MEMS新型光纖加速度傳感器設(shè)計-

1、第10卷第17期2010年6月167121815(20101724293203科學(xué)技術(shù)與工程Science Technol ogy and EngineeringVol 110No 117June20102010Sci 1Tech 1Engng 1 M E M S 新型光纖加速度傳感器設(shè)計張偉亮房曉勇崔曉光楊震(燕山大學(xué)理學(xué)院,秦皇島066004摘要由于微機(jī)械系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,微加速度傳感器的設(shè)計日趨多元化,現(xiàn)給出一種光強(qiáng)調(diào)制型麥克爾遜微光纖加速度傳感器,闡述了該種干涉型光纖加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理,僅使用光纖進(jìn)行傳輸,有效地避免了光纖各類形變造成的影響。關(guān)鍵詞ME MS 光纖加速度計干涉光

2、強(qiáng)中圖法分類號TP212.12;文獻(xiàn)標(biāo)志碼A 2010年3月15日收到 第一作者簡介: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:waiting1005s ohu .com 。微電子機(jī)械系統(tǒng)(ME MS 是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科,它以微電子及機(jī)械加工技術(shù)為依托,范圍涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科,是一個新興的、多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合的高科技領(lǐng)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(yīng)有所差別,結(jié)構(gòu)形式也各有不同,但都基于牛頓慣性定

3、律和達(dá)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(yīng)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?；趯ξ⒓铀俣葌鞲衅鲊鴥?nèi)外研究狀況,設(shè)計了一種新型微加速度傳感器。該傳感器采用光纖光強(qiáng)調(diào)制機(jī)理獲得加速度。1I 型微傳感器機(jī)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(jī)構(gòu),包括中心質(zhì)量塊,及兩空氣腔A ,B 。其工作機(jī)理為:在中心質(zhì)量塊的兩個平面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

4、L 2,無加速度時L 1=L 2=L 。當(dāng)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(dá)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(dá)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(qiáng)變化而得到加速度的大小。圖1I 型加速度傳感器結(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(xué)靜動態(tài)特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)。選定制作材料為單晶硅,

5、其材料參數(shù)為密度:=2.33×103kg /m 3,楊氏彈性模量:E =1.9×109N /m 2,泊松比:=0.25。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(zhǔn)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(jìn)入單模光纖被光纖耦合器分成兩束相等強(qiáng)度的光,分別進(jìn)入反射光纖端面,當(dāng)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

6、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(qiáng)度和兩束光光程差之間的函數(shù)關(guān)系。圖3為光纖邁克爾遜干涉相位差與光強(qiáng)的關(guān)系圖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(dá)光探測器產(chǎn)生干涉,其輸出光強(qiáng)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(qiáng);I 1r 、I 2r 表示為測量端面反射進(jìn)入光纖的光強(qiáng);I 12、I 11r 、I 12r 、I 21r 、I 22r 、I 1r2r

7、 表示為兩束入射光和兩束反射光干涉的光強(qiáng)。在式(1中,相干項可表示為I ij =2I 1I 2co s (i -j ,i j(2式(2中,1、2為干涉儀兩臂的光纖端面反射光I 1和I 2到達(dá)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(guān)的常量。理想情況下耦合器完全對稱且無損時,則可認(rèn)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1-2=,得到I 12=2I 1cos=2I 1。所以當(dāng)1-2=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(qiáng)可寫為:I out =(I 1r +I 2r +2I 1I 2cos

8、(1r -2r (3=1r -2r =2k 0n l r(4式(4中,表示相位差;1r 、2r 表示測量件反射膜反射并進(jìn)入光纖中的光I 1r 和I 2r 到達(dá)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(guān)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(guān)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(dāng)反射端面隨著待測物體發(fā)生微位移時,干涉光的光強(qiáng)隨之變化,以此來達(dá)到測量微位移的目的4。圖1所示設(shè)計結(jié)構(gòu)位移變化是雙向改變,得到:L =2l(5為了精確

9、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(jìn)行處理,并且將時間t 無限減小,并使之趨近于零,即t 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 v d t =d 2rd t2(6即加速度等于速度對時間的一階導(dǎo)數(shù),或位矢的二4924科學(xué)技術(shù)與工程10卷 階導(dǎo)數(shù),由上求得的位移,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(jìn)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(qiáng)的關(guān)系得到圖5 。圖5輸出光強(qiáng)與位移關(guān)系利用式(5和式(6,求得加速度變化

10、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(jī)械圖6光強(qiáng)與加速度關(guān)系原理,設(shè)計了一種新型的加速度傳感器,設(shè)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 型傳感器,機(jī)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(dǎo)航、慣性制導(dǎo)等領(lǐng)域,發(fā)展前景廣闊6。參考文獻(xiàn)1劉妤,溫志渝,張流強(qiáng),等.微加速度傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.光學(xué)精密工程,2004;9(3:81852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(shè)計.科學(xué)技術(shù)與工程,2009;9(12:319932023劉均琦,張楊,張騰,等.基于麥克爾遜

11、干涉原理的光纖傳感器簡述.傳感器世界,2009;6:10134丁鎮(zhèn)生.光纖傳感器微位移測試的研究.大連鐵道學(xué)院學(xué)報,1998;19(1:48505Yang 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;151:1331406石云波,祁曉瑾,劉俊,等.ME MS 高G 值加速度傳感器設(shè)計.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008;20(16:43064309D esi gn of a

12、 New O pti ca l F i ber ME 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 AbstractDue t o the extensive 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 expatialed,using on