CN111089844A - 一种用于微机电系统监测的光纤探针 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种用于微机电系统监测的光纤探针。其特征是：它由单模光纤1，大芯径渐变折射率光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，光源6，三端口环形器7，光功率计8，计算机9组成。本发明可用于微机电系统的便携、非接触式无损监测，可广泛用于光纤传感等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种用于微机电系统监测的光纤探针，可用于微机电系统等微小芯片工作时的实时、非接触式无损监测，属于光纤传感技术领域。
背景技术
微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。
微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。 MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业。
不同的环境条件对微机电系统会产生不同的影响，例如湿度过高会导致氧化物的生长、压力过大会导致芯片断裂、灰尘或其他设备中的微粒、灰尘等会使微机电系统功能退化。所以许多用到MEMS的设备，例如武装设备、医疗设备甚至航天设备，需要一直监测其在其生命周期内的运行状态。目前的监测方法主要是电学监测和光学检测。
2016年，汤光敏等人提出了一种元器件饱和电流的测量方法和测量系统，申请号为201610642042.4。该量测方法包括提供一探针台,所述探针台包括吸附卡盘电学监测仪以及多根探针；将一元器件放置于所述吸附卡盘上且与所述电学监测仪电连接；所述探针台利用第一探针在所述元器件的栅极端施加一固定电压，并利用第二探针和第三探针在所述元器件的沟道两端施加可变电流；以及利用所述电学监测仪，对所述沟道两端的可变电流进行监测。
2015年，陈小青等人提出了一种用于器件光学和电学测量以及真空监测的集成设备。该集成设备的主体为一气闭壳体，在壳体上安装气体止回阀、电学测试探针、透明窗和负压表等。借助手套箱的过渡仓或真空泵对器件进行有效地真空储存；持在真空环境下的器件可以轻便运输；同时安装在壳体上的电学测试探针和透明窗允许对内部储存的器件进行真空光学和电学测试；通过负压表可以实时监测壳体内部的气压状况。
电学监测可以是电容性的，也可以是压阻性的，其优势在于CMOS工艺中已经相当成熟。其缺点之一是信噪比问题，对于监测MEMS器件而言，驱动所需的电压相对于从器件运动中接收到的电容性信号来说比值较大。氧化层的充电效应也可能改变器件的状态。
光学监控的优点是与系统的驱动信号完全解耦，消除了设备驱动电压信号的干扰。光学监测方法包括光在透射或反射过程中与微结构相互作用的方法。此外，光功率可以通过波导或自由空间传输。但目前的利用光学监测方法大多都是利用分散的光学元件结合而成，集成度低，调试困难。
本发明公开了一种用于微机电系统监测的光纤探针。利用飞秒激光微加工技术在大芯径渐变折射率光纤的一端雕刻二元菲涅尔透镜，大芯径渐变折射率的另一端焊接一段单模光纤。光源发出的光进入环形器的1#端口，通过光纤传输至二元菲涅尔透镜。将被测物体放于空间轴向位置，通过二元菲涅尔透镜的光汇聚在待测器件表面，光束在物体表面发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入环形器，从环形器的3#端口输入至光功率计，光功率计的数据传至计算机，进行实时监测。与在先技术相比，将二元菲涅尔透镜集成到光纤端，透镜尺寸进一步缩小，集成度进一步提高且解决了光纤与透镜对准问题，使用方便。由于光纤环形器的使用，消除了反馈回光源的信号，提高了光源的稳定性，同时增强了光源功率的利用率，能够使光源发出的光全部得到利用，也进一步提高了传感系统的复用能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易操作、集成度高的微机电系统监测的光纤探针。
本发明的目的是这样实现的：
该微小间距测量系统是由单模光纤1，大芯径渐变折射率光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，光源6，三端口环形器7，光功率计8，计算机 9组成。所述的系统中光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，环形器2#端口输出光信号通过单模光纤1和大芯径渐变折射率光纤2进入二元菲涅尔透镜3。由于二元菲涅尔透镜3入射光有沿轴向色散的作用，所以，光束通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成一点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3下的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光功率计8接收。光功率计8接收到的光谱可传至计算机9监测处理。
微机电系统内部故障会导致透射光和反射光的比例，所以根据反射光的光功率变化可以监测微机电系统的工作情况。
所述的单模光纤1为普通单模光纤，包层外径为125μm，纤芯直径为9 μm。所述的大芯径渐变折射率光纤2的包层外径为125μm，纤芯直径为110μm。
将大芯径渐变折射率光纤2进行拉锥，在直径9μm处切割，然后与单模光纤1焊接，以便收集更多的反射光。
对于渐变折射率光纤，光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光折射线，引导光波沿纤芯向前传播。而且由于光纤折射率中心最高，沿径向递减，光束在光纤中传播，可以自动聚焦而不发生色散。如果光纤无长，纤芯就会出现无数个振荡周期。
在此发明专利中二元菲涅尔透镜3的直径与大芯径多模渐变折射率光纤 2的纤芯直径近似相等，为了尽可能的使整个透镜都有入射光照到，大芯径多模渐变折射率光纤2的长度，优选的，取T/4的奇数倍，其中T为截距。
大芯径渐变折射率光纤2的长度为Lμm，优选的，L为2400。
大芯径多模渐变折射率光纤2也可以是无芯光纤。
利用飞秒激光加工微加工系统在大芯径渐变折射率光纤2端加工二元菲涅尔透镜3。二元菲涅尔透镜3的波带半径r由菲涅尔方程确定，相邻波带的光程差为λ，由几何光学知识，可以得到第n波带的半径为：
其中，f0是对应于第一衍射级次的主焦距，λ0是设计波长。
当f0＞＞λ0时，则第n波带的半径近似为：
故第n个环带半径rn为：
系统中采用的设计波长λ0为488nm，焦距f0为600μm。
二元菲涅尔透镜3的半径rn，其中n为10，r1至r10的值(单位：μm)分别为：17.11、24.2、29.64、34.22、38.26、41.91、45.27、48.4、51.33、54.11。
二元菲涅尔透镜3的制作：在偶数环带上利用飞秒激光微加工系统刻蚀深度为dμm的环形槽，使之与奇数半波带产生π的相位差，优选的，d为0.56。
二元菲涅尔透镜3也可以是二元达曼光栅、闪耀光栅或阵列光栅。
附图说明
图1是一种用于微机电系统监测的光纤探针的结构示意图。由单模光纤 1，大芯径渐变折射率光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源 6，三端口环形器7，光功率计8，计算机9组成。
图2是一种用于微机电系统监测的光纤探针的光纤及透镜部分示意图。其中1是单模光纤，101是纤芯，102是包层，2是大芯径渐变折射率光纤，201 是多模光纤的锥区，与单模光纤焊接，202是多模光纤的包层，203是多模光纤的纤芯，3是二元菲涅尔透镜，集成在大芯径渐变折射率光纤2的纤芯端。
图3是一种用于微机电系统监测的光纤探针的大芯径渐变折射率光纤2 的传光示意图。301是入射光线，302是出射光线。
图4是一种用于微机电系统监测的光纤探针的二元菲涅尔透镜3聚光示意图。3是二元菲涅尔透镜，401是入射光线，402是待测物。
图5是一种用于微机电系统监测的光纤探针的单模光纤纤芯端二元菲涅尔透镜立体图。其中203是多模光纤的纤芯，R1是第一个环带半径，R10为第10 个环带半径。
图6是一种用于微机电系统监测的光纤探针的单模光纤与多模光纤焊接过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
单模光纤1与大芯径渐变折射率光纤2焊接步骤如下：
制备步骤如图5所示：
步骤1：将对称大芯径渐变折射率光纤2插入合适的石英毛细管601内，使用氢氧焰602生成高温区，使石英毛细管601软化，实现熔融拉锥，石英毛细管601变细，在锥腰处的纤芯直径减小至和单模光纤1相等，内部的大芯径渐变折射率光纤2的纤芯直径减小至9-10微米，和单模光纤1纤芯相同；
步骤2：在步骤1拉制得到的锥体，使用切割刀603在锥腰处切割；
步骤3：将步骤2中切割得到的锥体与单模光纤1对准，采用电极604产生的高温区进行二者的熔接，完成单模光纤1与大芯径渐变折射率光纤2的焊接。
大芯径渐变折射率光纤2纤芯端二元菲涅尔透镜3的加工步骤：
步骤1：将大芯径渐变折射率光纤2的一端切割平整，然后将光纤放入飞秒微加工系统的位移台上；
步骤2：设置频率为60KHz，功率为4mW，选择20×，数值孔径0.4的物镜，使飞秒激光通过显微物镜聚焦到光纤端表面；
步骤3：在自己编写的上位机软件上画出图形并生成可执行代码，并执行代码。执行完成后光纤端有两个部分，一部分为未改性的部分，另一部分为改性后的部分；
步骤4：将利用飞秒激光扫描加工后的样品置于浓度5％的氢氟酸溶液，超声波清洗机辅助腐蚀，腐蚀约30min。
系统连接方式：将光源6与三端口环形器7的1#口连接，三端口环形器 7的2#口与单模光纤1连接，三端口环形器7的3#口与光功率计8连接，光功率计8与计算机9连接。
系统工作方式：光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，三端口环形器7的2#端口输出光信号通过单模光纤1和大芯径渐变折射率光纤2 进入二元菲涅尔透镜3。光束通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成一点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3下的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光功率计8 接收。光功率计8接收到的光谱可传至计算机9监测。微机电系统内部故障会导致透射光和反射光的比例，所以根据反射光的光功率变化可以监测微机电系统的工作情况。
Claims (5)
1.一种用于微机电系统监测的光纤探针，其特征是：它由单模光纤1，大芯径渐变折射率光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，光源6，三端口环形器7，光功率计8，计算机9组成。所述的系统中光源6发出的光由环形器1#端口进入三端口环形器7，环形器2#端口输出光信号通过单模光纤1和大芯径渐变折射率光纤2进入二元菲涅尔透镜3。由于二元菲涅尔透镜3入射光有沿轴向色散的作用，光束通过二元菲涅尔透镜3会在透镜后的光轴处会聚成点。将被测物体4放在二元菲涅尔透镜3下的空间轴向位置，被测物体4可以通过位移台5改变其位置。光束照到被测物体4表面时会发生反射，被反射的信号经环形器2#端口进入三端口环形器7，从环形器3#端口输出，并由光功率计8接收。光功率计8接收到的数据传至计算机9监测处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于微机电系统监测的光纤探针，其特征是，大芯径渐变折射率光纤2也可以是无芯光纤。
3.根据权利要求1所述的一种用于微机电系统监测的光纤探针，其特征是，二元菲涅尔透镜3也可以是二元达曼光栅、闪耀光栅或阵列光栅。
4.根据权利要求1所述的一种用于微机电系统监测的光纤探针，其特征是，二元菲涅尔透镜3由飞秒激光微加工系统在大芯径渐变折射率光纤2纤芯端加工而成。
5.根据权利要求1所述的一种用于微机电系统监测的光纤探针，其特征是，二元菲涅尔透镜3的偶数环带刻蚀深度为0.56μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200501 |