CN102060259A - 基于硅mems敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器及其应用方法，属于传感器领域，本发明为解决目前的普通微机电传感器检测精度低、灵敏度低的问题。本发明的硅基MEMS敏感结构包括硅微芯片和基座，硅微敏感芯片倒置固定在基座的上面，硅微敏感芯片的敏感区域与基座的凹槽的镂空位置对应，硅基MEMS敏感结构的敏感区域设置有光学金属反射镜，基座与光纤固定座连接，光纤固定座设置两个光纤槽并分别固定入、反射光纤，两束光交于光学金属反射镜的反射面上，信号处理电路发出的光信号通过入射光纤发射至光学金属反射镜的反射面，反射光纤接收该光学金属反射镜反射的光信号并输入给信号处理电路。

Description

基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器及其应用方法

技术领域

本发明涉及基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器及其应用方法，属于传感器领域。

背景技术

传统的传感器技术也称为感知技术，是获取目标与环境有关信息的技术，是一种通过对自然信号的感受、识别，进而实现信号传输、控制的技术，例如传统的分离式传感器。微感知技术是传感器技术的微型化技术，包括微传感技术、微信号处理技术。微感知技术不是简单的结构微型化，而是在微小尺度范围内实现敏感检测的技术，例如MEMS微感知技术。MEMS(微机电)微感知技术实现了在微小尺度范围内对压力、温度、湿度等环境信息，声、磁、震动、气体等目标信息的拾取、了解和掌握。

由于微感知技术具有微型性、集成性和智能性等特点，因此在国防军工、生物医疗、精密仪器、微型机器人、通信、汽车工业、以及环境检测等领域具有广泛的应用前景，越来越得到科学技术界的高度重视。微系统技术对国防技术的进步、国民工业经济的发展起着巨大的推动作用，其发展水平、速度和规模将成为衡量一个国家军事技术进步、国民经济水平提升的重要标志。微感知技术是微系统的关键技术，MOEMS(微光机电系统)则是未来微感知技术发展的核心关键技术之一。考虑到基于MOEMS的微感知技术的先进性和该技术的巨大应用需求空间，发展此项技术，符合未来微系统技术的发展趋势。

MOEMS技术将微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成，能够充分发挥三者的综合性能。基于硅基MEMS敏感结构与光学检测技术结合(MOEMS，微光机电系统)的微感知技术是微感知技术中的关键技术之一，是技术指标进一步提升的核心技术。该类传感器的优势在于采用光学检测手段相对于其它检测技术手段更具有精准性特点；以硅为主要敏感材料，根据材料特点，制作的结构或器件的光学、机械、电气性能优良；工艺与微电子技术兼容，可采用模块化设计，更加方便扩展应用；并且抗射频、抗辐照、抗电磁干扰，可适用于各种特殊环境，但是，目前的基于MOEMS技术的传感器的检测精度低、灵敏度低、频响范围窄，且只能检测单一种类的敏感信号。

发明内容

本发明目的是为解决目前的普通微机电传感器检测精度低、灵敏度低的问题，提供了基于硅基MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器及其应用方法。

本发明基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器装置，它包括硅基MEMS敏感结构、光纤固定座、入射光纤、反射光纤和信号处理电路，所述硅基MEMS敏感结构包括硅微敏感芯片、基座和光学金属反射镜，硅微敏感芯片倒置固定在基座的上面，硅微敏感芯片的敏感区域与基座的凹槽的镂空位置上下对应，所述硅微敏感芯片设置有光学金属反射镜，基座与光纤固定座固定连接，光纤固定座设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤和反射光纤，所述入射光纤的光信号入射光轴和反射光纤的光信号反射光轴相交硅微敏感芯片的光学金属反射镜上，信号处理电路发出的光信号通过入射光纤发射至光学金属反射镜，反射光纤接收该光学金属反射镜反射的光信号并输入给信号处理电路。

本发明的优点：它是在传统MEMS微传感器技术基础上，突破原有敏感技术检测方法，利用传统传感器设计理论，采用MEMS设计制造技术设计并制作各种包含光学结构的硅基MEMS敏感结构，将微光路设计与MEMS结构设计融合共同构成微光路系统，利用光学检测技术将被检测信号检测出来。该技术具有微传感器技术特点，具有灵敏度高、频响范围宽等技术优势，并且具有很好的抗电磁类干扰的特征。此类敏感检测技术将对声、震动、位移等物理量的检测能力和适用范围起到很好的提升作用和拓展作用，对传感器技术的发展起到促进作用。

附图说明

图1是平膜式硅微敏感芯片的封装成的MEMS敏感结构的示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是波纹式硅微敏感芯片的封装成的MEMS敏感结构的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是质量块悬臂梁式硅微敏感芯片的封装成的MEMS敏感结构的示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明传感器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器装置，它包括硅基MEMS敏感结构、光纤固定座4、入射光纤5、反射光纤6和信号处理电路7，所述硅基MEMS敏感结构包括硅微敏感芯片1、基座2和光学金属反射镜3，硅微敏感芯片1倒置固定在基座2的上面，硅微敏感芯片1的敏感区域与基座2的凹槽的镂空位置上下对应，所述硅微敏感芯片1设置有光学金属反射镜3，基座2与光纤固定座4固定连接，光纤固定座4设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤5和反射光纤6，所述入射光纤5的光信号入射光轴和反射光纤6的光信号反射光轴相交硅微敏感芯片1的光学金属反射镜3上，信号处理电路7发出的光信号通过入射光纤5发射至光学金属反射镜3，反射光纤6接收该光学金属反射镜3反射的光信号并输入给信号处理电路7。

硅微敏感芯片1为具有敏感静态位移特征的一阶硅敏感结构芯片或具有敏感动态震动位移特征的二阶硅敏感结构芯片。

一阶硅敏感结构芯片选用平膜式芯片，二阶硅敏感结构芯片选用波纹式芯片或质量块悬臂梁式芯片。

本实施方式的硅基MEMS敏感结构制作成可植入式的，可轻松实现多种敏感物理量的检测，当硅基MEMS敏感结构采用平膜式硅微敏感芯片1时，本实施方式的检测装置可检测出声压、压力、位移物理量；当硅基MEMS敏感结构采用波纹式硅微敏感芯片1时，本实施方式的检测装置可检测出声压、压力、位移物理量；当硅基MEMS敏感结构采用质量块悬臂梁式硅微敏感芯片1时，本实施方式的检测装置可检测出震动和加速度物理量。

当声压、压力、位移、震动或加速度信号作用时硅基MEMS敏感结构产生位移或形变，从而引起反射光信号变化，将物理量的变化调制到光路参数变化上。

所述声压、压力、位移、震动或加速度信号由MEMS敏感单元接收，所述信号使得MEMS敏感单元的敏感区域发生位移形变，进而使得光学金属反射镜3移动，将入射光纤5入射的光路改变，改变后的光信号由反射光纤6接收并输入给信号处理电路7，信号处理电路7根据改变后的光信号实现对输入的多种信号的检测。

具体实施方式二：本实施方式是实施方式一所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器的应用方法，该传感器用于检测静态微位移或动态微位移对象，即将敏感芯片产生的位移变量调制到光路中。

具体实施方式三：本实施方式是实施方式一所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器的应用方法，该传感器的硅微敏感芯片产生的敏感变量通过调制方法调制到微光路中，光学解调方法采用强度解调法或干涉解调法。

Claims (5)

1.基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器，其特征在于：它包括硅基MEMS敏感结构、光纤固定座(4)、入射光纤(5)、反射光纤(6)和信号处理电路(7)，所述硅基MEMS敏感结构包括硅微敏感芯片(1)、基座(2)和光学金属反射镜(3)，硅微敏感芯片(1)倒置固定在基座(2)的上面，硅微敏感芯片(1)的敏感区域与基座(2)的凹槽的镂空位置上下对应，所述硅微敏感芯片(1)设置有光学金属反射镜(3)，基座(2)与光纤固定座(4)固定连接，光纤固定座(4)设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤(5)和反射光纤(6)，所述入射光纤(5)的光信号入射光轴和反射光纤(6)的光信号反射光轴相交硅微敏感芯片(1)的光学金属反射镜(3)上，信号处理电路(7)发出的光信号通过入射光纤(5)发射至光学金属反射镜(3)，反射光纤(6)接收该光学金属反射镜(3)反射的光信号并输入给信号处理电路(7)。

2.根据权利要求1所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器，其特征在于：硅微敏感芯片(1)为具有敏感静态位移特征的一阶硅敏感结构芯片或具有敏感动态震动位移特征的二阶硅敏感结构芯片。

3.根据权利要求2所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器，其特征在于：一阶硅敏感结构芯片选用平膜式芯片，二阶硅敏感结构芯片选用波纹式芯片或质量块悬臂梁式芯片。

4.权利要求1所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器的应用方法，其特征在于：该传感器用于检测静态微位移或动态微位移对象，即将敏感芯片产生的位移变量调制到光路中。

5.权利要求1所述的基于硅MEMS敏感结构融合光学检测技术的微光机电传感器的应用方法，其特征在于：该传感器的硅微敏感芯片产生的敏感变量通过调制方法调制到微光路中，光学解调方法采用强度解调法或干涉解调法。

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