ES2262837T3 - Sensor optico de desplazamiento. - Google Patents

Abstract

Sensor óptico de desplazamiento, que comprende dos superficies básicamente planas (1, 2) provistas sobre partes de elemento respectivas (3, 4) estando separadas por una cavidad que está definida por un separador (5), siendo variable la distancia (d) entre las superficies (1, 2), proporcionando así un interferómetro de Fabry- Perot sensible al desplazamiento, en el que ambas dichas superficies (1, 2) son al menos parcialmente reflectantes, y estando provista dicha primera superficie (1) de al menos un detector óptico (7) y estando fabricada una de dichas partes de elemento (3, 4) de un material al menos parcialmente transparente, comprendiendo igualmente el sensor una fuente de luz básicamente monocromática y básicamente en forma de punto (6) dirigida hacia dichas superficies (1, 2), estando sujeta dicha fuente de luz (6) a un armazón rígido (9) que mantiene una distancia predeterminada con respecto al interferómetro de Fabry-Perot, y medios para proporcionar adición en fase de la luz emitida sobre la superficie de dicho al menos un detector.

Description

Sensor óptico de desplazamiento.

Esta invención se refiere a un elemento sensor óptico de desplazamiento, por ejemplo para el uso en un sensor de presión o un micrófono, que comprende dos superficies planas que están separadas por una cavidad definida por un separador, siendo variable la distancia entre las superficies en función de la fluctuación de la presión en el entorno con respecto a la presión en la cavidad.

Hasta hace poco tiempo, los sensores de desplazamiento tales como micrófonos han estado basados en estructuras de condensadores y mediciones de impedancia. Esto tiene cierto número de desventajas relacionadas con la sensibilidad, polarización de alta tensión, aislamiento entre capas, alineamiento y posicionamiento de membrana con relación un electrodo posterior, elevadas exigencias para preamplificadores, y respuesta no lineal, dando todas como resultado soluciones costosas y complicadas.

Los sensores ópticos de desplazamiento son aptos para resolver muchos de los principales problemas que padecen los sensores capacitivos. No existen problemas con una polarización o una necesidad de aislamiento eléctrico. Los sensores interferométricos son capaces de lograr una sensibilidad igual o mejor que los sensores de desplazamiento capacitivos con menos exigencia de electrónica pero, hasta ahora, estas soluciones han sido relativamente costosas, dado que no se ha resuelto el problema de alineamiento y posicionamiento.

Se han descrito sensores ópticos de desplazamiento en cierto número de publicaciones, tales como Nikolai Bilaniuk: "Optical Microphone Transduction Techniques" en Applied Acoustics, vol. 50, Nº 1, pp. 35-63, 1997, Dennis S. Greywall: "Micromachined optical-interference microphone", en Sensors and Actuators 75 (1999, 257-268, y David Keating: "Optical Microphones" en Microphone Engineering, editado por Michael Gayford, Oxford Boston Focal Press 1994. Estas publicaciones describen cierto número de diferentes tipos de micrófono óptico, y entre ellos, soluciones basadas en interferómetros de Fabry-Perot.

Otros sensores de Fabry-Perot están descritos en la patente estadounidense 5.909.280, la patente estadounidense 5.128.537 y la solicitud de patente internacional WO87/02470.

El documento US5.909.280 describe un espectrómetro que comprende un detector integrado en un sustrato de silicio por debajo de uno de los espejos de Fabry-Perot, mientras que el segundo espejo está montado sobre una estructura de resorte. La distancia entre los espejos se ajusta electrostáticamente. La luz que ha de consultarse se proporciona a través de un guíaondas óptico.

Los documentos US5.128.537 y WO87/02470 muestran, respectivamente, sensores de presión e interferómetros, de Fabry-Perot, con detectores externos y fuentes de luz.

El documento CH681.047 A5 describe un sistema de medición, especialmente para mediciones de presión, que comprende dos interferómetros de Fabry-Perot, estando acoplado el primero de ellos a una cavidad en la que ha de medirse la presión, así como una fuente de luz y una fibra óptica destinada a transferir la salida desde el primer al segundo interferómetro de Fabry-Perot. Las superficies reflectantes en el segundo interferómetro están situadas en un material transparente y un material silicioso, respectivamente, estando provisto igualmente dicho material silicioso de un detector. Esta solución es complicada y, así, verdaderamente costosa.

Los micrófonos basados en interferómetros de Fabry-Perot generalmente son difíciles de alinear, ya que debe alinearse correctamente la óptica con respecto al interferómetro, y las dos superficies que forman la cavidad de Fabry-Perot deben ser paralelas entre sí. Este problema se menciona en el artículo de Keating, pero solamente como un problema de poca importancia, ya que otros problemas relacionados con otros tipos de micrófono se consideran más difíciles de tratar que los problemas relacionados con el interferómetro de Fabry-Perot.

La necesidad de un alineamiento de alta precisión de la cavidad reduce las posibilidades de producir micrófonos a bajo precio que sean capaces de competir con los micrófonos corrientes.

Los problemas de alineamiento se usan como una característica ventajosa en el micrófono descrito en el documento US6.055.080. Sin embargo, esta solución sigue siendo una solución complicada y costosa. Esta invención tiene por objeto el proporcionar un elemento y dispositivo sensor óptico que reduce los problemas de alineamiento mencionados anteriormente mediante la implementación del detector en una de las superficies de Fabry-Perot, además de aprovechar el alineamiento inherente al procedimiento de unión de oblea.

Esta invención tiene igualmente por objeto el mejorar la solución desvelada en el artículo mencionado anteriormente proporcionando un elemento sensor óptico destinado a la medición de fluctuaciones de la presión, señales acústicas o similares sin requerir un alineamiento individual de la óptica o circuitos electrónicos complicados. También es fácil de fabricar en cantidades importantes sin necesidad de costosos alineamientos de precisión de alguna parte óptica.

Estos objetos se obtienen con un elemento y dispositivo sensor tal y como se ha descrito anteriormente, en el que dichas ambas superficies son al menos parcialmente reflectantes, y estando provista dicha primera superficie de al menos un detector óptico, y estando provista dicha segunda superficie sobre un material al menos parcialmente transparente, comprendiendo igualmente el sensor una fuente de luz básicamente monocromática y básicamente en forma de punto dirigida hacia dichas partes, estando sujeta dicha fuente de luz a un armazón rígido que mantiene una distancia predeterminada con respecto al interferómetro de Fabry-Perot, y medios para proporcionar adición en fase de la luz emitida sobre la superficie de dicho al menos un detector.

La expresión "adición en fase" en este documento hace referencia a una interferencia sobre la superficie del sensor ya sea proporcionada colimando un frente de onda básicamente coherente de manera que provoque cualquier nivel de interferencia constructiva o destructiva sobre toda la superficie del detector, ya sea proporcionando un detector en forma de anillo. Una fuente en forma de punto que emite frentes de onda básicamente coherentes, esféricos dará como resultado un patrón de interferencia circular el detector, así, la adición en fase sobre los detectores es proporcionada por un número de detectores en forma de anillos concéntricos.

Más específicamente, la invención se caracteriza tal y como se presenta en las reivindicaciones independientes que se adjuntan.

A continuación se describirá con más detalle la invención, haciendo referencia a los dibujos que se adjuntan, que ilustran la invención a modo de ejemplo.

La Figura 1 ilustra un interferómetro de Fabry-Perot simplificado.

La Figura 2 ilustra la intensidad transmitida T sobre el eje óptico del sensor para diferentes valores de la finura F en función de la distancia en la cavidad d.

La Figura 3 ilustra la sección transversal de un sensor según la invención.

La Figura 4 ilustra una forma de realización alternativa del sensor.

La Figura 5 ilustra esquemáticamente otra forma de realización alternativa del sensor junto con la intensidad transmitida calculada T para tres distancias en la cavidad diferentes (10\lambda, 10\lambda+\lambda/8, 10\lambda+\lambda/4) en función del ángulo de incidencia \theta.

La Figura 6 ilustra un ejemplo de un detector que está formado por cierto número de anillos concéntricos de detectores.

La Figura 7 ilustra un detector y cuatro orificios pasantes destinados a regular el efecto de película prensada.

La Figura 8 ilustra una forma de realización de la invención que usa un control por retroalimentación forzada de la posición de las superficies según la invención.

Los elementos del interferómetro de Fabry-Perot están ilustrados en la Figura 1. Éste comprende dos superficies paralelas planas (1 y 2), con frecuencia recubiertas para obtener una reflectividad elegida, separadas por una distancia separadora d para formar una cavidad. Una fuente de luz colimada suficientemente monocroma y coherente (6) está dirigida hacia la cavidad, y la luz transmitida a través de la cavidad es recogida por un detector (no mostrado). Cuando varía la distancia en la cavidad, la intensidad de la luz transmitida varía debido a la interferencia constructiva y destructiva entre las superficies de la cavidad. La intensidad sobre un detector situado sobre el lado opuesto con respecto a la fuente de luz varía de acuerdo con

(1)T = Tmax/(1 +(2F/\pi)^{2}sin^{2} \ (2\pi d/\lambda))

donde F es la finura del interferómetro, una medida de la reflectividad de las superficies de la cavidad, y \lambda es la longitud de onda óptica (Born & Wolf "Principles of optics, electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light"). Si la finura es igual a uno (superficies de reflectividad baja), la distancia en la cavidad óptima es

(2)d = \lambda /8 + m \lambda 4 + n \lambda; \hskip0.5cm m,n = 0,1,2,...

donde se obtiene la mayor linealidad. Si aumenta la finura, la distancia óptima es

(3)d = m \lambda /2 \pm \Delta; \hskip0.5cm m = 0,1,2, ..., \Delta \in 0... \lambda /8

\Delta es próximo a o puede ser básicamente igual a max(/\partial(T)/\partial(d)/), donde T es la intensidad transmitida según se ha definido en la ecuación 1 y d es la distancia en la cavidad. La Figura 2 muestra la intensidad transmitida en función de la distancia en la cavidad en el intervalo de \lambda a 2\lambda, para una finura = 1, 10 y 100.

\newpage

La presente invención está basada en el interferómetro de Fabry-Perot y reduce los problemas de alineamiento mencionados anteriormente mediante la implementación del detector en una de las superficies de Fabry-Perot, además de aprovechar el alineamiento inherente al procedimiento de unión de las obleas. En la Figura 3 está ilustrada una forma de realización preferida de la invención. La primera parte 3 del elemento sensor está hecha preferentemente de silicio y uniones PN constituyen el detector o detectores 7. Las técnicas para producir este tipo de detector son bien conocidas y no se describirán con detalle alguno en este documento. Pueden usarse uno o más orificios 10 para asegurar el equilibrio de presiones en aplicaciones como un micrófono. La primera superficie 1 de la cavidad de Fabry-Perot es la superficie detectora. La segunda superficie 2 está fabricada de un material flexible parcialmente reflectante y transparente 4, por ejemplo nitruro de silicio, y está asegurada sobre un armazón rígido 9, fabricado de, por ejemplo, silicio.

De acuerdo con una forma de realización preferida de la invención, el detector 7 está provisto de un área superficial importante, reduciéndose así la necesidad de un alineamiento exacto del sensor.

Un separador 5 define una cavidad entre las superficies 1, 2 y separa las dos partes de elemento 3, 4. El separador puede ser una parte distinta o estar formado por una parte de la primera o segunda partes del elemento.

En la Figura 3 se ilustra también una fuente de luz en forma de punto 6, por ejemplo un diodo electroluminiscente (LED) o un láser, y una lente 8, por ejemplo una lente de plástico moldeado, destinada a colimar la luz. La fuente de luz y la lente están sujetas al armazón rígido 9, manteniendo así una distancia predeterminada entre la lente y el interferómetro de Fabry-Perot. La luz procedente de la fuente 6 es colimada por la lente 8 para proporcionar un frente de onda plano a través del Fabry-Perot al detector. Así, las condiciones de interferencia serán básicamente iguales por toda la superficie detectora, siendo la intensidad medida, como resultado, una suma sobre todo el detector 7.

En otra forma de realización de la invención, ilustrada en la Figura 4, se implementa la unión pn 7 en la propia membrana 4. La parte inferior 3 del elemento puede estar fabricada de silicio y el detector puede estar integrado en una membrana delgada de silicio. La parte superior 9 del elemento está fabricada de un material transmisor, por ejemplo Pirex, y puede recubrirse la superficie parcialmente reflectante y transmisora 2 para obtener una reflectividad más elevada.

De acuerdo con otra forma de realización de la invención, el detector está situado sobre la parte transparente del elemento, por ejemplo haciendo suficientemente delgados la parte transparente y el detector, posibilitando así que la superficie reflectante esté situada sobre un material no transparente.

Otra forma de realización más de la invención está ilustrada esquemáticamente en la Figura 5, en la que se usa una fuente de luz no colimada (divergente) en lugar de una fuente de luz colimada. Esto elimina la necesidad de óptica de colimación. La luz procedente de esta fuente transmitida a través del interferómetro de Fabry-Perot formará un patrón de anillos descrito por la función de Airy. La anchura del patrón de Airy depende de la distancia entre las superficies reflectantes, la distancia hasta la fuente de luz y la longitud de onda de la luz.

A medida que varía la distancia en la cavidad, varía la repartición de la intensidad sobre el patrón. Según un ángulo de incidencia de la luz \theta con respecto al eje óptico, la distancia en la cavidad vista por la luz transmitida corresponde a

(4)d' = d/cos\theta

La intensidad transmitida es una función periódica de la distancia en la cavidad d, con un periodo \lambda/2. Implementando un detector en anillos en la superficie 1 con varios anillos, el sensor se vuelve menos sensible al grosor del separador, ya que se mide un buen contraste de señales sobre al menos uno de los anillos de detectores. Un ejemplo de un detector en anillos es AE9430 de AME. Si dividimos el detector en anillos suficientemente delgados, siempre conseguiremos cubrir una distancia en la cavidad en la que la intensidad varía linealmente (para F = l, esto corresponde a una d como en 2). La estructura anular debería cubrir una amplitud angular de 0...\theta, donde \theta se define como

(5)cos\theta = d/(d+\lambda /4)

Con una distancia en la cavidad d = 10\lambda => \theta = 12,7º. Con un radio de detector de 1 mm; esto corresponde a una distancia a la fuente de

(6)tan(acos(d/(d+\lambda /4))) = r/(d+h)

donde r es el radio del detector y h es la distancia entre la superficie 2 de cavidad y la fuente de luz 6 (véanse las Figuras 1 y 5). Esto es una distancia a la fuente de 4,4 mm (no se tiene en cuenta la distancia en la cavidad d). Para conservar la linealidad, los anillos no deberían cubrir una amplitud angular de más de \lambda/16. Con un detector en anillos tal, el rendimiento del sensor se vuelve mucho menos sensible a la distancia en la cavidad. Un ejemplo de una estructura de detector en anillos está mostrado en la Figura 6, en la que el área total de cada anillo es sustancialmente la
misma.

La estructura de fuente y detector también hace posible llevar a cabo mediciones diferenciales, eliminando así la deriva en la fuente de luz. Si registramos, en dos anillos diferentes, una señal variable linealmente con respecto al desplazamiento de la membrana \Delta como está descrito anteriormente, pueden usarse estas señales para compensar la deriva en la fuente de luz de acuerdo con

(7)\frac{signal1-signal2}{signal1+signal2} \sim \Delta

De acuerdo con una forma de realización de la invención que es relativamente independiente de la elección de la fuente de luz, se usa un número relativamente importante de anillos delgados, para poder ser flexibles en la elección de la fuente de luz y la distancia en la cavidad. Si fuera necesario, pueden sumarse señales procedentes de dos o varios anillos. En algunos casos, por ejemplo al probar con luz colimada, pueden añadirse todas las señales y el detector en anillos funciona como un único detector. En otra forma de realización de la invención, se conserva constante el área de cada anillo, a fin de lograr una intensidad óptica máxima obtenible igual en cada detector.

La Figura 5 ilustra el modo en que cambia el patrón de interferencia en función del ángulo con tres separadores de diferente grosor. Con cada separador existe un número de ángulo óptimo de incidencia sobre el detector que corresponde a una distancia en la cavidad modificada d' como en la Figura 5.

Una forma de realización práctica de este sensor puede tener las siguientes dimensiones, si se usa como sensor de presión o micrófono: La cavidad de Fabry-Perot se modela con una capa semiinfinita de aire (n = l), una capa de 0,5 \mum de espesor de nitruro de silicio (n = 2), un intervalo de aire (de grosor variable en torno a 10 \lambda) y una capa semiinfinita de Si (n = 3,68). Las fórmulas de Fresnel se usan para calcular la intensidad de luz transmitida (véase, por ejemplo, Born & Wolf "Principles of optics, electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light"). La finura del Fabry-Perot está, en este caso, en el intervalo de 2-8, pero puede aumentarse recubriendo las superficies de la cavidad.

Un ejemplo de esto adaptado para el uso como micrófono está mostrado en la Figura 7, que ilustra una alternativa al elemento sensor ilustrado en la Figura 3. En la Figura 7, la parte inferior 3 está provista de orificios pasantes de grandes dimensiones 12 para reducir las limitaciones de frecuencia provocadas por el denominado efecto de película prensada.

Hasta ahora, no hemos concentrado la atención en la superficie 1 del interferómetro de Fabry-Perot, la superficie detectora. También son posibles diferentes formas de realización de la membrana. En una forma de realización de la invención, la membrana se curva con las variaciones de presión, y la señal de presión se lee en el detector. En otra forma de realización de la invención, se provee de electrodos la membrana y las áreas cerca del detector (Figura 8). Controlando la tensión, con una unidad de control 15 sobre estos electrodos 13 se conserva inmóvil la membrana por retroalimentación forzada, usando la señal detectora 14. Esto aumentará el intervalo dinámico del sensor. La señal de presión se lee en la tensión aplicada sobre la cavidad. En otra forma de realización más, la distancia de la cavidad se ajusta mediante una tensión DC sobre los electrodos, definiendo así un punto de funcionamiento en torno al que se curva la membrana. En lugar de usar electrodos según lo anterior, puede obtenerse la misma funcionalidad variando el grosor del separador (por ejemplo usando un material piezoeléctrico).

La distancia en la cavidad está limitada por al menos dos cosas: el efecto de película prensada y la longitud de coherencia de la fuente de luz. El efecto de película prensada amortigua la vibración de la membrana por encima de un límite de frecuencia, y limita así el diámetro de la superficie 1 y la distancia en la cavidad. El efecto de película prensada puede usarse sin embargo como efecto amortiguador que evita la resonancia en el sistema, proporcionando así un parámetro que ha de considerarse al producir el elemento sensor.

Si la superficie 1 tiene un diámetro de 1 mm y la distancia en la cavidad es de 2 \mum, la frecuencia de corte está en torno a 10 kHz, debido al efecto de película prensada. Si se requiere una frecuencia de corte más elevada, debe aumentarse la distancia en la cavidad. Si usamos un LED como fuente de luz, la distancia en la cavidad queda limitada en torno a 30 \mum, que es la longitud de coherencia aproximada de un LED. La precisión del separador que forma la distancia en la cavidad debería ser mejor que \pm\lambda/16, si se usa luz colimada y no puede regularse la distancia en la cavidad (por medio de, por ejemplo, electrodos o un separador piezoeléctrico). Esta restricción se mitiga si se usa una fuente puntual y varios detectores en anillos concéntricos, o si se usan electrodos para traer la membrana hasta una distancia óptima en la cavidad. Cuando la membrana se curva debido a las variaciones de presión, la cavidad dejará de ser paralela. Esta divergencia es insignificante, sin embargo, puesto que la curvatura de la membrana es del orden de 10^{-8} respecto a su diámetro.

La invención se ha descrito en este documento principalmente como relacionada con micrófonos o sensores de presión. Sin embargo, puede usarse, con cambios de poca importancia, en otras situaciones tales como acelerómetros, giroscopios o similares, en las que una superficie se mueve con respecto a la otra. La flexibilidad requerida podría estar bien en una membrana, o bien en resortes que den apoyo ya sea al detector o a la parte pasiva del sensor. En el caso de un acelerómetro o un giroscopio, la superficie móvil puede estar por ejemplo provista de un peso para aumentar la sensibilidad de medición.

Claims (14)

1. Sensor óptico de desplazamiento, que comprende dos superficies básicamente planas (1, 2) provistas sobre partes de elemento respectivas (3, 4) estando separadas por una cavidad que está definida por un separador (5), siendo variable la distancia (d) entre las superficies (1, 2), proporcionando así un interferómetro de Fabry-Perot sensible al desplazamiento, en el que

ambas dichas superficies (1, 2) son al menos parcialmente reflectantes, y estando provista dicha primera superficie (1) de al menos un detector óptico (7) y estando fabricada una de dichas partes de elemento (3, 4) de un material al menos parcialmente transparente,

comprendiendo igualmente el sensor una fuente de luz básicamente monocromática y básicamente en forma de punto (6) dirigida hacia dichas superficies (1, 2), estando sujeta dicha fuente de luz (6) a un armazón rígido (9) que mantiene una distancia predeterminada con respecto al interferómetro de Fabry-Perot, y medios para proporcionar adición en fase de la luz emitida sobre la superficie de dicho al menos un detector.

2. Sensor óptico según la reivindicación 1, en el que la distancia es

d = m\lambda /2 \pm \Delta; \hskip0.5cm m = 0,1,2,...,

donde \Delta es próximo o básicamente igual a max(/\partial(T)/\partial(d)/), siendo T la intensidad transmitida según está definido en la ecuación [1] y d es la distancia de la cavidad.

3. Sensor óptico según la reivindicación 1 ó 2, en el que la primera superficie (1) está provista sobre una primera parte de elemento sensor (3) que está hecha de un semiconductor, por ejemplo silicio, e incluye al menos un detector óptico que es una unión p-n.

4. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la segunda superficie (2) está provista sobre una segunda parte de elemento sensor (4) que está hecha de nitruro de silicio.

5. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dichas primera y segunda partes (3, 4) y el separador (5) constituyen un alojamiento, incluyendo dicho alojamiento un canal de dispersión (10) entre la cavidad y el entorno destinado al lento equilibrado de la presión entre los dos.

6. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que cada una de dichas primera y segunda partes (3, 4) está provista de un conductor eléctrico (13), estando acoplados los conductores (13) a una unidad de control (15) para aplicar una tensión sobre los conductores (13), estando igualmente acoplada la unidad de control a dicho al menos un detector (7) de manera que controla la distancia (d) entre las superficies (1, 2) cuando se detecta un cambio, siendo también indicativa la tensión de salida de los cambios en la presión del entorno.

7. Sensor óptico según la reivindicación 6, en el que la unidad de control (15) está adaptada para ajustar la distancia de trabajo (d) entre las superficies (1, 2) a un valor elegido.

8. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dichos medios para proporcionar adición en fase están provistos de modo que dicho detector óptico (7) comprenda cierto número de detectores en forma de anillos concéntricos situados simétricamente con respecto al eje óptico del interferómetro de Fabry-Perot.

9. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dichos medios para proporcionar adición en fase están formados por una lente colimadora (8) situada en el haz luminoso de la fuente de luz (6) de manera que proporcione frentes de onda básicamente planos a través del interferómetro de Fabry-Perot al detector (7).

10. Sensor óptico según la reivindicación 9, en el que el detector es un detector plano que cubre una parte sustancial de una superficie parcialmente reflectante (1).

11. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho al menos un detector (7) es un detector parcialmente transparente y dicha primera superficie (1) está provista sobre una parte de elemento (3) que está hecha de un material al menos parcialmente transparente.

12. Sensor óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende un canal (10) destinado a un caudal de aire controlado entre la cavidad y el entorno.

13. Uso del sensor óptico según la reivindicación 1 como sensor de presión.

14. Uso del sensor óptico según la reivindicación 12 como micrófono.