CN107015024A - 一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器。包括光纤，光纤的一端面设有反射镜；光纤的包覆层开有一法布里‑珀罗腔；采用皮秒激光脉冲对光纤包层进行加工刻蚀得到光纤微悬臂梁和加速度敏感质量块；在法布里‑珀罗腔一侧为一光纤微悬臂梁；光纤微悬臂梁一表面成形一加速度敏感质量块；加速度敏感质量块与反射镜构成干涉型光纤传感器。本发明通过采用一根通信光纤集传感和传输于一体，实现加速度信号探测和传输，实现远程实时监测；并且，该传感器尺寸小，体积轻，适用于空间有限环境下的加速度监测需求；采用激光加工工艺用于光纤悬臂梁制造，速度快，易于规模化，能够降低制造成本。

Description

一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法，用于工业生产，军事及公共安全等领域对加速度信号的实时监测需求。

背景技术

加速度传感器是利用物体的惯性性质测量物体运动情况的一类常用的一种传感器，广泛应用于地震，桥梁健康状况，工业机械设备安全监测等领域。输出与运载体的运动加速度成比例或有一定关系的信号。其传感原理基于牛顿力学第二定理：物体在外力的作用下将产生加速度，其大小与所加外力成正比，与物体质量成反比，与物体质量成反比，方向与作用力的方向一致。加速度传感器的种类繁多,从测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、压阻式、隧道电流式、谐振式等等。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，目前应用比较成熟的有电容式和压阻式加速度计。光纤加速计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。与前者相比，不但具有抗电磁干扰的独特优点，而且体小质轻，动态范围宽，精度高，能在恶劣环境下工作。光纤加速度计有很多种，如强度调制型、相位调制型、波长调制型。其中强度调制型和相位调制型的研究最多，应用也最广泛。强度调制型中的悬臂梁式加速度计由于集成度高，响应速度快适合恶劣环境的应用等特点，受到越来越多的关注。然而对于高灵敏度，大动态范围的加速度信号探测，普通光纤加速度计也显得无能为力。在有限空间范围内、恶劣环境下的高速加速度检测成为加速度传感器发展的一个方向。

悬臂梁是一端固定，另一端自由的梁式弹性元件，其特点是结构简单，易于粘贴应变片，因此广泛用于力学量测量的传统传感器中。将光纤光栅与悬臂梁结构相结合可以实现悬臂梁对光栅的调谐作用使得很多学者对光纤光栅的悬臂梁传感器感兴趣。但由于是波长测量，传感器成本较高。基于光纤微弯损耗的传感器是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出的，此后微弯光纤传感器获得了较快的发展。微弯光纤传感器已经用于检测压力、位移、液位、温度和应变等。光纤微弯传感器具有灵敏度髙和因强度测量而测量成本低等特点。

微悬臂梁的设计与制造：设计悬臂梁时，需要重点考虑的参数是灵敏度、噪声、弹性系数、响应频率等。一个高性能的悬臂梁通常需要具有尚灵敏度、低噪声、高响应频率和低弹性系数。这些参数取决于悬臂梁的几何形状、材料的机械性质以及制作悬臂梁的工艺条件等。这些要求并不能全部满足，比如降低弹性系数同时会降低响应频率,在设计时要根掘使用场合综考虑。

现有技术中，悬臂梁的制造通过硅微加工工艺来实现，常用的加工工艺有光刻、刻蚀、薄膜工艺等，现有的一个工艺流程如下：1、生长SNx薄膜，厚度约1.5μm；2、背面光刻、刻蚀出窗口；3、正面光刻、刻蚀悬臂梁图形；4、表面蒸发淀积金薄膜并剥离；5、使用KOH腐蚀硅衬底，释放梁。

微悬臂梁传感技术的一个关键和难点是生化敏感材料与梁的固定。这种固定既要考虑检测的可靠性与灵敏度，不能使生物分子失活；还要考虑解吸附与梁的重复利用问题。固定方法有吸附法、包埋法、交联法、共价键结合法，这些方法各有优缺点，如常用的吸附法操作简单，但结合力弱；共价键结合法连接牢固，可重复使用，是目前研究中最活跃的一类方法，但是该方法比其他方法反应剧烈，生物分子活性损失更加严重。

现有专利美国专利US10140491公开了一种《MIP微悬臂梁传感器及其使用方法》采用分子印迹聚合微悬臂梁传感器(MIP)技术，及其使用方法。MIP的微悬臂梁传感器置入导管，在工艺水或环境流量，或其他体液。MIP的微悬臂梁传感器提供的流量连续在线监测，其中MIP的制备吸引任何目标分析物的传感器监测。上述技术方案应用在检测有机分子，在信号传输和传感之间缺少技术支持，并且，结构复杂，不易于规模化。

现有专利CN03109491.0《一种微悬臂梁传感器及其制作方法》它包括一芯片，所述芯片上设置有至少一组传感单元，所述传感单元由组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻和两个悬臂梁组成，其中两个所述电阻位于所述芯片的衬底上，另外两个分别位于所述两悬臂梁上，其中一个作为测量悬臂梁，另一个作为参考悬臂梁，每一所述悬臂梁上具有一窗口，使所述悬臂梁呈U形设置在所述芯片上，所述测量悬臂梁表面设置有敏感层。上述技术方案采用多种结构和复合层进行传感器的设计，结构加工制造要求高，在信号传输和传感之间缺少技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法，通过激光加工制备微型化加速度计，提高了加速度信号检测的灵敏度和器件的总体集成度，解决了现有技术的传感器集成度不高的问题。该加速度传感器可通过光学干涉方式进行解调，可以将传感信号的获取和传输集成在一根光纤上完成。适合工业、军事、安全防范等多领域的应用，同时具有器件体积小，探测灵敏，本质安全等优点。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，包括光纤，所述光纤的纤芯一端面设有反射镜；所述光纤的包覆层开有一法布里-珀罗腔；采用皮秒激光脉冲对光纤包层进行加工刻蚀得到光纤微悬臂梁和加速度敏感质量块。

其中，所述法布里-珀罗腔一侧为一光纤微悬臂梁；所述光纤微悬臂梁一表面成形一加速度敏感质量块；所述加速度敏感质量块与反射镜构成干涉型光纤传感器。

进一步地，所述光纤为标准的通信光纤，包括单模光纤和多模光纤。

进一步地，所述光纤微悬臂梁的厚度在2-5μm的范围，所述加速度敏感质量块重量在2-5mg的范围；以满足加速度传感的需要。

进一步地，所述反射镜的镜面与光纤纤芯的端面的夹角为45°；在检测悬臂梁振动的同时，保证足够的光能量耦合进入光纤中。

进一步地，所述反射镜至少为20μm乘20μm的正方形，，所述反射镜的镜面面积大于纤芯的端面面积，所述反射镜的镜面面积小于光纤的端面面积，以通过一根通信光纤集传感和传输于一体，实现加速度信号探测，传输，可实现远程实时监测；加工角度需保证误差在0-0.1度范围内，以满足通过镜面反射的回光耦和进光纤的效率最大。

一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的加工方法，包括如下步骤：

步骤一，将待加工的光纤放在加工台上，通过聚焦离子束FIB在光纤端面中心位置进行45度反射镜镜面的刻蚀；

步骤二，将加工好的带有45度镜面反射镜的光纤水平放置，并将Ps激光对准待加工的包层区域，通过激光快速剥离光纤包层材料，形成加速度敏感质量块和光纤微悬臂梁结构；

步骤三，采用FIB离子束对步骤二的结构进行精密抛光，以保证45度光纤反射镜和敏感质量块端部能够形成稳定的法布里-珀罗腔。

进一步地，所述步骤二中Ps激光的脉冲宽度为6ps，重复频率在20KHz到100KHz之间可调。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用一根通信光纤集传感和传输于一体，实现加速度信号探测，传输，可实现远程实时监测。

2、本发明通过加工后的传感器为全二氧化硅材料，无胶粘部分，温度依赖性小，适用于高温环境的加速度测量。

3、本发明的传感器尺寸小，体积轻，适用于空间有限环境下的加速度监测需求。

4、本发明的激光加工工艺用于光纤悬臂梁制造，速度快，易于规模化，能够降低制造成本。

5、本发明采用全光探测，本质安全，适合易燃易爆环境的应用。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的结构示意图；

图2为图1的结构俯视图；

图3为图1的结构轴向断面图；

图4为激光加工平台示意图；

图5为显微镜下的采用超短脉冲激光器加工制造的光纤微悬臂梁加速度计的结构示意图；

图6为一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的加工方法的流程图；

图7为本发明光纤微悬臂梁传感器和电子式加速度计的振动信号对比图；

图8为DFB激光解调光谱示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-3所示，本发明为一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，包括光纤1，光纤1的纤芯102一端面设有反射镜106；光纤1的包覆层101开有一法布里-珀罗腔104；采用皮秒激光脉冲对光纤包层进行加工刻蚀得到光纤微悬臂梁103，加速度敏感质量块105。外界加速度信号作用在加速度敏感质量块105上会引起光纤微悬臂梁103的振动，因而导致法布里-珀罗腔104长变化；探测该腔长变化即可解调外界加速度信号。

其中，法布里-珀罗腔104一侧为一光纤微悬臂梁103；光纤微悬臂梁103一表面成形一加速度敏感质量块105；其中，加速度敏感质量块105与反射镜106构成干涉型光纤传感器。可调谐法布里-珀罗腔可用于频分复用，波分复用以及光孤子通信系统之中，是一种重要的光学器件，英文：Fabry–Pérot interferometer，是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。法布里－珀罗干涉仪也经常称作法布里－珀罗谐振腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里－珀罗标准具或直接简称为标准具。

其中，光纤1为标准的通信光纤。光纤1可以是标准的通信光纤，或多模光纤均可；光纤1为一根，集传感和传输于一体，实现了全光探测。

其中，光纤微悬臂梁103的厚度在2-5μm的范围，加速度敏感质量块105重量在2-5mg的范围；以满足加速度传感的需要。聚合物悬臂梁103形状可以是矩形或圆形，或其他可产生振动的结构。聚合物悬臂梁103厚度均匀，一般在3μm到5μm，在保证较高灵敏度的同时，提高悬臂梁抗振动干扰的能力。

其中，反射镜106的镜面与光纤1纤芯的端面的夹角为45°，在检测悬臂梁振动的同时，保证足够的光能量耦合进入光纤中。

如图5所示为显微镜下的采用超短脉冲激光器加工制造的光纤微悬臂梁加速度计，悬臂梁的厚度为5μm，可以调节。

如图6所示，一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的加工方法，包括如下步骤：

步骤一，将待加工的光纤放在加工台上，通过聚焦离子束FIB在光纤纤芯端面中心位置进行45度反射镜镜面的刻蚀；

步骤二，将加工好的带有45度镜面反射镜的光纤水平放置，并将Ps激光对准待加工的包层区域，通过激光快速剥离光纤包层材料，形成加速度敏感质量块和光纤微悬臂梁结构；

步骤三，采用FIB离子束对步骤二的结构进行精密抛光，以保证45度光纤反射镜和敏感质量块端部能够形成稳定的法布里-珀罗腔。

其中，步骤二中Ps激光的脉冲宽度为6ps，重复频率在20KHz到100KHz之间可调。

其中，反射镜采用20μm乘20μm的正方形，反射镜106的镜面面积大于纤芯102的端面面积，反射镜106的镜面面积小于光纤1的端面面积，加工角度需保证误差在0-0.1度范围内，以满足通过镜面反射的回光耦和进光纤的效率最大。

通过超短皮秒激光脉冲在125um光纤上刻蚀微悬臂梁结构，实现对加速度的快速实时测量，具有khz的检测带宽。可用于工业现场环境监测，军事飞行器等环境的加速度高速测量。

如图4所示，光纤被固定在激光加工台上，纳秒脉冲激光按照设定好的程序进行加工，得到聚合物悬臂梁。加工采用的激光重复频率一般为40kHz，平均功率小于1mW。聚合物悬臂梁的形状可由软件控制，一般为矩形。制作方法为采用皮秒脉冲激光刻蚀的方式在通信光纤的包层上加工形成微悬臂梁，再通过聚焦离子束的加工方式对悬臂梁的内表面进行抛光修饰，同时通过聚焦离子束在光纤纤芯上刻蚀45度角的反射镜。进入光纤的光被45度角反射镜面反射，传播方向改变90度和包层的悬臂梁面构成稳定的法布里-珀罗腔。根据加速度检测要求需要，光纤悬臂梁及敏感质量块尺寸可以调节，以适应不同测量环境的应用。激光加工具有快速成型，精度高，适合大规模工业生产等优点，特别适合于微米尺度的器件的制造。

如图7所示，为本发明光纤微悬臂梁传感器和电子式加速度计的振动信号对比图，测量的振动信号频率是100赫兹。光纤微悬臂梁传感器的灵敏度明显高于电子式加速度计的灵敏度。

如图8所示，传统的数波数和傅里叶变换的方法只适合于低速静态信号的解调。对于高速声音振动信号，要想实现高灵敏探测，需要控制激光器稳定工作。这里采用优化可调谐激光器光谱Q点，达到控制激光器工作干涉谱斜率最大区间，由于激光器的光谱受温度影响较大，因此采用反馈控制的方式对激光器的输出功率进行实时修正，以达到稳定激光器工作点的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，包括光纤(1)，其特征在于：

所述光纤(1)的纤芯(102)一端面设有反射镜(106)；

所述光纤(1)的包覆层(101)开有一法布里-珀罗腔(104)；

其中，所述法布里-珀罗腔(104)一侧为一光纤微悬臂梁(103)；

其中，所述光纤微悬臂梁(103)一表面成形一加速度敏感质量块(105)；

其中，所述加速度敏感质量块(105)与反射镜(106)构成干涉型光纤传感器。

2.根据权利要求1所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，其特征在于，所述光纤(1)为标准的通信光纤，包括单模光纤和多模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，其特征在于，所述光纤微悬臂梁(103)的厚度在2-5μm的范围，所述加速度敏感质量块(105)重量在2-5mg的范围。

4.根据权利要求1所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，其特征在于，所述反射镜(106)至少为20μm乘20μm的正方形，所述反射镜(106)的镜面面积大于纤芯(102)的端面面积，所述反射镜(106)的镜面面积小于光纤(1)的端面面积。

5.根据权利要求1或4所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器，其特征在于，所述反射镜(106)的镜面与光纤(1)纤芯的端面的夹角为45°。

6.如权利要求1-5任意一所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将待加工的光纤放在加工台上，通过聚焦离子束FIB在光纤纤芯端面中心位置进行45度反射镜镜面的刻蚀；

步骤二，将加工好的带有45度镜面反射镜的光纤水平放置，并将Ps激光对准待加工的包覆层区域，通过激光快速剥离光纤包覆层材料，形成加速度敏感质量块和光纤微悬臂梁结构；

步骤三，采用FIB离子束对步骤二的结构进行精密抛光，以保证45度光纤反射镜和敏感质量块端部能够形成稳定的法布里-珀罗腔。

7.根据权利要求6所述的一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器的加工方法，其特征在于，所述步骤二中Ps激光的脉冲宽度为6ps，重复频率在20KHz到100KHz之间可调。