CN105004882A - 基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器及加工方法属于加速度传感器技术领域；该传感器包括一个中间厚，四周薄，上下表面均镀有反射膜的质量块，对称设置在质量块两侧的硅支撑结构，每个硅支撑结构均与质量块构成珐珀腔，在每个硅支撑结构侧面贴靠底部的位置，均有一根研抛端面为45°的光纤插入；该方法首先加工设置有光纤插口的硅支撑结构和上下表面均镀有反射膜的质量块，然后将硅支撑结构顶端与质量块镀有反射膜的面键合在一起，再将光纤从光纤插口插入并调整，最后将光纤插口密封；本发明不仅能够满足贴合于被测物表面使用的技术需求，而且能够解决共轴型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器稳定性差的问题，同时还能提高传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器及加工方法属于加速度传感器技术领域。
背景技术
在航空航天、军工船舶、生物医学和建筑等领域，都需要测量加速度，测量加速度离不开加速度传感器。光纤传感器作为加速度传感器的重要组成部分，得到了快速发展。
现阶段，常见的光纤传感器包括基于环形腔干涉仪的光纤加速度计，基于迈克尔逊干涉仪的光纤加速度计、基于马赫-泽德干涉仪的光纤加速度计、基于光纤布拉格光栅的光纤加速度计，基于光纤本征型珐珀腔的光纤加速度计等。这些传感器的共同特点都是将光纤缠绕在质量块上用作加速度敏感元件，当质量块在加速度作用下振动时，引起光纤的长度和折射率变化，从而导致输出光信号发生变化。通过检测输出光信号的变化就可以计算加速度。以上光纤传感器尺寸较大、同时与温度交叉敏感、影响了这些传感器的测量精度。
非本征型光纤珐珀腔加速度传感器通常由光纤端面和质量块组成珐珀腔，质量块在加速状态下发生振动，引起珐珀腔的腔长变化，从而导致珐珀腔的反射率变化。基于该原理，通过测量珐珀腔的反射率变化，就可以得到加速度大小。
现阶段，非本征型光纤珐珀腔加速度传感器只有共轴型，共轴型加速度传感器结构简单，加工方便，制作成本低，但是它还具有以下两个缺点：
第一、共轴型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器尺寸较长，无法贴合于被测物表面使用；
第二、腔长不好控制，使得非本征型光纤珐珀腔加速度传感器的稳定性差。
为了解决上述问题，需要发展垂直型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器，不仅能够贴合于被测物表面使用，而且稳定性好。然而，还没有查阅到垂直型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器，并公开了该传感器的加工方法，该加速度传感器不仅能够满足贴合于被测物表面使用的技术需求，而且能够解决共轴型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器稳定性差的问题，同时设计成差动的结构，还能扩展线性区域，抑制共模噪声，提高传感器的测量精度。
本发明的目的是这样实现的：
基于45°光纤的差动式加速度传感器，包括一个质量块，对称设置在质量块两侧的硅支撑结构，每个硅支撑结构均与质量块构成珐珀腔，在每个硅支撑结构侧面贴靠底部的位置，均有一根研抛端面为45°的光纤插入；所述的质量块为中间厚，四周薄的结构，质量块的上表面和下表面均镀有反射膜。
上述基于45°光纤的差动式加速度传感器，所述的质量块的中间设置有圆形凸起。
基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法，包括以下步骤：
步骤a、加工设置有光纤插口的硅支撑结构；
步骤b、加工上表面和下表面均镀有反射膜的质量块；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将硅支撑结构顶端与质量块镀有反射膜的面键合在一起；
步骤d、将光纤从光纤插口插入，调整光纤的研抛端面与硅支撑结构底面成45°角；
步骤e、用环氧胶将硅支撑结构的光纤插口密封。
上述基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工侧壁带有豁口的底座，所述豁口作为硅支撑结构的光纤插口，能够使光纤穿过；
步骤a2、加工能够与底座配合的支座；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序；
步骤a3、按照支座在上，底座在下的顺序，将支座与底座键合，得到硅支撑结构。
上述基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，所述步骤b包括以下步骤：
步骤b1、在基材对称的两个表面均刻有环形槽，环形槽的外径与硅支撑结构内壁尺寸一致；环形槽内所包围的区域为加速度敏感区，环形槽外部区域为键合区；
步骤b2、在环形槽底部和加速度敏感区表面镀反射膜。
上述基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，在步骤d中，利用六轴微位移台控制光纤的插入距离和旋转角度，确保光纤的研抛端面与硅支撑结构底面成45°角。
有益效果：
第一、由于研抛端面为45°的光纤从硅支撑结构侧面贴靠底部插入，使光纤与珐珀腔形成垂直结构，有效减少腔长，进而减小光纤珐珀腔加速度传感器的尺寸，使得其能够贴合于被测物表面使用。
第二、由于光纤的插入位置贴靠硅支撑结构的底部，通过硅支撑结构的底部限定光纤位置，因此解决了共轴型非本征型光纤珐珀腔加速度传感器稳定性差的问题。
第三、由于整个传感器设计成对称差动结构，因此还能扩展线性区域，抑制共模噪声，提高传感器的测量精度。
附图说明
图1是本发明基于45°光纤的差动式加速度传感器的结构示意图。
图2是本发明基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工工艺流程图。
图中：1硅支撑结构、11底座、12支座、2光纤、3质量块、31环形槽、32加速度敏感区、33键合区、6环氧胶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的装置实施例。
本实施例的基于45°光纤的差动式加速度传感器，结构示意图如图1所示。该传感器包括一个质量块3，对称设置在质量块3两侧的硅支撑结构1，每个硅支撑结构1均与质量块3构成珐珀腔，在每个硅支撑结构1侧面贴靠底部的位置，均有一根研抛端面为45°的光纤2插入；所述的质量块3为中间厚，四周薄的结构，质量块3的上表面和下表面均镀有反射膜。
具体实施例二
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的装置实施例。
本实施例的基于45°光纤的差动式加速度传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定质量块3的中间设置有圆形凸起。设置成圆形凸起，使其振动具有各向同性的特性，有利于提高测量结果重复性。
具体实施例三
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法实施例。
基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法，工艺流程图如图2所示。该方法包括以下步骤：
步骤a、加工设置有光纤插口的硅支撑结构1；
步骤b、加工上表面和下表面均镀有反射膜的质量块3；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将硅支撑结构1顶端与质量块3镀有反射膜的面键合在一起；
步骤d、将光纤2从光纤插口插入，调整光纤2的研抛端面与硅支撑结构1底面成45°角；
步骤e、用环氧胶6将硅支撑结构1的光纤插口密封。
具体实施例四
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法实施例。
本实施例的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工侧壁带有豁口的底座11，所述豁口作为硅支撑结构1的光纤插口，能够使光纤2穿过；
步骤a2、加工能够与底座11配合的支座12；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序；
步骤a3、按照支座12在上，底座11在下的顺序，将支座12与底座11键合，得到硅支撑结构1。
具体实施例五
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法实施例。
本实施例的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤b包括以下步骤：
步骤b1、在基材对称的两个表面均刻有环形槽31，环形槽31的外径与硅支撑结构1内壁尺寸一致；环形槽31内所包围的区域为加速度敏感区32，环形槽31外部区域为键合区33；
步骤b2、在环形槽31底部和加速度敏感区32表面镀反射膜。
具体实施例六
本实施例为基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法实施例。
本实施例的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定在步骤d中，利用六轴微位移台控制光纤2的插入距离和旋转角度，确保光纤2的研抛端面与硅支撑结构1底面成45°角。
Claims (6)
1.基于45°光纤的差动式加速度传感器，其特征在于，包括一个质量块(3)，对称设置在质量块(3)两侧的硅支撑结构(1)，每个硅支撑结构(1)均与质量块(3)构成珐珀腔，在每个硅支撑结构(1)侧面贴靠底部的位置，均有一根研抛端面为45°的光纤(2)插入；所述的质量块(3)为中间厚，四周薄的结构，质量块(3)的上表面和下表面均镀有反射膜。
2.根据权利要求1所述的基于45°光纤的差动式加速度传感器，其特征在于，所述的质量块(3)的中间设置有圆形凸起。
3.权利要求1所述基于45°光纤的差动式加速度传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、加工设置有光纤插口的硅支撑结构(1)；
步骤b、加工上表面和下表面均镀有反射膜的质量块(3)；
所述的步骤a和步骤b同步进行或按任意先后顺序进行；
步骤c、将硅支撑结构(1)顶端与质量块(3)镀有反射膜的面键合在一起；
步骤d、将光纤(2)从光纤插口插入，调整光纤(2)的研抛端面与硅支撑结构(1)底面成45°角；
步骤e、用环氧胶(6)将硅支撑结构(1)的光纤插口密封。
4.权利要求3所述的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤a包括以下步骤：
步骤a1、加工侧壁带有豁口的底座(11)，所述豁口作为硅支撑结构(1)的光纤插口，能够使光纤(2)穿过；
步骤a2、加工能够与底座(11)配合的支座(12)；
所述的步骤a1和步骤a2同步进行或按任意先后顺序；
步骤a3、按照支座(12)在上，底座(11)在下的顺序，将支座(12)与底座(11)键合，得到硅支撑结构(1)。
5.权利要求3所述的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤b包括以下步骤：
步骤b1、在基材对称的两个表面均刻有环形槽(31)，环形槽(31)的外径与硅支撑结构(1)内壁尺寸一致；环形槽(31)内所包围的区域为加速度敏感区(32)，环形槽(31)外部区域为键合区(33)；
步骤b2、在环形槽(31)底部和加速度敏感区(32)表面镀反射膜。
6.权利要求6所述的基于45°光纤的差动光纤珐珀加速度传感器的加工方法，其特征在于，在步骤d中，利用六轴微位移台控制光纤(2)的插入距离和旋转角度，确保光纤(2)的研抛端面与硅支撑结构(1)底面成45°角。
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