傳感器的位移精度最高只能達到納米量級，一種納米級的微位移測量裝置是美國Sandia Nat1nal Lab設計的雙光柵MEMS位移傳感器，該裝置是利用光柵反射光強來測量微小位移，通過信號光強變化來將光柵鎖定在測量位移最靈敏的位置，由於光強變化曲線相對平緩，無法準確區分光強的變化由於外界環境導致還是位移導致的，因此無法精確將光柵鎖定在位移最靈敏的位置，測量精度不高。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於針對現有技術的步不足，提供一種組合光柵微位移傳感器及其測量位移的方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發射接收結構、第一運動光柵、第二運動光柵、第一固定光柵、第二固定光柵、增反層、第一固定底座、第二固定底座、回形懸臂梁、上層電容平板、下層電容平板、信號處理模塊和電流驅動模塊；所述每組發射接收結構包括光源、分束器、第一紅外光電探測器、第一聚焦透鏡組、第二紅外光電探測器和第二聚焦透鏡組；
所述上層電容平板的一側具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運動光柵，在上層電容平板的另一側刻蝕與第二運動光柵結構相同的第一運動光柵；上層電容平板的一端通過兩個回形懸臂梁與第一固定底座相連，另一端通過兩個回形懸臂梁與第二固定底座相連，回形懸臂梁起到了支撐上層電容平板的作用，第一運動光柵和第一固定光柵之間，第二運動光柵和第二固定光柵之間均有相適應的容納腔，在有外界縱向位移時，容納腔為上層電容平板的位移提供了變化的空間。同時回形梁的設計保證了系統擁有較大的彈性係數，從而提高了探測位移的靈敏度，而且也使得光柵移動過程中不會出現垂軸串擾的現象；第一固定底座和第二固定底座均固定在增反層上；上層電容平板通過回形懸臂梁、第一固定底座和第二固定底座與增反層電連接； 所述下層電容平板的一側刻蝕與第一運動光柵結構相同的第一固定光柵，所述第一固定光柵的橫向初始位置與第一運動光柵的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為295-305nm;所述下層電容平板的另一側刻蝕與第二運動光柵結構相同的第二固定光柵，所述第二固定光柵的橫向初始位置與第二運動光柵的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板固定在增反層上，與增反層絕緣；
在上層電容平板的兩個長邊處對稱設有兩個第一梳狀電極，在每個第一梳狀電極的上方各設有與其所對應的第二梳狀電極，且所述第二梳狀電極可靠靜電力被第一梳狀電極吸引或排斥；每個第二梳狀電極均通過梳狀電極固定底座固定在增反層上，與增反層絕緣；
所述兩組發射接收結構分別置於第一運動光柵和第二運動光柵的正上方，每組發射接收結構的光源的下方設有分束器，第一紅外光電探測器和第二紅外光電探測器對稱置於光源的兩側，第一聚焦透鏡組置於第一紅外光電探測器的正下方，第二聚焦透鏡組置於第二紅外光電探測器的正下方；兩個第一紅外光電探測器和兩個第二紅外光電探測器均與信號處理模塊相連；下層電容平板的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊；兩個梳狀電極固定底座通過引線相連後接入電流驅動模塊；增反層的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊；電流驅動模塊與信號處理模塊相連；
所述光源為帶有準直擴束的紅外1530nm光源；所述增反層由800nm的SiN3和600nm的Si02以及Si基底從上至下依次排布組成，起到增強反射光信號的作用；所述第一運動光柵、第二運動光柵、第一固定光柵和第二固定光柵使用聚焦離子束製作而成，材料是Si，厚度均為950-965nm，光柵數均為30-80個，周期T均為1493_1500nm，佔空比均為0.45-0.5 ；第一運動光柵和第一固定光柵的空氣間隙為300-400nm,形成諧振腔，激發脈衝式光電信號；第二運動光柵與第二固定光柵的空氣間隙為1000nm-1200nm。
[0006]進一步地，所述的光源為垂直腔表面發射雷射器，垂直腔表面發射雷射器是一種低成本、高性能的特定波長光源，具有測試簡單、易耦合以及易形成陣列等獨特優勢。
[0007]一種利用上述組合光柵微位移傳感器測量位移的方法，包括以下步驟:
兩組光源發出的光均通過分束器產生兩路雷射，每組的一路雷射均照射到上層電容平板沒有光柵的區域後反射，反射光束通過第一聚焦透鏡組照射到第一紅外光電探測器上；一組的另一路雷射依次通過上層電容平板的第一運動光柵、下層電容平板的第一固定光柵和增反層後，經過增反層反射的光束通過第二聚焦透鏡組照射到第二紅外光電探測器上；另一組的另一路雷射依次通過上層電容平板的第二運動光柵、下層電容平板的第二固定光柵和增反層後，經過增反層反射的光束通過第二聚焦透鏡組照射到第二紅外光電探測器上；
兩個第一紅外光電探測器和兩個第二紅外光電探測器上接收到的光強信號傳送到信號處理模塊進行對比分析，通過差分技術濾除噪聲得到一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號；電流驅動模塊輸出電流到上層電容平板和下層電容平板，通過調整電流的大小來調整兩層電容平板的縱向間隔，從而得到線寬不同的特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，當得到的脈衝式光強變化信號的線寬最窄時，鎖定此時給予電容平板的電流；當上層電容平板和下層電容平板發生橫向相對位移時產生一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，調整提供給第一梳狀電極和第二梳狀電極的電流，使得第一運動光柵和第一固定光柵橫向相對位置保持在平緩光強變化曲線斜率最大的位置，該位置即為同時使得第二運動光柵和第二固定光柵產生脈衝式光強信號峰值的相對位置，利用脈衝的極窄線寬，鎖定此時給予梳狀電極的電流，記為橫向初始位置，即鎖定平緩光強變化曲線斜率最大的位置；當上層電容平板和下層電容平板再次發生橫向相對位移時，通過電流驅動模塊驅動第一梳狀電極和第二梳狀電極，將運動光柵拉回至_定的橫向初始位置，計算輸出的電流，最終得到運動光柵的微小位移；若由於外界震動的原因造成上層電容平板和下層電容平板之間的間隔變化，使得脈衝信號消失，電流驅動模塊再次調整輸出電流，直到重新出現脈衝式光強信號。
[0008]本發明有益的效果是:當上下兩層光柵發生微位移時，一組光柵的反射光強會產生脈衝式的變化，另一組光柵的反射光強產生較為平緩的變化，利用脈衝式光強信號的極窄線寬，梳狀電極鎖定此時另一組上下兩層光柵的橫向相對位置，即平緩反射光強曲線斜率最大的位置，即探測器靈敏度最高的位置，通過梳狀電極的反饋電流計算位移大小。本發明大大縮小了系統的體積，而且引入了梳狀電極、電容平板作為靜電力回復閉環器件，能夠精確對位移進行探測，擴大了探測器的動態範圍；通過一組光柵產生的脈衝式光強變化信號來鎖定另一組光柵產生的平緩光強變化信號斜率最大的位置，從而測量位移；實現了傳感系統的小型化、高精度，在航空、軍事領域都有很廣泛的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為組合光柵微位移傳感器的總體結構示意圖；
圖2為上層電容平板的一個角度的結構示意圖；
圖3為上層電容平板的另一個角度的結構示意圖；
圖4為下層電容平板的一個角度的結構示意圖；
圖5為下層電容平板的另一個角度的結構示意圖；
圖6為梳狀電極的結構7]^意圖；
圖7為梳狀電極和下層電容平板組合的結構示意圖；
圖8為上層電容平板和下層電容平板組合的俯視圖；
圖9為光柵間隔為300-400nm時，反射光強隨著上下兩層光柵相對移動產生的脈衝式變化曲線圖；
圖10為光柵間隔為1000-1200nm時，反射光強隨著上下兩層光柵相對移動產生的平緩變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0011]當TE偏振的1530nm的紅外光源垂直照射到亞波長光柵上時，會在光柵表面以倏逝波的形式傳播。當兩個光柵在垂直方向距離很近時，光會在兩層光柵之間震蕩，光通過倏逝場從一個光柵傳到另外一個光柵，同時另外一個光柵的倏逝波也會通過倏逝場耦合會原來的光柵。當兩層光柵發生的橫向相對位移時，會導致諧振場發生變化，使得反射光的強度急劇提高，通過探測反射光的光強變化，我們可以精確知道發生的橫向、縱向相對位移。通過調整兩層光柵的縱向間隔，可以產生兩種反射光強變化，一種是光強相對於位移的平緩變化的曲線，一種是光強相對於位移的脈衝式變化曲線。利用脈衝式變化曲線的極窄線寬，梳狀電極可以鎖定平緩變化曲線的斜率最大的位置，從而利用反饋電流計算出位移的大小。
[0012]如圖1-8所示，本發明一種組合光柵微位移傳感器，包括兩組發射接收結構、第一運動光柵2、第二運動光柵20、第一固定光柵3、第二固定光柵21、增反層4、第一固定底座9、第二固定底座15、回形懸臂梁10、上層電容平板11、下層電容平板12、信號處理模塊13和電流驅動模塊14;所述每組發射接收結構包括光源1、分束器16、第一紅外光電探測器5、第一聚焦透鏡組6、第二紅外光電探測器7和第二聚焦透鏡組8 ；
所述上層電容平板11的一側具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運動光柵20，在上層電容平板11的另一側刻蝕與第二運動光柵20結構相同的第一運動光柵2 ;上層電容平板11的一端通過兩個回形懸臂梁10與第一固定底座9相連，另一端通過兩個回形懸臂梁10與第二固定底座15相連，回形懸臂梁10起到了支撐上層電容平板11的作用，第一運動光柵2和第一固定光柵3之間,第二運動光柵20和第二固定光柵21之間均有相適應的容納腔，在有外界縱向位移時，容納腔為上層電容平板11的位移提供了變化的空間。同時回形梁的設計保證了系統擁有較大的彈性係數，從而提高了探測位移的靈敏度，而且也使得光柵移動過程中不會出現垂軸串擾的現象；第一固定底座9和第二固定底座15均固定在增反層4上；上層電容平板11通過回形懸臂梁10、第一固定底座9和第二固定底座15與增反層4電連接；
所述下層電容平板12的一側刻蝕與第一運動光柵2結構相同的第一固定光柵3，所述第一固定光柵3的橫向初始位置與第一運動光柵2的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為295-305nm ;所述下層電容平板12的另一側刻蝕與第二運動光柵20結構相同的第二固定光柵21，所述第二固定光柵21的橫向初始位置與第二運動光柵20的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板12固定在增反層4上，與增反層4絕緣；
在上層電容平板11的兩個長邊處對稱設有兩個第一梳狀電極17，在每個第一梳狀電極17的上方各設有與其所對應的第二梳狀電極18，且所述第二梳狀電極18可靠靜電力被第一梳狀電極17吸引或排斥；每個第二梳狀電極18均通過梳狀電極固定底座19固定在增反層4上,與增反層4絕緣；
所述兩組發射接收結構分別置於第一運動光柵2和第二運動光柵20的正上方，每組發射接收結構的光源1的下方設有分束器16,第一紅外光電探測器5和第二紅外光電探測器7對稱置於光源1的兩側，第一聚焦透鏡組6置於第一紅外光電探測器5的正下方，第二聚焦透鏡組8置於第二紅外光電探測器7的正下方；兩個第一紅外光電探測器5和兩個第二紅外光電探測器7均與信號處理模塊13相連；下層電容平板12的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊14 ;兩個梳狀電極固定底座19通過引線相連後接入電流驅動模塊14 ;增反層4的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊14 ;電流驅動模塊14與信號處理模塊13相連；
所述光源1為帶有準直擴束的紅外1530nm垂直腔表面發射雷射器，垂直腔表面發射雷射器是一種低成本、高性能的特定波長光源，具有測試簡單、易耦合以及易形成陣列等獨特優勢；所述增反層4由800nm的SiN3和600nm的Si02以及Si基底從上至下依次排布組成，起到增強反射光信號的作用；所述第一運動光柵2、第二運動光柵20、第一固定光柵3和第二固定光柵21使用聚焦離子束製作而成，材料是Si，厚度均為950-965nm，光柵數均為30-80個，周期T均為1493-1500nm，佔空比均為0.45-0.5 ;第一運動光柵2和第一固定光柵3的空氣間隙為300-400nm,形成諧振腔,激發脈衝式光電信號；第二運動光柵20與第二固定光柵21的空氣間隙為1000nm-1200nm。
[0013]一種利用上述組合光柵微位移傳感器測量位移的方法，包括以下步驟:
兩組光源1發出的光均通過分束器16產生兩路雷射，每組的一路雷射均照射到上層電容平板11沒有光柵的區域後反射，反射光束通過第一聚焦透鏡組6照射到第一紅外光電探測器5上；一組的另一路雷射依次通過上層電容平板11的第一運動光柵2、下層電容平板12的第一固定光柵3和增反層4後，經過增反層4反射的光束通過第二聚焦透鏡組8照射到第二紅外光電探測器7上；另一組的另一路雷射依次通過上層電容平板11的第二運動光柵20、下層電容平板12的第二固定光柵21和增反層4後，經過增反層4反射的光束通過第二聚焦透鏡組8照射到第二紅外光電探測器7上；
兩個第一紅外光電探測器5和兩個第二紅外光電探測器7上接收到的光強信號傳送到信號處理模塊13進行對比分析，通過差分技術濾除噪聲得到一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號；電流驅動模塊14輸出電流到上層電容平板11和下層電容平板12，通過調整電流的大小來調整兩層電容平板的縱向間隔，從而得到線寬不同的特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，當得到的脈衝式光強變化信號的線寬最窄時，鎖定此時給予電容平板的電流；當上層電容平板11和下層電容平板12發生橫向相對位移時產生一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，調整提供給第一梳狀電極17和第二梳狀電極18的電流，使得第一運動光柵2和第一固定光柵20橫向相對位置保持在平緩光強變化曲線斜率最大的位置，該位置即為同時使得第二運動光柵3和第二固定光柵21產生脈衝式光強信號峰值的相對位置，利用脈衝的極窄線寬，鎖定此時給予梳狀電極的電流，記為橫向初始位置，即鎖定平緩光強變化曲線斜率最大的位置；當上層電容平板11和下層電容平板12再次發生橫向相對位移時，通過電流驅動模塊14驅動第一梳狀電極17和第二梳狀電極18，將運動光柵拉回到鎖定的橫向初始位置，計算輸出的電流，最終得到運動光柵的微小位移；若由於外界震動的原因造成上層電容平板11和下層電容平板12之間的間隔變化，使得脈衝信號消失，電流驅動模塊14再次調整輸出電流，直到重新出現脈衝式光強信號。
[0014]本發明組合光柵微位移傳感器的製造方法包括以下步驟:
1.本發明示例中採用的光源1為武漢電信器件有限公司(WTD)的，功率為l-10mW，波長為1530nm，由恆功率電路驅動，光源1經過Thorlab的紅外波段準直器後，使發散角小於1度，調整光源1和運動光柵2表面的距離，使得光斑大小與光柵面積相匹配；第一紅外光電探測器5和第二紅外光電探測器7採用光電倍增管。
[0015]2.取一塊直徑為150mm的Si片基底表面清潔，對其進行η型摻雜，並通過傳統的溼法氧化，在高溫環境下1050°C處理1.5小時，在其上氧化出一層Si02薄膜，薄膜厚度為600nm。接著通過LPCVD技術在850°C溫度下在Si02上沉積800nm的Si3N4。之後利用反應離子束刻蝕的方法在Si02和Si3N4層刻蝕出一個開口，該開口用於固定第一固定底座9和第二固定底座15，使得電流可以從基地導通，控制兩層光柵的間隔。
[0016]3.接著在Si3N4的表面利用LPCVD的方式在580攝氏度的條件下沉積960nm的Si薄膜。這一層Si的厚度有較高的要求，需通過兩次沉積完成。第一次沉積大約800nm的Si，第二次降低沉積的速率，使用N型摻雜的Si來沉積，同時使用化學機械拋光法拋光矽層表面，使得矽層達到精確960nm厚度。接著，在蒸鍍的Si層表面附上掩膜，利用248nm的紫外光刻技術和反應離子束刻蝕技術刻蝕出第一固定光柵3、第二固定光柵21。第一固定光柵3、第二固定光柵21的光柵線條數為30-80條。
[0017]4.接著在Si表面沉積一層1.2um的Si02作為犧牲層，產生上下兩層光柵的空氣間隔，同時使用CMP技術來平滑其表面，然後附上掩膜，刻蝕出上層電容平板11的向下的矩形凹槽所需的空間。完成後，在Si02表面使用沉積第一固定光柵3和第二固定光柵21的方法再次沉積960nm的Si薄膜，使得矽層達到精確960nm厚度，同時使用化學機械拋光法拋光娃層表面。接著，使用掩膜刻蝕出第一運動光柵2、第二運動光柵20、第一梳狀電極17、第二梳狀電極18、回形懸臂梁10、可移動的上層電容平板11。
[0018]5.最後，再沉積0.5um的Si02犧牲層，用來包裹增反層4以及光柵的各個部件，因為需要將器件在1100攝氏度的高溫下用N型雜質沉積到運動光柵2，以此來釋放Si材料的應力。之後將器件浸沒在HF溶液中來犧牲Si02層，形成兩層光柵層之間的間隙，然後用去離子水洗淨，用0)2進行零點乾燥。然後對器件進行封裝，與電流驅動模塊14相連接。
[0019]本發明的兩層亞波長光柵組合構成一個諧振腔，第一層光柵為可動部分，第二層光柵為固定部分，可動部分與固定部分之間的相對位移可以影響入射光在光柵內部的傳播模式，分別是洩露模式和傳導模式，從而導致光柵反射光強的變化。調整兩層光柵的縱向間隔，可以產生不同形式的光強變化曲線。通過圖9可見，本發明中，相對縱向間隔是300-400nm時，曲線會產生脈衝的形狀，相對橫向位移是163_167nm時，脈衝達到峰值。通過圖10可見，本發明中，相對縱向間隔是1000-1200nm時，曲線會較為平緩，相對橫向位移是295-305nm時，曲線達到其斜率最大位置。通過合理調整兩組光柵的初始相對位置，當兩層光柵運動到某一位置時，使得脈衝達到其峰值同時，曲線的達到其斜率最大處，從而利用脈衝極窄的線寬來鎖定斜率最大位置，從而實現位移的精確測量。
【權利要求】
1.一種組合光柵微位移傳感器，其特徵在於:包括兩組發射接收結構、第一運動光柵(2)、第二運動光柵(20)、第一固定光柵(3)、第二固定光柵(21)、增反層(4)、第一固定底座(9)、第二固定底座(15)、回形懸臂梁(10)、上層電容平板(11)、下層電容平板(12)、信號處理模塊(13)和電流驅動模塊(14);所述每組發射接收結構包括光源(I)、分束器(16)、第一紅外光電探測器(5)、第一聚焦透鏡組(6)、第二紅外光電探測器(7)和第二聚焦透鏡組(8)； 所述上層電容平板(11)的一側具有向下的矩形凹槽，所述凹槽的槽深為600-900nm，在凹槽上刻蝕第二運動光柵(20)，在上層電容平板(11)的另一側刻蝕與第二運動光柵(20)結構相同的第一運動光柵(2);上層電容平板(11)的一端通過兩個回形懸臂梁(10)與第一固定底座(9)相連，另一端通過兩個回形懸臂梁(10)與第二固定底座(15)相連；第一固定底座(9)和第二固定底座(15)均固定在增反層(4)上；上層電容平板(11)通過回形懸臂梁(10)、第一固定底座(9)和第二固定底座(15)與增反層(4)電連接； 所述下層電容平板(12)的一側刻蝕與第一運動光柵(2)結構相同的第一固定光柵(3),所述第一固定光柵(3)的橫向初始位置與第一運動光柵(2)的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為295-305nm;所述下層電容平板(12)的另一側刻蝕與第二運動光柵(20)結構相同的第二固定光柵(21)，所述第二固定光柵(21)的橫向初始位置與第二運動光柵(20)的橫向初始位置在垂直於光柵方向上的距離為163-167nm ;下層電容平板(12)固定在增反層(4)上，與增反層(4)絕緣； 在上層電容平板(11)的兩個長邊處對稱設有兩個第一梳狀電極(17)，在每個第一梳狀電極(17)的上方各設有與其所對應的第二梳狀電極(18)，且所述第二梳狀電極(18)可靠靜電力被第一梳狀電極(17)吸引或排斥；每個第二梳狀電極(18)均通過梳狀電極固定底座(19)固定在增反層(4)上，與增反層(4)絕緣； 所述兩組發射接收結構分別置於第一運動光柵(2 )和第二運動光柵(20 )的正上方，每組發射接收結構的光源(I)的下方設有分束器(16),第一紅外光電探測器(5)和第二紅外光電探測器(7)對稱置於光源(I)的兩側，第一聚焦透鏡組(6)置於第一紅外光電探測器(5)的正下方，第二聚焦透鏡組(8)置於第二紅外光電探測器(7)的正下方；兩個第一紅外光電探測器(5)和兩個第二紅外光電探測器(7)均與信號處理模塊(13)相連；下層電容平板(12)的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊(14);兩個梳狀電極固定底座(19)通過引線相連後接入電流驅動模塊(14);增反層(4)的兩側通過引線相連後接入電流驅動模塊(14);電流驅動模塊(14)與信號處理模塊(13)相連； 所述光源(I)為帶有準直擴束的紅外1530nm光源；所述增反層(4)由800nm的SiN3和600nm的S12以及Si基底從上至下依次排布組成；所述第一運動光柵(2)、第二運動光柵(20)、第一固定光柵(3)和第二固定光柵(21)、厚度均為950-965nm，光柵數均為30-80個，周期T均為1493-1500nm，佔空比均為0.45-0.5 ;第一運動光柵(2)和第一固定光柵(3)的空氣間隙為300-400nm ;第二運動光柵(20)與第二固定光柵(21)的空氣間隙為1000nm_1200nm。
2.根據權利要求1所述組合光柵微位移傳感器，其特徵在於:所述的光源(I)為垂直腔表面發射雷射器。
3.一種利用權利要求1所述組合光柵微位移傳感器測量位移的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 兩組光源(I)發出的光均通過分束器(16)產生兩路雷射，每組的一路雷射均照射到上層電容平板(11)沒有光柵的區域後反射，反射光束通過第一聚焦透鏡組(6)照射到第一紅外光電探測器(5)上；一組的另一路雷射依次通過上層電容平板(11)的第一運動光柵(2)、下層電容平板(12)的第一固定光柵(3)和增反層(4)後，經過增反層(4)反射的光束通過第二聚焦透鏡組(8)照射到第二紅外光電探測器(7)上；另一組的另一路雷射依次通過上層電容平板(11)的第二運動光柵(20)、下層電容平板(12)的第二固定光柵(21)和增反層(4)後，經過增反層(4)反射的光束通過第二聚焦透鏡組(8)照射到第二紅外光電探測器(7)上； 兩個第一紅外光電探測器(5)和兩個第二紅外光電探測器(7)上接收到的光強信號傳送到信號處理模塊(13)進行對比分析，通過差分技術濾除噪聲得到一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號；電流驅動模塊(14)輸出電流到上層電容平板(11)和下層電容平板(12)，通過調整電流的大小來調整兩層電容平板的縱向間隔，從而得到線寬不同的特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，當得到的脈衝式光強變化信號的線寬最窄時，鎖定此時給予電容平板的電流；當上層電容平板(11)和下層電容平板(12 )發生橫向相對位移時產生一般伍德異常平緩光強變化信號和特殊伍德異常脈衝式光強變化信號，調整提供給第一梳狀電極(17)和第二梳狀電極(18)的電流，使得第一運動光柵(2)和第一固定光柵(20)橫向相對位置保持在平緩光強變化曲線斜率最大的位置，該位置即為同時使得第二運動光柵(3)和第二固定光柵(21)產生脈衝式光強信號峰值的相對位置，利用脈衝的極窄線寬，鎖定此時給予梳狀電極的電流，記為橫向初始位置，即鎖定平緩光強變化曲線斜率最大的位置；當上層電容平板(11)和下層電容平板(12)再次發生橫向相對位移時，通過電流驅動模塊(14)驅動第一梳狀電極(17)和第二梳狀電極(18)，將運動光柵拉回到鎖定的橫向初始位置，計算輸出的電流，最終得到運動光柵的微小位移；若由於外界震動的原因造成上層電容平板(11)和下層電容平板(12)之間的間隔變化，使得脈衝信號消失，電流驅動模塊(14)再次調整輸出電流，直到重新出現脈衝式光強信號。
【文檔編號】G01B11/02GK104406524SQ201410636890
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】王晨, 白劍, 張賽, 汪凱巍 申請人:浙江大學