CN110683506A - Moems二分量加速度传感器、测量系统及工作方法 - Google Patents

Moems二分量加速度传感器、测量系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种MOEMS二分量加速度传感器、测量系统及工作方法。其中，MOEMS二分量加速度传感器包括硅基振动敏感结构，其包括硅微质量块，硅微质量块的四个端点分别与一梯形结构的蛇形悬臂梁相连；硅微质量块的四个端点在同一平面内且构成的两条斜对角线相互垂直；光子晶体波导结构，设置在硅微质量块的顶端，与硅微质量块不接触；光子晶体波导结构的输入端与光源相连，输出端与信号解调模块相连；移动硅基部件，其一端位于光子晶体波导结构的中间空气介质层的中心位置，另一端连接在硅微质量块的顶端中心位置。

Description

MOEMS二分量加速度传感器、测量系统及工作方法
技术领域
本公开属于传感器领域，尤其涉及一种MOEMS二分量加速度传感器、测量系统及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微光机电系统(MOEMS)是微光学和微机电系统(MEMS)相融合的一种新技术系统。与传统的光学系统相比，微光机电系统集成在微米级的系统中，其体积小，可满足工业领域微型化的要求；其采用的微机械加工技术，精度高，材料消耗少，可实现低成本批量生产。微光机电系统因为其体积小、精度高、集成度高、可低成本批量生产等优势在电信和光通信领域，航空航天领域，工业检测领域快速发展。近些年来，MEMS加速度传感器得到了广泛应用，此类加速度传感器多基于压电、压阻和电容等传感原理，由于其电学特性的限制，在高电磁干扰的恶劣环境下无法正常工作。MOEMS加速度传感器由于其光学测量的原理，不受电磁影响，可靠性高，适合在高电磁干扰环境下工作。
中国专利CN106597012A给出了一种基于光强调制型MOEMS加速度计，发明人发现，该加速度传感器只能测量单一方向的加速度信号，不能同时测量两个方向的加速度信号，而在惯性导航、电子器件中往往需要测量二分量的加速度信号，这一要求限制了MOEMS加速度传感器在惯性导航、电子器件等领域的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种MOEMS二分量加速度传感器，其利用梯形结构蛇形悬臂梁可保证硅微质量块随外界二分量加速度变化同时沿水平和垂直这两个方向振动，由信号解调模块解调出垂直方向和水平方向的加速度信号，能够提高垂直方向和水平方向的加速度信号检测准确性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种MOEMS二分量加速度传感器，包括：
硅基振动敏感结构，其包括硅微质量块，硅微质量块的四个端点分别与一梯形结构的蛇形悬臂梁相连；硅微质量块的四个端点在同一平面内且构成的两条斜对角线相互垂直；
光子晶体波导结构，其设置在硅微质量块的顶端，且与硅微质量块不接触；光子晶体波导结构的输入端与光源相连，输出端与信号解调模块相连；
移动硅基部件，其一端位于光子晶体波导结构的中间空气介质层的中心位置，另一端连接在硅微质量块的顶端中心位置；在外界二分量加速度作用下，梯形结构的蛇形悬臂梁使得硅微质量块带动移动硅基部件同时沿水平方向和垂直方向振动，进而同时改变透射光信号的波长和光强，再由信号解调模块解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
本公开的第二个方面提供一种MOEMS二分量加速度传感器的工作方法。
一种MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，包括：
由光源发出的光信号进入光子晶体波导结构；
当MOEMS二分量加速度传感器受到外界二分量加速度时，梯形结构的蛇形悬臂梁保证硅微质量块同时沿水平方向和垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层同时沿水平方向和垂直方向运动，进而导致透射光信号的波长和光强同时线性变化；
信号解调模块接收波长和光强发生变化的透射光信号，分别解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
所述的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，还包括：
当外界二分量加速度的水平加速度为0时，硅微质量块沿垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿垂直方向运动，进而导致透射信号的光强随垂直加速度值变化发生线性变化；
信号解调模块接收光强发生变化的透射光信号，解调出垂直方向加速度信号。
所述的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，还包括：
当外界二分量加速度的垂直加速度为0时，硅微质量块沿水平方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿水平方向运动，进而导致透射信号的波长随水平加速度值变化发生线性变化；
信号解调模块接收波长发生变化的透射光信号，解调出水平方向加速度信号。
本公开的第三方面提供一种测量系统。
一种测量系统，其包括上述所述的MOEMS二分量加速度传感器。
本公开的有益效果是：
(1)本公开利用梯形结构蛇形悬臂梁可保证硅微质量块随外界二分量加速度变化同时沿水平和垂直这两个方向振动，由信号解调模块同时解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
(2)本公开的MOEMS二分量加速度传感器包括硅基振动敏感结构、光子晶体波导结构和移动硅基部件，采用全光信号设计，抗电磁干扰能力强，可靠性高。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的MOEMS二分量加速传感器的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的第一夹具正视图；
图3为本公开实施例提供的在垂直敏感方向上传感器时域曲线；
图4为本公开实施例提供的在水平敏感方向上传感器时域曲线；
其中，1-1.内层壳体，1-2.外层壳体，2.硅基振动敏感结构，3.光子晶体波导结构，4.移动硅基部件，5-1.第一传输光纤，5-2.第二传输光纤，6.梯形结构的蛇形悬臂梁，7-1.第一夹具，7-2.第二夹具，8.硅微质量块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
如图1所示，本实施例的一种MOEMS二分量加速传感器包括：硅基振动敏感结构2、光子晶体波导结构3和移动硅基部件4；
MOEMS二分量加速度传感器还包括内层壳体1-1；所述内层壳体1-1外侧还设有外层壳体1-2，所述光子晶体波导结构3设置在内层壳体1-1和外层壳体1-2之间，且内层壳体1-1上还设有开孔，所述移动硅基部件4穿设在开孔内。
在具体实施中，本实施例的MOEMS二分量加速度传感器采用SOI材料，使用刻蚀和腐蚀的加工工艺，传感器整体结构封装在内层壳体和外层壳体共同构成的传感器外壳中，高度集成化。
在具体实施中，硅基振动敏感结构2包括硅微质量块8和梯形结构的蛇形悬臂梁6，梯形结构的蛇形悬臂梁6一端附于硅微质量块8，另一端附于内层壳体1-1。
作为一种实施方式，梯形结构的蛇形悬臂梁的拐角处为圆形倒角。
需要说明的是，在其他实施例中，梯形结构的蛇形悬臂梁的拐角处也可为直角，本领域技术人员可根据实际情况来具体设定。
其中，硅微质量块指的是材料为硅微材料对质量块，硅微质量块的结构形式可有多种形式，例如立方体、圆柱体等。
在外界二分量加速度作用下，梯形结构的蛇形悬臂梁能够保证硅微质量块同时沿水平方向和垂直方向振动，其原理为：
由梯形结构的蛇形悬臂梁和硅微质量块构成的结构等效为两个相互垂直的二阶质量-弹簧-阻尼系统，对于每一个敏感方向，可以用二阶微分方程表示：
Figure BDA0002201233990000061
其中M为硅微质量块的敏感质量；b为阻尼系数；k为梁弹性系数；x为敏感方向的位移；a为敏感方向的外加加速度。
对上述二阶微分方程进行拉普拉斯变换，得到a与x的传递函数：
Figure BDA0002201233990000062
其中：
Figure BDA0002201233990000063
由传递函数可知，可以用位移量作为加速度的间接度量。
当MOEMS二分量加速传感器处于常加速度下的稳态时，位移趋于固定值：
由于MOEMS二分量加速传感器在水平面上是全对称结构，因此在水平面的x轴和y轴方向，具有相同的敏感质量、阻尼系数和梁弹性系数。MOEMS二分量加速传感器的此种结构能够保证硅微质量块随外界二分量加速度变化同时沿两个方向振动。通过有限元分析，得到一阶模态的敏感方向为x轴，二阶模态的敏感方向为y轴，且一阶与二阶模态的谐振频率相同。
在具体实施中，光子晶体波导结构3为奇数层介质周期性带隙结构，由硅介质和空气介质构成的一维光子晶体波导，光子晶体波导结构3固定于硅微质量块8顶端其输入端耦合第一传输光纤5-1与光源连接，输出端耦合第二传输光纤5-2与信号解调模块连接。
光子晶体波导结构的介质层数可为三层、五层、七层等，优选地，光子晶体波导结构为五层时，光子晶体波导结构的信号传输能力最强。
具体地，第一夹具7-1和第二夹具7-2位于光子晶体波导结构3两端。如图2所示，第一夹具和第二夹具硅的结构相同，均是有硅材料制成，而且一侧带有锯齿结构，第一夹具7-1和第二夹具7-2用于分别压实第一传输光纤5-1和第二传输光纤5-2与光子晶体波导结构3耦合固定，保证了光信号的有效传输。
在具体实施中，硅微质量块8的顶端中心位置连接有移动硅基部件4，移动硅基部件4为长方体结构，移动硅基部件4顶端位于光子晶体波导结构3中间空气介质层的中心位置。
其中，长方体结构的移动硅基部件才能保证传感器加速度测量的线性关系
具体地，移动硅基部件采用硅材料制成。
具体地，光源可采用宽带光源来实现，其中，宽带光源指的是频段可覆盖C+L波段的高功率稳定光源。
在具体实施中，信号解调模块可采用可调谐激光光源解调方法或可调谐F-P解调方法等波长解调技术，用于同时获取光强与波长两个参数。这类解调技术是常规的解调办法，所设计的传感器采用常规的解调办法，无需特殊的解调方法，通用性好。
在不同方向加速度下对该传感器进行性能测试，在垂直敏感方向上，图3为传感器在500Hz时所得时域曲线，图3横坐标时间T(ms)，纵坐标透射率(％)。
在水平敏感方向上，图4为传感器在500Hz时所得时域曲线，图4横坐标时间T(ms)，纵坐标波长(nm)。
本实施例的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，包括：
由光源发出的光信号进入光子晶体波导结构；
当MOEMS二分量加速度传感器受到外界二分量加速度时，梯形结构的蛇形悬臂梁保证硅微质量块同时沿水平方向和垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层同时沿水平方向和垂直方向运动，进而导致透射光信号的波长和光强随加速度变化同时线性变化；
信号解调模块接收波长和光强发生变化的透射光信号，解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
作为另一实施方式，MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，还包括：
当外界二分量加速度的水平加速度为0时，硅微质量块沿垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿垂直方向运动，进而导致透射光信号的光强随垂直加速度变化而线性变化；
信号解调模块接收光强发生变化的透射光信号，解调出垂直方向加速度信号。
作为另一实施方式，MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，还包括：
当外界二分量加速度的垂直加速度为0时，硅微质量块沿水平方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿水平方向运动，进而导致透射光信号的波长随水平加速度变化而线性变化；
信号解调模块接收波长发生变化的透射光信号，解调出水平方向加速度信号。
实施例二
本实施例还提供了一种测量系统，其包括如图1所示的MOEMS二分量加速度传感器。
本实施例的测量系统可用于同时测量水平方向和垂直方向的加速度；
当只存在一个方向振动时，本实施例的测量系统也可用于测量单一方向的加速度。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，包括：
硅基振动敏感结构，其包括硅微质量块，硅微质量块的四个端点分别与一梯形结构的蛇形悬臂梁相连；硅微质量块的四个端点在同一平面内且构成的两条斜对角线相互垂直；
光子晶体波导结构，其设置在硅微质量块的顶端，且与硅微质量块不接触；光子晶体波导结构的输入端与光源相连，输出端与信号解调模块相连；
移动硅基部件，其一端位于光子晶体波导结构的中间空气介质层的中心位置，另一端连接在硅微质量块的顶端中心位置；在外界二分量加速度作用下，梯形结构的蛇形悬臂梁使得硅微质量块带动移动硅基部件同时沿水平方向和垂直方向振动，进而同时改变透射光信号的波长和光强，再由信号解调模块解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
2.如权利要求1所述的MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，所述MOEMS二分量加速度传感器还包括内层壳体，所述梯形结构的蛇形悬臂梁的另一端连接至内层壳体的转角处。
3.如权利要求2所述的MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，所述内层壳体外侧还设有外层壳体，所述光子晶体波导结构设置在内层壳体和外层壳体之间，且内层壳体上还设有开孔，所述移动硅基部件穿设在开孔内。
4.如权利要求1所述的MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，所述梯形结构的蛇形悬臂梁的拐角处为圆形倒角；
或
所述光子晶体波导结构为具有奇数层介质周期性带隙结构，且中间层为空气介质层。
5.如权利要求1所述的MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，光子晶体波导结构的输入端耦合第一传输光纤，第一传输光纤与宽带光源连接；输出端耦合第二传输光纤，第二传输光纤与信号解调模块连接。
6.如权利要求5所述的MOEMS二分量加速度传感器，其特征在于，光子晶体波导结构的输入端与第一传输光纤之间通过第一夹具耦合固定；输出端与第二传输光纤之间通过第二夹具耦合固定。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，其特征在于，包括：
由光源发出的光信号进入光子晶体波导结构；
当MOEMS二分量加速度传感器受到外界二分量加速度时，梯形结构的蛇形悬臂梁保证硅微质量块同时沿水平方向和垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层同时沿水平方向和垂直方向运动，进而导致透射光信号的波长和光强同时线性变化；
信号解调模块接收波长和光强发生变化的透射光信号，分别解调出水平方向和垂直方向的加速度信号。
8.如权利要求7所述的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，其特征在于，还包括：
当外界二分量加速度的水平加速度为0时，硅微质量块沿垂直方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿垂直方向运动，进而导致透射信号的光强随垂直加速度值变化发生线性变化；
信号解调模块接收光强发生变化的透射光信号，解调出垂直方向加速度信号。
9.如权利要求7所述的MOEMS二分量加速度传感器的工作方法，其特征在于，还包括：
当外界二分量加速度的垂直加速度为0时，硅微质量块沿水平方向运动；
硅微质量块带动移动硅基部件在光子晶体波导结构的中间空气介质层沿水平方向运动，进而导致透射信号的波长随水平加速度值变化发生线性变化；
信号解调模块接收波长发生变化的透射光信号，解调出水平方向加速度信号。
10.一种测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的MOEMS二分量加速度传感器。
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