CN108426632B - 一种基于mems的声压、气流传感器 - Google Patents

一种基于mems的声压、气流传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN108426632B
CN108426632B CN201810171079.2A CN201810171079A CN108426632B CN 108426632 B CN108426632 B CN 108426632B CN 201810171079 A CN201810171079 A CN 201810171079A CN 108426632 B CN108426632 B CN 108426632B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
optical fiber
cantilever beam
guide groove
fiber guide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810171079.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108426632A (zh
Inventor
李威
余洪斌
冯楚桓
张欣峰
范甜甜
邵建
朱业锦
李琦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology, Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201810171079.2A priority Critical patent/CN108426632B/zh
Publication of CN108426632A publication Critical patent/CN108426632A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108426632B publication Critical patent/CN108426632B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽，上述结构的加工均是基于MEMS技术，其中波导结构位于悬臂梁结构的表面，光纤导槽结构位于悬臂梁结构的两侧并与波导结构存在匹配关系。通过本发明利用悬臂梁结构将声压或气流的强弱转化为该悬臂梁结构不同程度的形变，光纤导槽结构用于固定光纤，悬臂梁结构不同程度的形变导致光纤与波导结构不同程度的耦合失配，耦合失配通过输出、输入光能比测出，通过耦合失配间接检测气压或气流。

Description

一种基于MEMS的声压、气流传感器
技术领域
本发明属于声压、气流传感测量领域，更具体地，涉及一种基于MEMS的声压、气流传感器。
背景技术
声压及气流检测在地震预测、核爆信息采集、管道泄露监控以及天气预报等领域有重要的应用。传统的方案比如基于电容(压)式麦克风的传感系统在灵敏度、抗电磁干扰能力等方面已经不能满足当前的需求。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是指采用微机械加工技术制作的集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路及各类接口于一体的微系统。该技术的优势在于微型化、多功能化和智能化。
目前，有多种利用MEMS技术的方案可用于测量声压、气流。例如，(1)基于MEMS技术的电容式传感器来测量超声波，该方案中超声波作用在MEMS膜片上使之发生形变进而使得电容发生改变，通过测量电容来间接检测超声波。该方案利用MEMS技术加工复杂结构来控制寄生电容，提高了测量的准确度，但是该传感器不能应用于强电磁场、高湿度等恶劣环境。(2)利用光纤来测量气流的方案，光纤形变后，从光纤射出的光斑的位置也会相应发生改变，再利用二维CCD采集光斑的位置，最后推算出气流速度及方向。该方案利用光纤作为传感器件并且输出量为光学量，在应对恶劣环境具有一定优势，但是该方案的测量精度与光纤长度、光纤到CCD的距离呈正相关，这对器件的组装精度提出了很高要求，同时光斑位置的判断需要使用二维CCD，不仅增加了系统成本，且不利于实现系统的微型化和集成化。(3)基于MEMS悬臂梁的声压测量方案，该方案用悬臂梁传感声压并用外部迈克尔逊干涉仪测量悬臂梁形变，该方案的主要问题在于系统构成复杂、安装调试繁琐。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS的声压、气流传感器，由此解决现有的基于MEMS技术的声压、气流传感器存在的使用环境有限、成本高、结构复杂以及测量精度较低等的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽；
所述波导位于所述悬臂梁的表面，所述光纤导槽位于所述悬臂梁的两侧，其用于放置光纤；
所述光纤导槽的宽度与所使用光纤的外径相同，所述光纤导槽的深度由所使用光纤的外径以及所述波导的目标位置确定，其中，所述波导的目标位置应满足在波导形变为0时，在所使用光纤的中心位于所述波导下表面上方目标距离时，所述波导与所使用的光纤形成的能量耦合比随所述波导形变的变化率最大。
优选地，所述光纤导槽的深度的确定方式为：
Figure BDA0001585835780000021
其中，d为光纤导槽的深度，d'为所述目标距离。
优选地，所述波导为单模波导，且所述波导的本征模式与所使用光纤的本征模式之间的差异在预设范围内。
优选地，所述波导为直线型波导或S型波导。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用波导和悬臂梁一体化的设计思路，其间利用悬臂梁结构将被测声压和气流物理量转换为悬臂梁的机械形变，同时利用高度集成化的波导-光纤耦合结构测量悬臂梁的形变，进而获得声压和气流信息。
(2)本发明提出的传感器结构，即悬臂梁结构、波导结构与光纤导槽结构的组合。悬臂梁结构的表面存在波导结构，并且波导结构与位于光纤导槽结构中的光纤形成能量耦合，波导结构与光纤的相对位置(此位置将决定器件的测量灵敏度及线性测量范围)是通过对加工工艺参数的控制来实现的，其不会受到后续操作的影响。这一方面极大降低了对器件组装工序的要求，另一方面也有利于保证不同器件间性能的一致性。
(3)本发明提出的直线型波导结构、S型波导结构具有不同工作性能，前者线性范围更大，后者的测量灵敏度更高。并且增加S型波导的级联个数可以获得更高的测量灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种采用直线型波导的传感器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光纤导槽结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种脊形波导的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的不同错位下的能量耦合比；
图5是本发明实施例提供的一种样品测试系统示意图；
图6是本发明实施例提供的传感器样品的频率响应图；
图7是本发明实施例提供的传感器样品对400Hz声压信号的响应图；
图8是本发明实施例提供的一种采用S型波导的传感器结构示意图；
图9是本发明实施例提供的S型波导结构与直线型波导结构的测量灵敏度对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括基于MEMS加工技术获得的悬臂梁、波导以及光纤导槽。通过本发明利用悬臂梁结构将声压或气流的强弱转化为该悬臂梁结构不同程度的形变，光纤导槽结构用于固定光纤，悬臂梁结构不同程度的形变导致光纤与波导结构不同程度的耦合失配，耦合失配通过输出、输入光能比测出，通过耦合失配间接检测气压或气流。
本发明提供的一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽；
其中，波导位于悬臂梁的表面，光纤导槽位于悬臂梁的两侧，其用于放置光纤；光纤导槽的宽度与所使用光纤的外径相同，光纤导槽的深度由所使用光纤的外径以及波导的目标位置确定，其中，波导的目标位置应满足在波导形变为0时，在所使用光纤的中心位于波导下表面上方目标距离时，波导与所使用的光纤形成的能量耦合比随波导形变的变化率最大。
在本发明实施例中，光纤导槽的深度的确定方式为：
Figure BDA0001585835780000041
其中，d为光纤导槽的深度，d'为所述目标距离。
在本发明实施例中，所采用的波导为单模波导，且波导的本征模式与所使用光纤的本征模式之间的差异在预设范围内。
其中，预设范围可以根据经验或者实际使用情况进行确定。
在本发明实施例中，波导为直线型波导或S型波导。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实例描述基于直线型波导的传感器的结构及测量原理。如图1所示，1为悬臂梁结构，2为脊形波导结构(即直线型结构)，3为光纤导槽结构。图2为光纤导槽结构示意图，其设计参数为宽度W1、深度d，该结构的作用是固定光纤的位置，宽度W1与所用光纤的外径相同，深度d由光纤外径和脊形波导的最佳位置共同决定。图3为脊形波导结构的示意图，脊形波导的设计参数为脊高H、下脊高h及脊宽W，脊形波导的功能为耦合光能与传输光能，脊形波导的参数设计应使得该波导为单模波导，并且其本征模式与光纤的本征模式相近。本实例采用1550nm波段的单模光纤，其外径为125μm，因而W1＝125μm，脊形波导的设计参数为H＝10μm、h＝8μm、W＝4μm。采用本发明实施例中的光纤和脊形波导的模场的形状比较接近。通过仿真结果表明，当光纤的中心处于脊形波导下表面上方4.5μm时，能量耦合比最大，能量耦合比为63％，当光纤中心位于脊形波导下表面上方6.5μm时，能量耦合比随波导形变的变化率最大，此时的测量灵敏度最大，因而设计光纤导槽的深度使得波导形变为0时，光纤中心位于脊形波导下表面上方6.5μm，即光纤导槽的深度d＝56μm。图4为不同波导形变下的相对能量耦合比，从图中可以看出，该传感器的线性区间为-1μm～1μm，相对测量灵敏度为0.33/μm。从上面的分析可以看出，当传感器检测声压或气流时，声压或是气流使得悬臂梁形变，该形变使得脊形波导与光纤之间获得一个错位。如果从一侧光纤输入的能量为固定值，那么从另一侧光纤输出的能量即可由声压强度或气流流速来决定。
实施例2
本实例展示一个实物样品的测试结果。图5为样品测试系统示意图，测试过程中，我们选用10mW波长为1550nm的激光器作为光源，传感器的输出用PD采集，并用示波器进行显示。我们用无源蜂鸣器作为声源，选用不同频率、强度的正弦信号驱动无源蜂鸣器从而产生相应的声波，传感器的频率响应如图6所示。从图中可以看出，400Hz是传感器的谐振频率，并且在低频波段有较好的响应。图7是传感器样品对不同声压的响应，从图中可以看出传感器的线性度良好，数据拟合得出的灵敏度为634mV/Pa，远高于某商用微音器的50mV/Pa。
实施例3
本实施例介绍一种基于S型波导的结构设计来提高测量灵敏度的传感器方案。图8为S型波导级联结构，序号4为悬臂梁，序号5为S型波导，序号6为光纤导槽，该结构有6个能量耦合点，包括2个光纤-脊形波导耦合和4个脊形波导-脊形波导耦合。与实施例1中直线型波导结构相比，本实例提出的方案多出4个能量耦合点。由于每个能量耦合点的光传输均受到悬臂梁变形的影响，因而在相同悬臂梁变形的情况下，最终传输的光能量将会产生更大变化，进而表现出更高的测量灵敏度。图9是S型波导结构与直线型波导结构的测量灵敏度对比，S型波导结构的线性区间为-0.5μm到0.5μm，该区域的相对灵敏度为0.6/μm，而在直线型波导中，线性区域的相对灵敏度仅为0.33/μm。由此相较于直线型波导设计，采用S型波导可以获得近似两倍的灵敏度增强。采用相同的设计思路，通过设计增加S型波导结构个数可以获得更多的能量耦合点，从而进一步提高测量灵敏度。
在本发明实施例中，S型波导的基本结构仍然为脊形波导，S型波导的半径应足够大以减小传输损耗，具体参数可以结合样片的材料、所用激光的波长以及脊形波导的几何参数确定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽；
所述波导沿悬臂梁的短边方向刻蚀，所述光纤导槽位于所述悬臂梁的两侧，其用于放置光纤；
所述光纤导槽的宽度与所使用光纤的外径相同，所述光纤导槽的深度由所使用光纤的外径以及所述波导的目标位置确定，其中，所述波导的目标位置应满足在波导形变为0时，在所使用光纤的中心位于所述波导下表面上方目标距离时，所述波导与所使用的光纤形成的能量耦合比随所述波导形变的变化率最大，以使传感器的初始工作点位于灵敏度最高位置；所述目标距离为光纤与波导初始位置的偏移量，其值大于0；所述波导为直线型波导或S型波导。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤导槽的深度的确定方式为：
Figure FDA0002284376280000011
其中，d为光纤导槽的深度，d'为所述目标距离。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述波导为单模波导，且所述波导的本征模式与所使用光纤的本征模式之间的差异在预设范围内。
CN201810171079.2A 2018-03-01 2018-03-01 一种基于mems的声压、气流传感器 Active CN108426632B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810171079.2A CN108426632B (zh) 2018-03-01 2018-03-01 一种基于mems的声压、气流传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810171079.2A CN108426632B (zh) 2018-03-01 2018-03-01 一种基于mems的声压、气流传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108426632A CN108426632A (zh) 2018-08-21
CN108426632B true CN108426632B (zh) 2020-02-21

Family

ID=63157357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810171079.2A Active CN108426632B (zh) 2018-03-01 2018-03-01 一种基于mems的声压、气流传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108426632B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001020617A1 (en) * 1999-09-16 2001-03-22 Ut-Battelle, Llc Integrated optical interrogation of micro-structures
CN105865552A (zh) * 2016-04-08 2016-08-17 东南大学 一种基于mems工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法
CN106645795A (zh) * 2016-12-07 2017-05-10 三峡大学 一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法
CN107621328A (zh) * 2017-09-07 2018-01-23 南京溯极源电子科技有限公司 一种大气压强测量装置及方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4878727A (en) * 1988-06-30 1989-11-07 Battelle Memorial Institute Multimode channel waveguide optical coupling devices and methods
CN100432723C (zh) * 2004-03-31 2008-11-12 日立化成工业株式会社 光学元件耦合结构体及光纤结构体
CN102236029A (zh) * 2010-05-05 2011-11-09 茂名学院 一种新型硅基光波导加速度传感器
US20130214293A1 (en) * 2010-07-19 2013-08-22 Insiava(PTY)Limited Micro optical device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001020617A1 (en) * 1999-09-16 2001-03-22 Ut-Battelle, Llc Integrated optical interrogation of micro-structures
CN105865552A (zh) * 2016-04-08 2016-08-17 东南大学 一种基于mems工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法
CN106645795A (zh) * 2016-12-07 2017-05-10 三峡大学 一种悬臂梁式光纤光栅加速度传感器的制作方法
CN107621328A (zh) * 2017-09-07 2018-01-23 南京溯极源电子科技有限公司 一种大气压强测量装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108426632A (zh) 2018-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101608944B (zh) 一种光纤振动传感头及其制作方法
US8276463B2 (en) Shear stress measurement apparatus
US11629979B2 (en) Diaphragm-based fiber acoustic sensor
CN107515054B (zh) 一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤温度和折射率测量传感装置
CN106645793B (zh) 一种基于聚合物光波导的流速传感器
US10551255B2 (en) Optical sensor device, sensor apparatus and cable
CN107911782B (zh) 一种光纤传声器探头及光纤传声器系统
CN105675114A (zh) 一种光纤efpi超声波传感器
CN107015024A (zh) 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
US20170307437A1 (en) Opto-mechanical transducer for the detection of vibrations
CN109945965A (zh) 光纤efpi超声波传感器用支撑梁臂式敏感膜片
CN105051512A (zh) 用于非接触压力测量的光学传感器
US20200355569A1 (en) Multi-Hole Probe Pressure Sensors
CN114486019A (zh) 一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器及mems制造方法
CN108426632B (zh) 一种基于mems的声压、气流传感器
CN115144712B (zh) 一种局部放电光学超声检测系统
CN114397058B (zh) 一种基于渐变折射率透镜的光纤传输式无源压力传感器
KR20210006372A (ko) 진동현식 마이크로나노 광섬유 기반의 광섬유 격자 마이크로 진동 및 음향 방출 감지 장치
CN115435885A (zh) Mems光纤悬臂梁声传感器及制备方法
CN205373872U (zh) 一种光纤efpi超声波传感器
CN210180586U (zh) 一种容器内流体压力测量装置
Afshar et al. Lens-less, spring-loaded diaphragm-based fiber acoustic sensor
CN114152279B (zh) 一种基于光纤微光液体传感器检测系统的检测方法
CN111024211A (zh) 一种高灵敏度差动式光纤f-p微振动传感器及其解调方法
CN109580036A (zh) 基于光子晶体光纤fbg的fp温度传感器及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant