CN101608944A - 一种光纤振动传感头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤振动传感头，由振动敏感芯片、双光纤准直器和封装壳体构成，双光纤准直器下方的封装壳体内设置有空腔，振动敏感芯片设置在的空腔中，振动敏感芯片由微光反射镜、硅支撑框架和衬底玻璃片构成，硅支撑框架与衬底玻璃片键合，微光反射镜设置在硅支撑框架内，微光反射镜与衬底玻璃片之间设置有阻尼空气腔，微光反射镜的两边对称地设置有扭转轴，扭转轴的一端与硅支撑框架连接。利用MEMS工艺集成制作MEMS振动敏感芯片，MEMS振动敏感芯片基于非对称扭转微光反射镜结构，从而实现批量制作。利用扭转轴作为弹性元件，微光反射镜自身作为敏感质量块反映振动加速度。利用阻尼空气腔来控制扭转的阻尼特性。本发明具有可批量生产，成本低、一致性好的优点。

Description

一种光纤振动传感头及其制作方法

技术领域：

本发明涉及物理领域，尤其涉及光传导技术，特别是一种光纤振动传感头及其制作方法。

背景技术：

振动传感器所测量的振动信号可以通过振动加速度或振动幅度来表征，因此振动信号的检测有基于振动加速度的振动检测和基于振动幅度的振动检测的两种方案，基于振动加速度的振动检测是主要的检测方案。基于振动加速度的振动检测装置有电检测式振动传感器和光电检测式振动传感器。

电检测振动传感器利用振动敏感机构感知振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。电检测振动传感器主要包括电磁感应式、电容式和压电式三种结构方式。在振动加速度的作用下，敏感质量块感知振动加速度而产生运动或应力变化，带动与之相连的转换元件如电磁线圈、电容极板运动或产生压电晶片的应力变化，电磁线圈在永磁体的磁场中运动切割磁力线而产生感生电压、电容极板的位置变化改变电容值的大小、压电晶片的应力变化产生的压电信号，从而通过电信号的变化感知振动信号。电检测振动传感器的敏感器的电输出信号一般十分微弱，需要电信号检测单元中放大电路提供增益，因此电信号检测单元与振动敏感器通常必须封装在同一封装结构中构成振动传感器，也就是说电信号检测单元与振动敏感器两者是不能分离的。电检测振动传感器同时还必须自带电源或外部供电。电检测振动传感器的特点是易受到电磁干扰、信号传输距离近、需要电源供电，因此限制电检测振动传感器在一些场合如存在电磁干扰、现场供电困难、远距离传输的应用。

光电检测式振动传感器利用光信号检测物体的振动，包括非接触式和接触式两种主要形式。非接触式振动传感器主要是利用光信号直接检测物体某部位表面的振动幅度(即位移)来感知振动，属于绝对振动测量，有光纤位移检测、激光三角法、激光器外腔振荡法等方法。非接触式振动传感器还有一种方式是利用光信号检测物体某部位表面的振动速度导致的反射或散射光信号的多普勒频移来感知振动。接触式振动传感器与振动物体固定连接，利用振动敏感机构感知物体振动加速度，振动敏感机构主要由敏感质量块、弹性元件和转换元件构成。由于光纤传感器体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、适于易燃易爆环境，敏感质量块通常利用光纤来实现，称为光纤振动传感器或光纤加速度计。光纤振动传感器根据敏感原理可以分为相位调制型、波长调制型和光强调制型。

相位调制型光纤振动传感器将振动信号转化为光相位的变化，然后利用光纤干涉仪，如法布里-珀罗(F-P)干涉仪、迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪来检测相位的变化。这种光纤振动传感器具有灵敏度高的优点，但光纤干涉仪结构复杂、存在稳定性问题，实用化较为困难，成本也较高。

波长调制型光纤振动传感器基于光纤光栅(FBG)传感技术，通过敏感机构带动FBG应力变形，导致FBG反射波长的变化，利用波长解调得到振动信号，该方法具有良好的稳定性，但波长解调的困难导致成本很高、解调速度不够快。

光强调制型光纤振动传感器具有结构简单、成本低廉等优点，可以分为透射式、偏振式和反射式三种。透射式光纤振动传感器的发射光纤与敏感质量块相固连，而连接探测器的接收光纤与被测体相固接。在振动加速度的作用下，发射光纤与接收光纤产生相对位移，接收光纤的光信号强度受振动加速度调制。其接收光纤可以为单路，也可以为双路，采用双路接收光纤可以消除光源波动的影响。

偏振式光纤振动传感器利用双折射光纤在拉伸和压缩时产生的光信号偏振特性的变化，利用两质量块分别放置在弹性圆柱两端，在振动加速度的作用下，绕在弹性圆柱两端的双折射光纤一根被拉伸、另一根被压缩，即两根光纤的偏振产生相反的变化，利用偏振片检波后的光强可以检测振动加速度的大小。

反射式光纤振动传感器在结构上有发射光纤与接收光纤、光反射镜、敏感质量块、弹性元件。根据光纤的光轴是否垂直于反射面可以分为正镜式和斜镜式。正镜反射式光纤振动传感器的光反射镜安装在壳体上，光纤与敏感质量块相连，有单根光纤直接耦合方式和微透镜耦合方式两种。单根光纤直接耦合方式灵敏度不太高，而单根光纤的微透镜耦合方式其微透镜安装与弹性膜片上，其安装复杂、安装调节精度要求很高。斜镜反射式光纤振动传感器通常采用端部放置敏感质量块的单根悬臂梁，反射镜安装在悬臂梁的端部，有两种实现方案。一种是反射镜法线方向垂直于悬臂梁，光纤耦合采用两个单光纤准直器耦合，另一种是反射镜法线方向平行或接近平行于悬臂梁，两根接收光纤和一根发射光纤通过自聚焦透镜进行耦合。这些光纤振动传感器的通常采用机械加工、手工装配的方式，传感器制作成本高，装配复杂，不适合批量生产，另外敏感质量块与悬臂梁的运动阻尼特性难以控制，导致其频率响应范围较窄。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种光纤振动传感头，所述的这种光纤振动传感头要解决现有技术中电检测振动传感器易受电磁干扰、光检测振动传感器频率响应范围窄、波长解调困难、装配复杂的技术问题。

本发明的这种光纤振动传感头由一个振动敏感芯片和一个封装壳体构成，其中，所述的封装壳体的上部固定设置有一个双光纤准直器或者单光纤准直器或者三光纤准直器，所述的准直器上连接有光纤，在准直器下方的封装壳体内设置有空腔，所述的振动敏感芯片设置在所述的空腔中，振动敏感芯片由一个微光反射镜、一个硅支撑框架和一个衬底玻璃片构成，所述的硅支撑框架与衬底玻璃片键合，所述的微光反射镜设置在硅支撑框架内，微光反射镜与衬底玻璃片之间设置有阻尼空气腔，微光反射镜的两边对称地设置有扭转轴，所述的扭转轴的一端与硅支撑框架连接，微光反射镜由一个硅片构成，所述的硅片的上表面覆盖有一个反射镜面。

进一步的，所述的双光纤准直器上连接有一个输入光纤和一个输出光纤。所述的单光纤准直器上连接一根光纤，利用光纤的双向传输特性取代双光纤准直器中的一对输入、输出光纤。利用双光纤准直器或单光纤准直器进行光束扩束准直、光信号的耦合。

进一步的，所述的三光纤准直器上连接有一根输入光纤、两个输出光纤，利用三光纤准直器实现输出光信号的差分检测。

进一步的，所述的反射镜面由金属膜作为光反射膜。

进一步的，所述的振动敏感芯片固定在封装壳体的底面。

本发明还提供了一种制作上述光纤振动传感头的方法，所述的方法中包括一个制作振动敏感芯片的步骤和一个封装振动敏感芯片的步骤，其中，在所述的制作振动敏感芯片的步骤中，首先对硅片进行热氧化，在硅片上形成二氧化硅氧化层，其次对氧化后的硅片进行光刻、显影，将阻尼空气腔的图形转移到光刻胶上，腐蚀表面二氧化硅氧化层，去胶后将硅片在KOH溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀深度为设计的阻尼空气腔的气隙高度，并除去二氧化硅氧化层，然后在玻璃片上溅射铝，并光刻出电极，然后将腐蚀后的硅片与玻璃片在键合机上进行硅-玻璃键合，形成内有空腔的硅玻璃键合片，然后将内有空腔的硅玻璃键合片利用硅湿法腐蚀工艺进行整体减薄，达到设计的镜面厚度，之后在减薄后的硅玻璃键合片中的硅片表面溅射金薄膜，并光刻金反射镜面，接着对硅片进行光刻，并利用DRIE深刻蚀工艺将多余的硅薄膜部分除去，将非对称的扭转微反射镜的微结构进行释放，最后经过划片加工后获得振动敏感芯片，在所述的封装振动敏感芯片的步骤中，首先将振动敏感芯片用胶固定在封装壳体上，利用带尾纤的光源发出光信号经输入光纤入射到双光纤准直器，经微透镜扩束准直后入射到振动敏感芯片的微光反射镜上，反射光信号耦合入双光纤准直器的输出光纤，将输出光纤与一个光功率计连接，根据光功率计的读数调节光学微调架以改变微光反射镜的法线与双光纤准直器的光轴的相对角度。

进一步的，在所述的封装振动敏感芯片的步骤中，首先将双光纤准直器的耦合效率调节到最大，然后采用环氧树脂胶对双光纤准直器和封装壳体进行固化或进行激光焊接。在调节过程中，设振动传感器的加速度最大量程为a₀(单位为重力加速度g)，调节其相对角度，将耦合效率大小调节到a₀-1处对应的耦合效率，由于大小为1g的重力加速度的影响，安装好后，工作点正好满足a₀。

本发明的工作原理是：采用MEMS工艺集成制作MEMS振动敏感芯片，MEMS振动敏感芯片基于非对称扭转微光反射镜结构。从而实现光纤振动敏感芯片的批量制作。在MEMS振动敏感芯片中，利用扭转微光反射镜的扭转轴作为弹性元件，微光反射镜自身作为敏感质量块反映振动加速度，反射镜面通过在硅薄膜上制作增强光反射率的金薄膜实现。在微光反射镜的下方制作微小气隙的空气腔来控制扭转的阻尼特性，通过参数设计可将阻尼系数控制在临界阻尼或过阻尼状态，从而扩大振动传感器的工作频率范围。将振动敏感芯片与双光纤准直器耦合，可以构成光纤振动传感头。

本发明和已有技术相对比，其效果是积极和明显的。本发明利用MEMS工艺集成制作MEMS振动敏感芯片，MEMS振动敏感芯片基于非对称扭转微光反射镜结构，从而实现了光纤振动敏感芯片的批量制作。在MEMS振动敏感芯片中，利用扭转微光反射镜的扭转轴作为弹性元件，微光反射镜自身作为敏感质量块反映振动加速度。在微光反射镜的下方制作微小气隙的空气腔来控制扭转的阻尼特性，通过参数设计可将阻尼系数控制在临界阻尼或过阻尼状态，从而扩大振动传感器的工作频率范围。本发明具有可批量生产，成本低、一致性好的优点。

附图说明：

图1是本发明的光纤振动传感头的结构示意图。

图2是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的振动敏感非对称微结构示意图。

图3是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的示意图。

图4是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图5是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图6是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图7是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图8是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图9是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

图10是本发明的光纤振动传感头中的振动敏感芯片的加工工艺流程图。

具体实施方式：

如图1、图2和图3所示，本发明的光纤振动传感头由一个振动敏感芯片4、一个双光纤准直器3和一个封装壳体5构成，所述的双光纤准直器3中设置有一个输入光纤1和一个输出光纤2，其中，所述的双光纤准直器3固定设置在封装壳体5的上部，双光纤准直器3下方的封装壳体5内设置有空腔，所述的振动敏感芯片4设置在所述的空腔中，振动敏感芯片4由一个微光反射镜6、一个硅支撑框架10和一个衬底玻璃片12构成，所述的硅支撑框架10与衬底玻璃片12键合，所述的微光反射镜6设置在硅支撑框架10内，微光反射镜6与衬底玻璃片12之间设置有阻尼空气腔，微光反射镜6的两边对称地设置有扭转轴7，所述的扭转轴7的一端通过锚点8与硅支撑框架10连接，微光反射镜6由一个硅片构成，所述的硅片的上表面覆盖有一个反射镜面9。

进一步的，所述的反射镜面9由金膜构成。

进一步的，所述的衬底玻璃片12的上表面设置有金属电极11。

进一步的，所述的振动敏感芯片4通过连接杆件与封装壳体5的底面连接。

如图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本发明还提供了一种制作上述光纤振动传感头的方法，所述的方法中包括一个制作振动敏感芯片4的步骤和一个封装振动敏感芯片4的步骤，其中，在所述的制作振动敏感芯片4的步骤中，首先对硅片进行热氧化，在硅片上形成二氧化硅氧化层，其次对氧化后的硅片进行光刻、显影，将阻尼空气腔的图形转移到光刻胶上，腐蚀表面二氧化硅氧化层，去胶后将硅片在KOH溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀深度为设计的阻尼空气腔的气隙高度，并除去二氧化硅氧化层，然后在玻璃片上溅射铝，并光刻出电极，然后将腐蚀后的硅片与玻璃片在键合机上进行硅-玻璃键合，形成内有空腔的硅玻璃键合片，然后将内有空腔的硅玻璃键合片利用硅湿法腐蚀工艺进行整体减薄，达到设计的镜面厚度，之后在减薄后的硅玻璃键合片中的硅片表面溅射金薄膜，并光刻金反射镜面，接着对硅片进行光刻，并利用DRIE深刻蚀工艺将多余的硅薄膜部分除去，将非对称的扭转微反射镜的微结构进行释放，最后经过划片加工后获得振动敏感芯片4，在所述的封装振动敏感芯片4的步骤中，首先将振动敏感芯片4用胶固定在封装壳体上，利用带尾纤的光源发出光信号经输入光纤入射到双光纤准直器，经微透镜扩束准直后入射到振动敏感芯片4的微光反射镜上，反射光信号耦合入双光纤准直器的输出光纤，将输出光纤与一个光功率计连接，根据光功率计的读数调节光学微调架以改变微光反射镜的法线与双光纤准直器的光轴的相对角度。

进一步的，在所述的封装振动敏感芯片4的步骤中，首先将双光纤准直器的耦合效率调节到最大，然后采用环氧树脂胶对双光纤准直器和封装壳体进行固化或进行激光焊接。在调节过程中，设振动传感器的加速度最大量程为a0(单位为重力加速度g)，调节其相对角度，将耦合效率大小调节到a0-1处对应的耦合效率，由于大小为1g的重力加速度的影响，安装好后，工作点正好满足a0。

在本发明的一个优选实施例中，光纤振动传感头的最大量程为5g。首先制作MEMS振动敏感芯片。

MEMS振动敏感芯片的制作共需要四块掩模版，用L-edit软件绘制版图并制版后得到所需要的掩模版。按照发明内容中的实施步骤，具体实施为：

第一步：如图4，选用4英寸N型晶面100的低阻双抛硅片，硅片厚度为250-300μm，首先硅片将进行热氧化在硅片表面形成二氧化硅氧化层，作为下步腐蚀硅工艺的掩模层。选择低阻硅有利于制作电极。

第二步：如图5，采用第一块光刻版mask_1，对硅片进行光刻、显影、腐蚀表面二氧化硅，然后在KOH溶液中腐蚀出20μm的凹槽，作为微光反射镜面与衬底之间的空气腔的气隙厚度。

第三步：如图6，取Pyrex7740玻璃片，洗净后溅射金属铝作为衬底电极，此时，用第二块光刻版mask_2进行光刻，刻蚀出衬底电极图形及PAD。

第四步：如图7，腐蚀好的硅片和玻璃片在静电键合机根据标准的程序进行键合。

第五步：如图8，对硅玻璃键合片进行整体减薄，微光学反射镜的厚度为35μm，需要减薄的厚度为200μm左右。减薄采用硅的湿法腐蚀工艺，通过控制减薄的湿法腐蚀速度来保证整体减薄后的硅片表明非常光滑。

第六步：如图9，在键合片的硅片表面溅射金薄膜作为反射薄膜，然后用第三块掩模版mask_3进行光刻，刻蚀出反射镜面。

第七步：如图10，用第四块掩模版mask_4进行光刻，并采用深反应离子刻蚀DRIE(Deep Reactive Ion Etching)将不需要的硅薄膜部分除去，将非对称的扭转微反射镜的微结构进行释放，微反射镜面的尺寸为800μm×900μm。

最后，将圆片进行划片得到MEMS振动敏感芯片。

之后，进行MEMS振动传感头的封装。具体实施过程是：

利用带尾纤的LD光源发出的1.55μm波长光信号经输入光纤1入射到双光纤准直器3，双光纤准直器3的光斑直径为500μm，经微透镜扩束准直后入射到MEMS振动敏感芯片4的尺寸为800μm×900μm微光反射镜6上，反射光信号耦合入双光纤准直器的输出光纤2，该输出光纤与光功率计相连，根据光功率计的读数调节光学微调架改变MEMS振动敏感芯片的微光反射镜与双光纤准直器的相对角度。首先使双光纤准直器的耦合效率达到最大，即耦合损耗最小。设振动传感器的加速度最大量程为5g，调节其相对角度，将耦合效率大小调节到4g处对应的耦合效率，安装好后，工作点正好满足5g，最后采用环氧树脂胶进行固化，得到完整的MEMS振动传感头。

Claims (6)

1.一种光纤振动传感头，由一个振动敏感芯片和一个封装壳体构成，其特征在于：所述的封装壳体的上部固定设置有一个双光纤准直器或者单光纤准直器或者三光纤准直器，所述的准直器上连接有光纤，在准直器下方的封装壳体内设置有空腔，所述的振动敏感芯片设置在所述的空腔中，振动敏感芯片由一个微光反射镜、一个硅支撑框架和一个衬底玻璃片构成，所述的硅支撑框架与衬底玻璃片键合，所述的微光反射镜设置在硅支撑框架内，微光反射镜与衬底玻璃片之间设置有阻尼空气腔，微光反射镜的两边对称地设置有扭转轴，所述的扭转轴的一端与硅支撑框架连接，微光反射镜由一个硅片构成，所述的硅片的上表面覆盖有一个反射镜面。

2.如权利要求1所述的光纤振动传感头，其特征在于：所述的双光纤准直器上连接有一根输入光纤和一根输出光纤，所述的单光纤准直器连接有一根兼作输入和输出的光纤，所述的三光纤准直器上连接有一根输入光纤和两根输出光纤。

3.如权利要求1所述的光纤振动传感头，其特征在于：所述的反射镜面由金属膜作为光反射膜。

4.如权利要求1所述的光纤振动传感头，其特征在于：所述的振动敏感芯片固定在封装壳体的底面。

5.一种制作如权利要求1所述的光纤振动传感头的方法，包括一个制作振动敏感芯片的步骤和一个封装振动敏感芯片的步骤，其特征在于：在所述的制作振动敏感芯片的步骤中，首先对硅片进行热氧化，在硅片上形成二氧化硅氧化层，其次对氧化后的硅片进行光刻、显影，将阻尼空气腔的图形转移到光刻胶上，腐蚀表面二氧化硅氧化层，去胶后将硅片在KOH溶液中进行湿法腐蚀，腐蚀深度为设计的阻尼空气腔的气隙高度，并除去二氧化硅氧化层，然后在玻璃片上溅射铝，并光刻出电极，然后将腐蚀后的硅片与玻璃片在键合机上进行硅-玻璃键合，形成内有空腔的硅玻璃键合片，然后将内有空腔的硅玻璃键合片利用硅湿法腐蚀工艺进行整体减薄，达到设计的镜面厚度，之后在减薄后的硅玻璃键合片中的硅片表面溅射金薄膜，并光刻金反射镜面，接着对硅片进行光刻，并利用DRIE深刻蚀工艺将多余的硅薄膜部分除去，将非对称的扭转微反射镜的微结构进行释放，最后经过划片加工后获得振动敏感芯片，在所述的封装振动敏感芯片的步骤中，首先将振动敏感芯片用胶固定在封装壳体上，利用带尾纤的光源发出光信号经输入光纤入射到双光纤准直器，经微透镜扩束准直后入射到振动敏感芯片的微光反射镜上，反射光信号耦合入双光纤准直器的输出光纤，将输出光纤与一个光功率计连接，根据光功率计的读数调节光学微调架以改变微光反射镜的法线与双光纤准直器的光轴的相对角度。

6.如权利要求5所述的制作光纤振动传感头的方法，其特征在于：在所述的封装振动敏感芯片的步骤中，首先将双光纤准直器的耦合效率调节到最大，然后采用环氧树脂胶对双光纤准直器和封装壳体进行固化或进行激光焊接。

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