MEMS新型光纖加速度傳感器設(shè)計(jì)

1、第 10卷 第 17期 2010年 6月 167121815(2010 1724293203科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程Science Technol ogy and Engineering Vol 110 No 117 June2010 2010 Sci 1Tech 1Engng 1 M E M S 新型光纖加速度傳感器設(shè)計(jì)張偉亮 房曉勇 崔曉光 楊 震(燕山大學(xué)理學(xué)院 , 秦皇島 066004摘 要 由于微機(jī)械系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 , 感器 , , , 影響 。關(guān)鍵詞 ME 中圖法分類號 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 2010年 3月 15日收到 第一作者簡介 :張偉亮 (1983 , 男 , 碩士研究生 ,

2、河北廊坊市人 , 研究方向 :微加速度傳感器。 E 2mail:waiting1005s ohu . com 。 微電子機(jī)械系統(tǒng) (ME MS 是在微電子技術(shù)基礎(chǔ) 上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科 , 它以微電子 及機(jī)械加工技術(shù)為依托 , 范圍涉及微電子學(xué) 、 機(jī)械 學(xué) 、 力學(xué) 、 自動(dòng)控制學(xué) 、 材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和 學(xué)科 , 是一個(gè)新興的 、 多學(xué)科交叉 、 多技術(shù)融合的高 科技領(lǐng)域 。作為微傳感器的重要分支之一的微加速度傳 感器一直是熱門的研究課題 。盡管各類加速度傳 感器的物理效應(yīng)有所差別 , 結(jié)構(gòu)形式也各有不同 , 但都基于牛頓慣性定律和達(dá)朗貝爾原理 ; 有著相似 的工作原理

3、, 即傳感器中可動(dòng)質(zhì)量塊感應(yīng)加速度而 產(chǎn)生一定的相對位移 , 通過檢測由這些位移所引起 的電阻或電容等物理量的變化 , 并轉(zhuǎn)化為信號的輸 出 , 就可以度量出輸入的加速度1?；趯ξ⒓铀俣葌鞲衅鲊鴥?nèi)外研究狀況 , 設(shè)計(jì) 了一種新型微加速度傳感器 。該傳感器采用光纖 光強(qiáng)調(diào)制機(jī)理獲得加速度 。1 I 型微傳感器機(jī)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)如圖 1, 稱之為 I 型微傳感器 。 在硅 基上 , 采用雙面刻蝕獲得圖 1所示機(jī)構(gòu) , 包括中心質(zhì)量塊 , 及兩空氣腔 A , B 。其工作機(jī)理為 :在中心質(zhì) 量塊的兩個(gè)平面 S 1和 S 2都是鍍鋁反射膜 , 光纖分 別固定于空氣腔壁中心位置 , 如圖 1所示 , 光纖

4、 1距 離反射膜 S 1為 L 1, 光纖 2距離反射膜 S 2為 L 2, 無加 速度時(shí) L 1=L 2=L 。當(dāng)中心質(zhì)量塊在加速度 a 的影 響下 , 發(fā)生位移 , 光 I 1從腔 A 穿過 , 到達(dá)反射面 , 再 由反射面回到光纖 , 同時(shí)光 I 2從腔 B 中穿過 , 到達(dá) 反射面 , 再由反射面回到光纖 , 此時(shí) L 1與 L 2同時(shí)改 變 , 也就是說 , 兩光線在產(chǎn)生加速度的同時(shí)產(chǎn)生光 程差 , 通過測量通過光纖的光強(qiáng)變化而得到加速度 的大小。圖 1 I 型加速度傳感器結(jié)構(gòu)傳感 結(jié) 構(gòu) 中 質(zhì) 量 塊 的 長 寬 高 尺 寸 分 別 為 :2. 0mm ×2. 0mm

5、×1. 0mm , 支 撐 梁 的 尺 寸 為 1. 8mm ×0. 6mm ×0. 3mm , 根據(jù)這種結(jié)構(gòu) , 對該傳 感系統(tǒng)的力學(xué)靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論推導(dǎo) 。選定 制作材料為單晶硅 , 其材料參數(shù)為密度 :=2. 33×103kg /m3, 楊氏彈性模量 :E =1. 9×109N /m2, 泊松比 :=0. 25。2 測量原理圖 2邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)2 。圖 2 全光纖邁克爾遜干涉儀原理圖圖中以一個(gè) 3dB 耦合器取代了分束器 , 用光 纖光程取代了空氣光程 , 而且以敏感光纖作為相 位調(diào)制元件 。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測

6、 場的干擾影響 , 并且免除了每次測量要調(diào)光路準(zhǔn) 直等繁瑣的工作 , 使其更適于現(xiàn)場測量 , 也更接近 實(shí)用化 。激光器發(fā)出的光進(jìn)入單模光纖被光纖耦合器 分成兩束相等強(qiáng)度的光 , 分別進(jìn)入反射光纖端面 , 當(dāng)光程差小于相干長度時(shí) , 反射光通過光纖耦合器 的另一輸出端將發(fā)生干涉 。光電探測器 D 接收到 輸出的干涉信號 。由此光電探測器 D 就給出了干 涉強(qiáng)度和兩束光光程差之間的函數(shù)關(guān)系 。 圖 3為光 纖邁克爾遜干涉相位差與光強(qiáng)的關(guān)系圖3 。圖 3 干涉條紋對比度圖 2中所示的 4束反射光 I l 、 I 2、 I 1r 、 I 2r 到達(dá)光探 測器產(chǎn)生干涉 , 其輸出光強(qiáng) I out ,

7、可表示為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表示為光纖出射端面反射的光 強(qiáng) ; I 1r 、 I 2r 表示為測量端面反射進(jìn)入光纖的光強(qiáng) ; I 12、I 11r 、 I 12r 、 I 21r 、 I 22r 、 I 1r2r 表示為兩束入射光和兩束反射光干涉的光強(qiáng) 。在式 (1 中 , 21I 2i -, i j(2(, I 1I 2, 是與光纖耦合器的耦合系數(shù)和注入到光電檢測器的光功率相關(guān)的常量 。理想情況下耦合器完全對稱且無損時(shí) , 則可認(rèn) 為

8、I 1=I 2, 調(diào)節(jié)光纖耦合器兩臂的長度 , 使兩臂的 位相差 1-2=, 得到 I 12=2I 1cos=2I 1。 所 以當(dāng) 1-2=時(shí) , 可以證明 I 1r =-I 21r , I 12r =-I 22r , 于是經(jīng)過探測器 D 得到的探測光強(qiáng)可寫為 :I out =(I 1r +I 2r +2I 1I 2cos (1r -2r (3 =1r -2r =2k 0n l r(4式 (4 中 , 表示相位差 ; 1r 、 2r 表示測量件反射 膜反射并進(jìn)入光纖中的光 I 1r 和 I 2r 到達(dá)探測器的位 相 , 是與光纖耦合器的耦合系數(shù)和注入到光電檢測 器的光功率相關(guān)的常量 ; l s

9、 表示信號臂光纖的長度 ;l r 表示參考臂光纖的長度 ; n 表示折射率 。對于干涉檢測 , 需要檢測的是 I 1r2r , 即關(guān)心的交 流項(xiàng) 。把信號臂的反射端面貼在待測量對象 (及傳感 器 上 , 測定信號臂光纖端面與反射端面距離 , 當(dāng)反 射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時(shí) , 干涉光的光強(qiáng) 隨之變化 , 以此來達(dá)到測量微位移的目的 4。圖 1所示設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)位移變化是雙向改變 , 得到 :L =2l(5為了精確描述質(zhì)量塊速度的變化情況 , 在微系 統(tǒng)下將質(zhì)量塊看做質(zhì)點(diǎn)來進(jìn)行處理 , 并且將時(shí)間 t 無限減小 , 并使之趨近于零 , 即 t 0, 這樣 , 質(zhì)點(diǎn)的平均速度就會(huì)趨向于一個(gè)確定的極

10、限矢量 , 這個(gè) 極限矢量稱為 t 時(shí)刻的瞬時(shí)加速度 a , 即a =d t =2d t2(6即加速度等于速度對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù) , 或位矢的二4924科 學(xué) 技 術(shù) 與 工 程 10卷 階導(dǎo)數(shù) , 由上求得的位移 , 我們可求得加速度大小。3 實(shí)驗(yàn)針對麥克爾遜干涉原理 , 光信號通過光電探測 器 D, 進(jìn)入輸入和信號處理電路 , 如圖 4 .圖 4 光信號的輸入與處理電路利用公式 (1 式 (4 , 通過測量位移與輸出光 強(qiáng)的關(guān)系得到圖 5 。圖 5 輸出光強(qiáng)與位移關(guān)系利用式 (5 和式 (6 , 求得加速度變化 5。4 結(jié)論根據(jù)邁克爾遜全光纖干涉原理 , 并結(jié)合微機(jī)械圖 6 光強(qiáng)與加速度關(guān)系

11、原理 , 設(shè)計(jì)了一種新型的加速度傳感器 , 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 為雙面刻蝕 , 依據(jù)結(jié)構(gòu)形狀 , 稱為 I 型傳感器 。相較于其他光纖傳感器 , 本文提出的 I 型傳感器 , 機(jī)構(gòu)簡 單 , 光纖只用于傳輸 , 避免了普通傳感器因光纖形 變產(chǎn)生的影響 , 且體型較小 , 適用振動(dòng)檢測 、 車輛導(dǎo) 航 、 慣性制導(dǎo)等領(lǐng)域 , 發(fā)展前景廣闊6。參 考 文 獻(xiàn)1 劉 妤 , 溫志渝 , 張流強(qiáng) , 等 . 微加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 光學(xué)精密工程 , 2004; 9(3 :81 852 楊 震 , 房驍勇 , 張偉亮 , 等 . 激光三維加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 科學(xué)技術(shù)與工程 , 2009;

12、9(12 :3199 32023 劉均琦 , 張 楊 , 張 騰 , 等 . 基于麥克爾遜干涉原理的光纖傳感器簡述 . 傳感器世界 , 2009; 6:10 134 丁鎮(zhèn)生 . 光纖傳感器微位移測試的研究 . 大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào) ,1998; 19(1 :48 505 Yang J ia, J ia Shuhai, Du Yanfen . Novel op tical acceler ometer basedon Fresnel diffractive m icr o lens . Sens ors and Actuat ors A:Physical,2009; 151:133 1406 石云波

13、 , 祁曉瑾 , 劉 俊 , 等 . ME MS 高 G 值加速度傳感器設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào) , 2008; 20(16 :4306 4309D esi gn of a New O pti ca l F i ber M E M S Accelero m eterZHANG W ei 2liang, F ANG Xiao 2yong, CU I Xiao 2guang, Y ANG Zhen(College of Science, Yanshan University, Q inhuangdao 066004, P . R. China Abstract Due t o the extensi

14、ve app licati on of m icr o 2mechanical syste m s, the design of m icr o 2acceler ometer is an increasingly diversified, a fiber 2op tic acceler ometer based on M ichels on intensity modulati on is p resented and the structure design and operati onal p rinci p le of the fiber 2op tic acceler ometer are expati