CN105353165A - 一种基于mems工艺的光纤加速度传感器 - Google Patents

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张慧君
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，属于光纤传感领域。本发明利用硅片进行刻蚀，形成弹性元件，利用二氧化硅刻蚀形成基座，将弹性元件与基座键合构成F-P腔，后端通过激光器焊接或胶粘工艺与准直管及光纤连接，形成光纤加速度传感器。当外界产生振动时，弹性元件会发生变形，导致F-P腔的腔长发生变化，通过腔长的变化量就可以得知相应的加速度值。本发明的优点在于体积小，重量轻，抗电磁干扰等。本发明具有较高的灵敏度及响应频率，可以实现高精度加速度的测量。

Description

一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
振动传感器作为一类应用广泛的传感器，主要应用于航空航天、地质勘测、地震预报、环境保护、工业监控等领域。振动传感器的类型较多，按被测物理量来分有位移(振幅)传感器、速度传感器和加速度传感器三种。由于位移、速度和加速度这三个参数可以通过简单的微积分关系相互转换，故三种传感器有时可以通用。加速度传感器通常尺寸比较小、重量轻，且工作频率范围较宽，这在测量时，不仅对试件振动特性的影响小，而且所测得的结果也很接近某个“点”，而不是某个“面”的振动，同时还能够更好地适应振动频率的要求，因而测振传感器一般用加速度传感器。
加速度计是惯性导航系统和惯性制导系统的重要器件，用来测量运动物体的加速度和线性位移。已有的加速度计种类繁多，而且能够满足现有的绝大多数应用领域的要求，但随着应用需求的变化，要求惯性器件同时具备精度高、体积小、重量轻、耗能低、经济以及易于批量生产等特点，已有的加速度计却很难同时满足这些变化。
基于MEMS工艺的光纤加速度传感器除了具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、在恶劣环境下使用的独特优点外，还具有体小质轻、动态范围宽、响应快、精度高等优点。近来，随着MEMS工艺与光纤传感技术的结合，这种类型的传感器已经逐渐成为新一代传感器发展的主流方向。
目前光纤加速度传感器比较成熟的是光纤光栅式加速度传感器，如CN204359817中所述，该类型加速度传感器的解调精度高、技术成熟、具有温度补偿等特点，目前已经开始广泛应用。但同时该类传感器也存在着频率响应偏低、精度偏低等自身的缺点。而国外的相关F-P腔光纤加速度传感器，如US6921894中所述，该结构加速度传感器为在光纤端面一体加工成型，由于激光加工时温度较高，而导致该结构所形成的F-P腔的腔长具有不可控性，使得该结构及工艺的重复性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，该传感器基于MEMS加工工艺，将F-P腔单独加工制作，具有工艺简单可控，一致性好等优点。同时加速度传感器具有较高的灵敏度及响应频率，可以实现高精度加速度的测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，包括弹性元件、基座、准直管以及光纤；弹性元件为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块，平台位置命名为弹性梁；基座为凹槽结构；准直管为中空圆柱体，用于固定光纤；弹性元件、基座与准直管依次固定连接；光纤通过准直管后与基座固定连接；
所述凹槽底面中心点与弹性元件底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为光纤加速度传感器的中心线；
需保证所述凹槽底面有部分为平面，且该平面需将凹槽底面中心点包含其中；该平面与弹性元件底面相互平行；
所述光纤加速度传感器沿竖直方向的中心线左右对称；
所述弹性元件的材料为硅片；所述基座的材料为二氧化硅；所述准直管的材料为二氧化硅或石英；
所述的弹性元件与基座采用MEMS工艺连接；所述的准直管与基座采用激光焊接工艺或胶粘技术连接；所述的光纤与准直管采用激光焊接技术或胶粘技术连接。
所述的弹性元件为薄膜结构，形状为圆形或者矩形；
所述的基座为矩形或圆形；
所述凹槽为矩形、圆弧形、圆柱形或其他轴对称的形状；
工作过程：传感器受到外界的振动时，质量块受到惯性力的作用，弹性梁发生形变，导致由弹性元件与基座形成的F-P腔的腔长发生变化，通过光纤进行信号的传输，再由后端进行信号的处理与分析，得出加速度值。
有益效果
1、本发明的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，基于MEMS加工工艺，将F-P腔单独加工制作，具有工艺简单可控，一致性好等优点；
2、本发明的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，具有较高的灵敏度及响应频率，可以实现高精度加速度的测量；
3、本发明的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优势。
附图说明
图1是本发明的一种实施形式传感器的结构示意图；
图2是本发明的另一种实施形式传感器的结构示意图；
图3是本发明的一种带有质量块的圆形弹性元件示意图；
图4是本发明的一种带有质量块的矩形弹性元件示意图。
其中，101—弹性元件；102—基底；103—准直管；104—光纤；105—弹性梁；106—质量块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以下详细描述。
实施例1
如图1、图3所示，本发明的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，包括弹性元件101、基座102、准直管103、光纤104。弹性元件101是通过刻蚀工艺将硅片刻蚀成带有质量块106和弹性梁105的结构，质量块106与弹性梁105均为圆柱形；基座102式通过刻蚀工艺将二氧化硅刻蚀成中心带有凹槽的结构，基座102和凹槽均为圆柱形，且圆形尺寸与弹性元件101相同；将弹性元件101与基座102通过Si-SiO2键合工艺连接在一起；选取内、外径尺寸分别于光纤104与基座102匹配的准直管103，材料为石英，通过二氧化碳激光器焊接工艺将准直管103与光纤104连接，保证准直管103与光纤104的上表面在同一平面内；将带有光纤104的准直管103上表面与基座102的下表面通过二氧化碳激光器焊接工艺连接在一起。
传感器受到外界的振动时，质量块受到惯性力的作用，弹性元件101发生形变，导致由弹性元件101与基座102形成的F-P腔的腔长发生变化，准直管103保证光纤104上表面与基座102下表面紧密接触，通过光纤104进行信号的传输，再由后端进行信号的处理与分析，得出加速度值。
经过试验测试，300件通过MEMS工艺制作的F-P腔的腔长范围可控制在105μm±5μm。经过在振动台振动测试，基于MEMS工艺的光纤加速度传感器的灵敏度可达36nm/g，传感器的频率响应范围可达20Hz～2.5kHz。
实施例2
如图2、图4所示，一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，包括弹性元件101、基座102、准直管103以及光纤104；弹性元件101为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块106，平台位置命名为弹性梁105；基座102为凹槽结构；准直管103为中空圆柱体，用于固定光纤104；弹性元件101、基座102与准直管103依次固定连接；光纤104通过准直管103后与基座102固定连接；
所述凹槽底面中心点与弹性元件101底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为光纤加速度传感器的中心线；
所述光纤加速度传感器沿竖直方向的中心线左右对称；
所述弹性元件101的材料为硅片；所述基座102的材料为二氧化硅；所述准直管103的材料为二氧化硅；所述的光纤104为多模光纤；
所述的弹性元件101与基座102采用MEMS工艺连接；所述的准直管103与基座102采用胶粘技术连接；所述的光纤104与准直管103采用胶粘技术连接。
所述的弹性元件101为薄膜结构，形状为矩形；
所述的基座102为矩形或圆形；
所述凹槽为类圆弧形，即在圆弧形距离弹性元件101底面最远的位置设置为平面，该平面的中心点也就是圆弧的中心点；该平面与弹性元件101底面相互平行；
工作过程：传感器受到外界的振动时，质量块106受到惯性力的作用，弹性梁105发生形变，导致由弹性元件101与基座102形成的F-P腔的腔长发生变化，通过光纤104进行信号的传输，再由后端进行信号的处理与分析，得出加速度值。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：包括弹性元件(101)、基座(102)、准直管(103)以及光纤(104)；弹性元件(101)为中心带有凸台的结构，凸出位置命名为质量块(106)，平台位置命名为弹性梁(105)；基座(102)为凹槽结构；准直管(103)为中空圆柱体，用于固定光纤(104)；弹性元件(101)、基座(102)与准直管(103)依次固定连接；光纤(104)通过准直管(103)后与基座(102)固定连接。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述凹槽底面中心点与弹性元件(101)底面中心点对应，两中心点连成一条直线，该直线即为光纤加速度传感器的中心线，光纤加速度传感器沿中心线左右对称。
3.如权利要求1或2所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：需保证所述凹槽底面有部分为平面，且该平面需将凹槽底面中心点包含其中；该平面与弹性元件(101)底面相互平行。
4.如权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述弹性元件(101)的材料为硅片；所述基座(102)的材料为二氧化硅；所述准直管(103)的材料为二氧化硅或石英。
5.如权利要求1或4所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述的弹性元件(101)与基座(102)采用MEMS工艺连接；所述的准直管(103)与基座(102)采用激光焊接工艺或胶粘技术连接；所述的光纤(104)与准直管(103)采用激光焊接技术或胶粘技术连接。
6.如权利要求1或2或4所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述的弹性元件(101)为薄膜结构，形状为圆形或者矩形。
7.如权利要求1或4所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述的基座(102)为矩形或圆形。
8.如权利要求1或2所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：所述凹槽为矩形、圆弧形、圆柱形或其他轴对称的形状。
9.如权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤加速度传感器，其特征在于：工作过程：传感器受到外界的振动时，质量块(106)受到惯性力的作用，弹性梁(105)发生形变，导致由弹性元件(101)与基座(102)形成的F-P腔的腔长发生变化，通过光纤(104)进行信号的传输，再由后端进行信号的处理与分析，得出加速度值。
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