MEMS新型光纤加速度传感器设计

第 10 卷第 17期 2010 年 6 月 167121815(2010 1724293203 科学技术与工程 Science Technol ogy and Engineering Vol 110 No 117 June 2010 2010 Sci 1Tech 1Engng 1 M E M S 新型光纤加速度传感器设计 张伟亮房晓勇崔晓光杨震 (燕山大学理学院 , 秦皇岛 066004 摘要由于微机械系统的广泛应用 , 感器 , , , 影响 。 关键词 ME中图法分类号文献标志码 A 2010 年 3月 15 日收到 第一作者简介 :张伟亮 (1983— , 男 , 硕士研究生 , 河北廊坊市人 , 研究方向 :微 加速度传感器。 E 2mail:waiting1005@s ohu . com 。 微电子机械系统 (ME MS 是在微电子技术基础 上发展起来的多学科交叉 的新兴学科 , 它以微电子 及机械加工技术为依托 , 范围涉及微电子学 、 机械 学 、 力学 、 自动控制学 、 材料科学等多种工程技术和 学科 , 是一个新兴的 、 多学科 交叉 、 多技术融合的高 科技领域 。 作为微传感器的重要分支之一的微加速度传 感器一直是热门的研究课题 。尽 管各类加速度传 感器的物理效应有所差别 , 结构形式也各有不同 , 但都基于牛顿惯 性定律和达朗贝尔原理 ; 有着相似 的工作原理 , 即传感器中可动质量块感应加速度 而 产生一定的相对位移 , 通过检测由这些位移所引起 的电阻或电容等物理量的变 化 , 并转化为信号的输 出 , 就可以度量出输入的加速度 [1] 。 基于对微加速度传感器国内外研究状况 , 设计 了一种新型微加速度传感器 。 该传感器采用光纤 光强调制机理获得加速度 。 1 I 型微传感器机构 传感器结构如图 1, 称之为 I 型微传感器 。 在硅 基上 , 采用双面刻蚀获得图 1 所示机构 , 包括中心质 量块 , 及两空气腔 A , B 。其工作机理为 :在中心质 量块的两个平面 S 1 和 S 2 都是镀铝反射膜 , 光纤分 别固定于空气腔壁中心位置 , 如图 1 所示 , 光纤 1距 离反 射膜 S 1 为 L 1, 光纤 2 距离反射膜 S 2 为 L 2, 无加 速度时 L 1=L 2=L 。当中心质量 块在加速度 a 的影 响下 , 发生位移 , 光 I 1从腔 A 穿过 , 到达反射面 , 再 由反射面 回到光纤 , 同时光 I 2从腔 B 中穿过 , 到达 反射面 , 再由反射面回到光纤 , 此时 L 1 与 L 2同时改 变 , 也就是说 , 两光线在产生加速度的同时产生光 程差 , 通过测量通 过光纤的光强变化而得到加速度 的大小 。 图 1 I 型加速度传感器结构 传感 结 构 中 质 量 块 的 长 宽 高 尺 寸 分 别 为 : 2. 0mm ×2. 0mm ×1. 0mm , 支 撑 梁 的 尺 寸 为 1. 8mm ×0. 6mm ×0. 3mm , 根据 这种结构 , 对该传 感系统的力学静动态特性进行了理论推导 。选定 制作材料为单晶硅 , 其材料 参数为密度 :ρ=2. 33×103 kg /m3 , 杨氏弹性模量 :E =1. 9×109 N /m2 , 泊松 比 :σ=0. 25。 2测量原理 图 2 迈克尔逊全光纤干涉仪的结构 [2] 。 图 2全光纤迈克尔逊干涉仪原理图 图中以一个 3dB 耦合器取代了分束器 , 用光 纤光程取代了空气光程 , 而且以敏 感光纤作为相 位调制元件 。这种全光纤结构不仅避免了非待测 场的干扰影响 , 并 且免除了每次测量要调光路准 直等繁琐的工作 , 使其更适于现场测量 , 也更接近 实 用化 。 激光器发出的光进入单模光纤被光纤耦合器 分成两束相等强度的光 , 分别进入 反射光纤端面 , 当光程差小于相干长度时 , 反射光通过光纤耦合器 的另一输出端将 发生干涉 。光电探测器 D 接收到 输出的干涉信号 。由此光电探测器 D 就给出了 干 涉强度和两束光光程差之间的函数关系 。 图 3为光 纤迈克尔逊干涉相位差与光 强的关系图 [3] 。 图 3干涉条纹对比度 图 2 中所示的 4束反射光 I l 、 I 2、 I 1r 、 I 2r 到达光探 测器产生干涉 , 其输 出光强 I out , 可表示为 I out =(I 1+I 2+I 1r +I 2r + (I 12+I 11r +I 12r +I 21r +I 22r +I 1r2r (1 式 (1 中 , I l 、 I 2表示为光纤出射端面反射的光 强 ; I 1r 、 I 2r 表示为测量端 面反射进入光纤的光强 ; I 12、 I 11r 、 I 12r 、 I 21r 、 I 22r 、 I 1r2r 表示为两束入射光和两束反射 光干涉的光强 。 在式 (1 中 , 2 1I 2i -, i ≠ j (2 (, I 1I 2, 是与光纤耦合器的耦合 系数和注入到光电检测器的光功率相关的常量 。 理想情况下耦合器完全对称且无损时 , 则可认 为 I 1=I 2, 调节光纤耦合器两臂 的长度 , 使两臂的 位相差 φ1-φ2=π, 得到 I 12=2I 1cos π=2I 1。 所 以当 φ1-φ2=π 时 , 可以证明 I 1r =-I 21r , I 12r = -I 22r , 于是经过探测器 D 得到的探测光强可写为 : I out =(I 1r +I 2r +2 I 1I 2cos (φ1r -φ2r (3 Δφ=φ1r -φ2r =2k 0n l r (4 式 (4 中 , Δφ 表示相位差 ; φ1r 、 φ2r 表示测量件反射 膜反射并进入光纤中的 光 I 1r 和 I 2r 到达探测器的位 相 , 是与光纤耦合器的耦合系数和注入到光电检测 器的光功率相关的常量 ; l s 表示信号臂光纤的长度 ; l r 表示参考臂光纤的长度 ; n 表示折射率 。 对于干涉检测 , 需要检测的是 I 1r2r , 即关心的交 流项 。 把信号臂的反射端面贴在待测量对象 (及传感 器 上 , 测定信号臂光纤端面与反 射端面距离 , 当反 射端面随着待测物体发生微位移时 , 干涉光的光强 随之变化 , 以 此来达到测量微位移的目的 [4] 。图 1 所示设计结构位移变化是双向改变 , 得到 : ΔL =2Δl (5 为了精确描述质量块速度的变化情况 , 在微系 统下将质量块看做质点来进行处 理 , 并且将时间 Δt 无限减小 , 并使之趋近于零 , 即 Δt → 0, 这样 , 质点 的平均速度就会趋向于一个确定的极限矢量 , 这个 极限矢量称为 t 时刻的瞬时 加速度 a , 即 a =d t =2 d t 2 (6 即加速度等于速度对时间的一阶导数 , 或位矢的二 4924 科学技术与工程 10卷 阶导数 , 由上求得的位移 , 我们可求得加速度大小。 3实验 针对麦克尔逊干涉原理 , 光信号通过光电探测 器 D, 进入输入和信号处理电路 , 如图 4 . 图 4光信号的输入与处理电路 利用公式 (1 — 式 (4 ,