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微光机电加速度计关键技术研究

姚俊杰  
【摘要】:加速度计作为重要的惯性元件之一,广泛应用于工业生产、科学研究、现代军事、社会生活中。其中,微光机电加速度计作为微机械加速度计的下一代产品,符合高精度、小型化、芯片式的未来发展趋势,是国内外惯性传感器的研究热点。本文针对现有微光机电加速度计方案不能同时兼顾高精度、大动态范围、小型化的应用需求,结合微纳光子技术和微机械加工技术,开展微光机电加速度计关键技术研究,突破了现有加速度传感器在精度和体积尺寸上的技术限制,实现加速度传感器的高精度、小型化、芯片式,具有重要的科学意义和实际应用价值。本文的主要研究内容包括:(1)提出了基于迈克尔逊干涉仪结构的微光机电加速度计的总体方案,基于微光机电加速度计的基础理论,开展了加速度计传感链路的理论分析,建立了加速度计灵敏度、谐振频率的理论模型;从光的偏振和干涉原理出发,基于相干矩阵和琼斯矩阵,建立了宽谱光源条件下加速度计的偏振相关误差模型,验证了全偏振迈克尔逊干涉仪检测系统测量加速度的可行性。仿真分析表明,在加速度计敏感单元尺寸为7.5×3×0.42mm3,检测精度为10-7rad的条件下,该加速度计具有10-7g级的分辨率,量程范围大于±100g,动态范围大于93dB。该方案满足了加速度计高精度、大动态范围、小型化的应用需求。(2)开展了微光机电加速度计的工艺研究,提出了将硅衬底铌酸锂薄膜作为加速度计芯片材料的技术方案,结合硅和铌酸锂材料的各自优势,通过微纳光子技术和微机械加工技术,研制了加速度计芯片,实现了偏振控制器、相位调制器、迈克尔逊干涉仪传感光路、敏感单元微结构一体化单片集成,有效解决了传感光路的偏振控制问题,抑制了干涉系统的偏振相关误差。仿真分析表明,干涉仪光路的偏振消光比为80dB时,干涉系统的偏振相关误差为10-8 rad量级。(3)针对微光机电加速度计耦合封装小型化问题,基于耦合模理论,设计并制备了用于微光机电加速度计的紧凑型模斑转换器,有效降低了加速度计的耦合损耗,解决了加速度计耦合封装小型化的问题。(4)搭建了原理样机的信号调制解调和采集系统,完成了微光机电加速度计的性能测试工作,测试系统采用双闭环回路进行反馈控制和反馈回路增益误差的实时监控与补偿,降低微光机电加速度计因环境温度变化带来的漂移,实验制备得到加速度计原理样机的尺寸大小为20×4×0.42mm3,灵敏度为1.01rad/g,等效加速度噪声密度为10-6g.Hz-1/2量级,机械谐振频率约为400Hz。


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