MEMS新型光纖加速度傳感器設計

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1、第 10卷 第 17期 2010年 6月 167121815(2010 1724293203 科學技術與工程 Science Technol ogy and Engineering Vol 110 No 117 June 2010 2010 Sci 1Tech 1Engng 1 M E M S 新型光纖加速度傳感器設計 張偉亮 房曉勇 崔曉光 楊 震 （燕山大學理學院 , 秦皇島 066004 摘 要 由于微機械系統(tǒng)的廣泛應用 , 感器 , , , 影響 關鍵詞 ME 中圖法分類號 文獻標志碼 2010年 3 月 15 日收到 第一作者簡介 :

2、張偉亮 (1983— , 男 , 碩士研究生 , 河北廊坊市人 , 研究方向 :微 加速度傳感器。 E 2mail:waiting1005@s ohu . com 。 微電子機械系統(tǒng) (ME MS 是在微電子技術基礎 上發(fā)展起來的多學科交叉 的新興學科 , 它以微電子 及機械加工技術為依托 , 范圍涉及微電子學 、機械 學 、 力學 、 自動控制學 、 材料科學等多種工程技術和 學科 , 是一個新興的 、 多學科 交叉 、 多技術融合的高 科技領域 。 作為微傳感器的重要分支之一的微加速度傳 感器一直是熱門的研究課題 。盡 管各類加速度傳 感器的物理效應有所差別 , 結(jié)構(gòu)形式也各有

3、不同 , 但都基于牛頓慣 性定律和達朗貝爾原理 ; 有著相似 的工作原理 , 即傳感器中可動質(zhì)量塊感應加速度 而 產(chǎn)生一定的相對位移 , 通過檢測由這些位移所引起 的電阻或電容等物理量的變 化 , 并轉(zhuǎn)化為信號的輸 出 , 就可以度量出輸入的加速度 [1] 基于對微加速度傳感器國內(nèi)外研究狀況 , 設計 了一種新型微加速度傳感器 。 該傳感器采用光纖 光強調(diào)制機理獲得加速度 。 1 I 型微傳感器機構(gòu) 傳感器結(jié)構(gòu)如圖 1, 稱之為 I 型微傳感器 。 在硅 基上 , 采用雙面刻蝕獲得圖 1 所示機構(gòu) , 包括中心質(zhì) 量塊 , 及兩空氣腔 A , B 。其工作機理為 :在中心質(zhì) 量塊的

4、兩個平面 S 1和 S 2 都是鍍鋁反射膜 , 光纖分 別固定于空氣腔壁中心位置 , 如圖 1所示 , 光纖 1距離反 射膜 S 1為 L 1, 光纖 2距離反射膜 S 2為 L 2, 無加 速度時 L 1=L 2=L 。當中心質(zhì)量 塊在加速度 a 的影 響下 , 發(fā)生位移 , 光 I 1從腔 A 穿過 , 到達反射面 , 再由反射面 回到光纖 , 同時光 I 2從腔 B 中穿過 , 到達 反射面 , 再由反射面回到光纖 , 此時 L 1 與 L 2 同時改 變 , 也就是說 , 兩光線在產(chǎn)生加速度的同時產(chǎn)生光 程差 , 通過測量通 過光纖的光強變化而得到加速度 的大小 圖 1 I 型加速度

5、傳感器結(jié)構(gòu) 傳感 結(jié) 構(gòu)中 質(zhì)量 塊 的 長 寬 高尺 寸 分 別 為 : 2. 0mm ×2. 0mm ×1. 0mm , 支 撐梁 的 尺寸 為 1. 8mm 0×. 6mm ×0. 3mm , 根據(jù) 這種結(jié)構(gòu) , 對該傳 感系統(tǒng)的力學靜動態(tài)特性進行了理論推導 。選定 制作材料為單晶硅 , 其材料 參數(shù)為密度 :ρ=2. 33 ×103 kg /m3 , 楊氏彈性模量 :E =1. 9 10×9 N /m2 , 泊松 比 : σ =0. 2。5 2 測量原理 圖 2 邁克爾遜全光纖干涉儀的結(jié)構(gòu) [2] 圖 2 全光纖邁克爾遜干涉儀原理圖 圖中以

6、一個 3dB 耦合器取代了分束器 , 用光 纖光程取代了空氣光程 , 而且以敏 感光纖作為相 位調(diào)制元件 。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測 場的干擾影響 , 并 且免除了每次測量要調(diào)光路準 直等繁瑣的工作 , 使其更適于現(xiàn)場測量 , 也更接近 實 用化 。 激光器發(fā)出的光進入單模光纖被光纖耦合器 分成兩束相等強度的光 , 分別進入 反射光纖端面 , 當光程差小于相干長度時 , 反射光通過光纖耦合器 的另一輸出端將 發(fā)生干涉 。光電探測器 D 接收到 輸出的干涉信號 。由此光電探測器 D 就給出了 干 涉強度和兩束光光程差之間的函數(shù)關系 。 圖 3 為光 纖邁克爾遜干涉相位差與光 強的關系圖

7、 [3] 圖 3 干涉條紋對比度 圖 2中所示的 4束反射光 I l 、 I 2、 I 1r 、 I 2r 到達光探 測器產(chǎn)生干涉 , 其輸 出光強 I out , 可表示為 I out =(I 1+I 2+I 1r +I 2r + (I 12+I 11r +I 12r +I 21r +I 22r +I 1r2r (1 式 (1 中 , I l 、 I 2 表示為光纖出射端面反射的光 強 ; I 1r 、 I 2r 表示為測量端 面反射進入光纖的光強 ; I 12、 I 11r 、 I 12r 、 I 21r 、 I 22r 、 I 1r2r 表示為兩束入射光和兩束反射

8、光干涉的光強 。 在式 (1 中 , 2 1I 2i -, i ≠ j (2 (, I 1I 2, 是與光纖耦合器的耦合 系數(shù)和注入到光電檢測器的光功率相關的常量 理想情況下耦合器完全對稱且無損時 , 則可認 為 I 1=I 2, 調(diào)節(jié)光纖耦合器兩臂 的長度 , 使兩臂的 位相差 φ1-φ2=π得, 到 I 12=2I 1cos π =2I 。1 所 以當 φ1-φ 2=π時 , 可以證明 I 1r =-I 21r , I 12r = -I 22r , 于是經(jīng)過探測器 D 得到的探測光強可寫為 : I out =(I 1r +I 2r +2 I 1I 2cos ( - φ1

9、2rr (3 Δφ =φ-φ1r2 r =2k 0n l r (4 式 (4 中 , Δφ表示相位差 ; φ 1、r φ 2r表 示測量件反射 膜反射并進入光纖中的 光 I 1r 和 I 2r 到達探測器的位 相 , 是與光纖耦合器的耦合系數(shù)和注入到光電檢測 器的光功率相關的常量 ; l s 表示信號臂光纖的長度 ; l r 表示參考臂光纖的長度 ; n 表示折射率 。 對于干涉檢測 , 需要檢測的是 I 1r2r , 即關心的交 流項 。 把信號臂的反射端面貼在待測量對象 (及傳感 器 上 , 測定信號臂光纖端面與反 射端面距離 , 當反 射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時 , 干涉

10、光的光強 隨之變化 , 以 此來達到測量微位移的目的 [4] 。圖 1 所示設計結(jié)構(gòu)位移變化是雙向改變 , 得到 : ΔL =2Δl (5 為了精確描述質(zhì)量塊速度的變化情況 , 在微系 統(tǒng)下將質(zhì)量塊看做質(zhì)點來進行處 理 , 并且將時間 Δt無 限減小 , 并使之趨近于零 , 即Δt → 0這, 樣 , 質(zhì)點 的平均速度就會趨向于一個確定的極限矢量 , 這個 極限矢量稱為 t 時刻的瞬時 加速度 a , 即 a =d t =2 d t 2 (6 即加速度等于速度對時間的一階導數(shù) , 或位矢的二 4924科 學 技 術 與 工 程 10 卷 階導數(shù) , 由上求得的位移 ,

11、 我們可求得加速度大小。 3 實驗 針對麥克爾遜干涉原理 , 光信號通過光電探測 器 D, 進入輸入和信號處理電路 如圖 4 圖 4 光信號的輸入與處理電路 利用公式 (1 — 式 (4 , 通過測量位移與輸出光 強的關系得到圖 5 圖 5 輸出光強與位移關系 利用式 (5 和式 (6 , 求得加速度變化 [5] 。 4 結(jié)論 根據(jù)邁克爾遜全光纖干涉原理 , 并結(jié)合微機械 圖 6 光強與加速度關系 原理 , 設計了一種新型的加速度傳感器 , 設計結(jié)構(gòu) 為雙面刻蝕 , 依據(jù)結(jié)構(gòu)形狀 稱為 I 型傳感器 。相較 于其他光纖傳感器 , 本文提出的 I

12、型傳感器 , 機構(gòu)簡 單 , 光纖只用于傳輸 , 避 免了普通傳感器因光纖形 變產(chǎn)生的影響 , 且體型較小 , 適用振動檢測 、 車輛導 航、 慣性制導等領域 , 發(fā)展前景廣闊 [6] 。 參考文獻 1 劉 妤 , 溫志渝 , 張流強 , 等 . 微加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 趨勢 . 光學精密工程 , 2004; 9(3 :81— 85 2 楊 震 , 房驍勇 , 張偉亮 , 等 . 激光三維加速度傳感器的結(jié)構(gòu)設 計 . 科學技術與工程 , 2009; 9(12 :3199— 3202 3 劉均琦 , 張 楊 , 張 騰 , 等 . 基于麥克爾遜干涉原理的光纖傳感 器簡述

13、 . 傳感器世界 , 2009; 6:10— 13 4 丁鎮(zhèn)生 . 光纖傳感器微位移測試的研究 . 大連鐵道學院學報 , 1998; 19(1 :48— 50 5 Yang J ia, J ia Shuhai, Du Yanfen . Novel op tical acceler ometer based on Fresnel diffractive m icr o lens . Sens ors and Actuat ors A:Physical, 2009; 151:133— 140 6 石云波 , 祁曉瑾 , 劉 俊 , 等 . ME MS 高 G 值加速度傳感器設計 . 系

14、 統(tǒng)仿真學報 , 2008; 20(16 :4306— 4309 D esi gn of a New O pti ca l F i ber M E M S Accelero m eter ZHANG W ei 2liang, F ANG Xiao 2yong, CU I Xiao 2guang, Y ANG Zhen (College of Science, Yanshan University, Q inhuangdao 066004, P . R. China [Abstract] Due t o the extensive app licati on of m icr o 2m

15、echanical syste m s, the design of m icr o 2acceler ometer is an increasingly diversified, a fiber 2op tic acceler ometer based on M ichels on intensity modulati on is p resented and the structure design and operati onal p rinci p le of the fiber 2op tic acceler ometer are expatialed, using only one op tical fiber for trans m issi on, t o avoid the i m pact of vari ous types of def or mati on . [Key words] ME MS fiber 2op tic acceler ometer interference intensity 5 92417期 張偉亮 , 等 :ME M S 新型光纖加速度傳感器設計