● 摘要
微米光栅加速度计是一种新型的MOEMS（Micro-Optic-Electromechanical System，微光机电）加速度计，集成了MEMS和微光学技术的优点，具有小型化、低功耗、低成本和高分辨率的特点，在陆基核爆炸监测、重力梯度测量、地震监测和矿产勘探等领域具有重要应用价值。论文对微米光栅加速度计的制作与检测技术进行了深入地研究，对涉及的理论模型、制作工艺、信号检测技术等方面进行了详细阐述与讨论分析，并实现了该技术在微米光栅加速度计实验样机中的应用，在系统灵敏度提高和噪声抑制方面获得理想的实验验证效果。论文主要开展以下研究：
一、微米光栅加速度计的理论分析。利用标量衍射理论，分析了微米光栅加速度计敏感头传感原理，建立了加速度计敏感头的理论模型，仿真分析了中心质量块位移、光栅周期以及光栅占空比对敏感头传感光学特性的影响。使用经典力学方法对微米光栅加速度计敏感头建立了力学模型，分析了其力学系统特性。应用经典电磁学理论建立了敏感头静电控制模型，讨论了建立闭环控制的途径。为后续微米光栅加速度计敏感头的制作、信号检测技术的实现及其在微米光栅加速度计样机中的应用奠定了理论基础。
二、微米光栅加速度计敏感头制作技术研究。基于现有工艺基础以及高灵敏度、高分辨率的设计考虑，提出了基于金属支撑梁结构的微米光栅加速度计敏感头设计方案。根据敏感头力学模型，设计了敏感头支撑梁结构、压膜阻尼等参数，确定了敏感头整体结构样式，根据设计结果得到敏感头结构尺寸。基于现阶段工艺水平，根据敏感头制作工艺，设计了敏感头制作工艺流程，最终通过流片得到了敏感头芯片，制定了封装方案，完成了敏感头芯片的封装。
三、微米光栅加速度计差分检测技术研究。为了提高开环微米光栅加速度计系统的检测灵敏度，降低系统噪声，针对无驱动的微米光栅加速度计敏感头检测系统，论文进行了双级次衍射光信号差分检测技术的研究，研制了双级次差分检测电路；基于双级次差分原理，针对静电驱动的微米光栅加速度计敏感头检测系统，进行了三级次衍射光信号差分检测技术的分析与研究，设计了三级次衍射光差分检测模型，制作了检测电路。在此基础上，为进一步抑制激光器强度噪声，讨论了基于参考探测原理的衍射光信号差分检测技术的实现方法，分析了参考探测原理抑制低频噪声的机理。
四、微米光栅加速度计原理样机研制和相关实验验证。论文对微米光栅加速度计原理样机进行了光路分析。设计并搭建了微米光栅加速度计双级次差分检测样机，验证了双级次衍射光信号差分检测技术对灵敏度的提高，以及输出信号信噪比的改善。设计并制作了微米光栅加速度计参考探测差分检测样机，包括系统光路分析与构建，各主要部件的稳固机构设计等。对三级次差分检测结果进行了分析并同双级次差分检测样机所用方法进行了比较。同时利用参考探测差分检测原理样机进行了参考探测差分检测技术的验证。实现了参考探测差分检测电路，对其输出噪声进行了分析。