MEMS新型光纤加速度传感器设计

1、第 10卷 第 17期 2010年 6月 167121815(2010 1724293203科 学 技 术 与 工 程Science Technol ogy and Engineering Vol 110 No 117 June2010 2010 Sci 1Tech 1Engng 1 M E M S 新型光纤加速度传感器设计张伟亮 房晓勇 崔晓光 杨 震(燕山大学理学院 , 秦皇岛 066004摘 要 由于微机械系统的广泛应用 , 感器 , , , 影响 。关键词 ME 中图法分类号 文献标志码 A 2010年 3月 15日收到 第一作者简介 :张伟亮 (1983 , 男 , 硕士研究生 ,

2、河北廊坊市人 , 研究方向 :微加速度传感器。 E 2mail:waiting1005s ohu . com 。 微电子机械系统 (ME MS 是在微电子技术基础 上发展起来的多学科交叉的新兴学科 , 它以微电子 及机械加工技术为依托 , 范围涉及微电子学 、 机械 学 、 力学 、 自动控制学 、 材料科学等多种工程技术和 学科 , 是一个新兴的 、 多学科交叉 、 多技术融合的高 科技领域 。作为微传感器的重要分支之一的微加速度传 感器一直是热门的研究课题 。尽管各类加速度传 感器的物理效应有所差别 , 结构形式也各有不同 , 但都基于牛顿惯性定律和达朗贝尔原理 ; 有着相似 的工作原理

3、, 即传感器中可动质量块感应加速度而 产生一定的相对位移 , 通过检测由这些位移所引起 的电阻或电容等物理量的变化 , 并转化为信号的输 出 , 就可以度量出输入的加速度1。基于对微加速度传感器国内外研究状况 , 设计 了一种新型微加速度传感器 。该传感器采用光纤 光强调制机理获得加速度 。1 I 型微传感器机构传感器结构如图 1, 称之为 I 型微传感器 。 在硅 基上 , 采用双面刻蚀获得图 1所示机构 , 包括中心质量块 , 及两空气腔 A , B 。其工作机理为 :在中心质 量块的两个平面 S 1和 S 2都是镀铝反射膜 , 光纤分 别固定于空气腔壁中心位置 , 如图 1所示 , 光纤

4、 1距 离反射膜 S 1为 L 1, 光纤 2距离反射膜 S 2为 L 2, 无加 速度时 L 1=L 2=L 。当中心质量块在加速度 a 的影 响下 , 发生位移 , 光 I 1从腔 A 穿过 , 到达反射面 , 再 由反射面回到光纤 , 同时光 I 2从腔 B 中穿过 , 到达 反射面 , 再由反射面回到光纤 , 此时 L 1与 L 2同时改 变 , 也就是说 , 两光线在产生加速度的同时产生光 程差 , 通过测量通过光纤的光强变化而得到加速度 的大小。图 1 I 型加速度传感器结构传感 结 构 中 质 量 块 的 长 宽 高 尺 寸 分 别 为 :2. 0mm ×2. 0mm

5、×1. 0mm , 支 撑 梁 的 尺 寸 为 1. 8mm ×0. 6mm ×0. 3mm , 根据这种结构 , 对该传 感系统的力学静动态特性进行了理论推导 。选定 制作材料为单晶硅 , 其材料参数为密度 :=2. 33×103kg /m3, 杨氏弹性模量 :E =1. 9×109N /m2, 泊松比 :=0. 25。2 测量原理图 2迈克尔逊全光纤干涉仪的结构2 。图 2 全光纤迈克尔逊干涉仪原理图图中以一个 3dB 耦合器取代了分束器 , 用光 纤光程取代了空气光程 , 而且以敏感光纤作为相 位调制元件 。这种全光纤结构不仅避免了非待测

6、 场的干扰影响 , 并且免除了每次测量要调光路准 直等繁琐的工作 , 使其更适于现场测量 , 也更接近 实用化 。激光器发出的光进入单模光纤被光纤耦合器 分成两束相等强度的光 , 分别进入反射光纤端面 , 当光程差小于相干长度时 , 反射光通过光纤耦合器 的另一输出端将发生干涉 。光电探测器 D 接收到 输出的干涉信号 。由此光电探测器 D 就给出了干 涉强度和两束光光程差之间的函数关系 。 图 3为光 纤迈克尔逊干涉相位差与光强的关系图3 。图 3 干涉条纹对比度图 2中所示的 4束反射光 I l 、 I 2、 I 1r 、 I 2r 到达光探 测器产生干涉 , 其输出光强 I out ,

7、可表示为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表示为光纤出射端面反射的光 强 ; I 1r 、 I 2r 表示为测量端面反射进入光纤的光强 ; I 12、I 11r 、 I 12r 、 I 21r 、 I 22r 、 I 1r2r 表示为两束入射光和两束反射光干涉的光强 。在式 (1 中 , 21I 2i -, i j(2(, I 1I 2, 是与光纤耦合器的耦合系数和注入到光电检测器的光功率相关的常量 。理想情况下耦合器完全对称且无损时 , 则可认 为

8、I 1=I 2, 调节光纤耦合器两臂的长度 , 使两臂的 位相差 1-2=, 得到 I 12=2I 1cos=2I 1。 所 以当 1-2=时 , 可以证明 I 1r =-I 21r , I 12r =-I 22r , 于是经过探测器 D 得到的探测光强可写为 :I out =(I 1r +I 2r +2I 1I 2cos (1r -2r (3 =1r -2r =2k 0n l r(4式 (4 中 , 表示相位差 ; 1r 、 2r 表示测量件反射 膜反射并进入光纤中的光 I 1r 和 I 2r 到达探测器的位 相 , 是与光纤耦合器的耦合系数和注入到光电检测 器的光功率相关的常量 ; l s

9、 表示信号臂光纤的长度 ;l r 表示参考臂光纤的长度 ; n 表示折射率 。对于干涉检测 , 需要检测的是 I 1r2r , 即关心的交 流项 。把信号臂的反射端面贴在待测量对象 (及传感 器 上 , 测定信号臂光纤端面与反射端面距离 , 当反 射端面随着待测物体发生微位移时 , 干涉光的光强 随之变化 , 以此来达到测量微位移的目的 4。图 1所示设计结构位移变化是双向改变 , 得到 :L =2l(5为了精确描述质量块速度的变化情况 , 在微系 统下将质量块看做质点来进行处理 , 并且将时间 t 无限减小 , 并使之趋近于零 , 即 t 0, 这样 , 质点的平均速度就会趋向于一个确定的极

10、限矢量 , 这个 极限矢量称为 t 时刻的瞬时加速度 a , 即a =d t =2d t2(6即加速度等于速度对时间的一阶导数 , 或位矢的二4924科 学 技 术 与 工 程 10卷 阶导数 , 由上求得的位移 , 我们可求得加速度大小。3 实验针对麦克尔逊干涉原理 , 光信号通过光电探测 器 D, 进入输入和信号处理电路 , 如图 4 .图 4 光信号的输入与处理电路利用公式 (1 式 (4 , 通过测量位移与输出光 强的关系得到图 5 。图 5 输出光强与位移关系利用式 (5 和式 (6 , 求得加速度变化 5。4 结论根据迈克尔逊全光纤干涉原理 , 并结合微机械图 6 光强与加速度关系

11、原理 , 设计了一种新型的加速度传感器 , 设计结构 为双面刻蚀 , 依据结构形状 , 称为 I 型传感器 。相较于其他光纤传感器 , 本文提出的 I 型传感器 , 机构简 单 , 光纤只用于传输 , 避免了普通传感器因光纤形 变产生的影响 , 且体型较小 , 适用振动检测 、 车辆导 航 、 惯性制导等领域 , 发展前景广阔6。参 考 文 献1 刘 妤 , 温志渝 , 张流强 , 等 . 微加速度传感器的研究现状及发展趋势 . 光学精密工程 , 2004; 9(3 :81 852 杨 震 , 房骁勇 , 张伟亮 , 等 . 激光三维加速度传感器的结构设计 . 科学技术与工程 , 2009;

12、9(12 :3199 32023 刘均琦 , 张 杨 , 张 腾 , 等 . 基于麦克尔逊干涉原理的光纤传感器简述 . 传感器世界 , 2009; 6:10 134 丁镇生 . 光纤传感器微位移测试的研究 . 大连铁道学院学报 ,1998; 19(1 :48 505 Yang J ia, J ia Shuhai, Du Yanfen . Novel op tical acceler ometer basedon Fresnel diffractive m icr o lens . Sens ors and Actuat ors A:Physical,2009; 151:133 1406 石云波

13、 , 祁晓瑾 , 刘 俊 , 等 . ME MS 高 G 值加速度传感器设计 . 系统仿真学报 , 2008; 20(16 :4306 4309D esi gn of a New O pti ca l F i ber M E M S Accelero m eterZHANG 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 extensi

14、ve app licati on of m icr o 2mechanical 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 expati