光纖mems法珀加速度傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種纖MEMS法珀加速度傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，很多領(lǐng)域都會(huì)涉及到加速度測(cè)量，特別是一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，腔電磁，強(qiáng)腐蝕等場(chǎng)合。傳統(tǒng)的加速度傳感器是利用檢測(cè)敏感質(zhì)量塊的振動(dòng)，將振動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電壓等參數(shù)，通過外圍電路提取出加速度的信息，這類傳感器很難應(yīng)用到航空航天、石油勘探等易燃易爆的惡劣環(huán)境中。由于光纖傳感具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)快、抗電磁干擾和容易復(fù)用等特性，基于光纖傳感技術(shù)的加速度傳感器正受到越來越多的重視和研究。
[0003]目前，光纖加速度傳感器，主要包括光強(qiáng)調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型和相位調(diào)制型三種。相位調(diào)制型光纖加速度傳感由于其高性能和低成本等特性，被廣泛研究和應(yīng)用，一般是采用干涉儀將慣性力轉(zhuǎn)化為干涉信號(hào)的相位變化實(shí)現(xiàn)加速度或位移傳感，常用的干涉儀有Michelson干涉儀、Mach-Zehnder干涉儀和Fabry-Perot (法布里一泊羅，以下簡(jiǎn)稱“法?白”)干涉儀?，F(xiàn)有的光纖法珀加速度傳感器，傳感器采用部件組裝，使傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。單個(gè)制造光纖法珀傳感器，批量生產(chǎn)的質(zhì)量一致性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供一種光纖MEMS法珀加速度傳感器及其制作方法。
[0005]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種光纖MEMS法珀加速度傳感器，包括外殼、光纖套管、光纖、半反面、反射面、加速度敏感元件和基座；其中，外殼、加速度敏感元件和基座的外徑相同，三者依次由上至下對(duì)齊設(shè)置并通過MEMS鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接；外殼沿其豎直軸線開設(shè)有通孔，光纖套管插裝在外殼的通孔內(nèi)，光纖插裝在光纖套管內(nèi)，光纖出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面，加速度敏感元件的中心位置表面經(jīng)過拋光或者鍍膜作為反射面(半反面和反射面也可采用其它方式提高其反射率，如濺射金屬層等方式)，半反面與反射面平行設(shè)置且之間留有空隙以形成法珀腔，通過控制半反面(光纖出光面)到反射面的距離，調(diào)節(jié)法珀腔的腔長(zhǎng)。
[0006]所述的加速度敏感元件包括支撐框、彈性膜片和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊位于支撐框內(nèi)的中心位置且二者通過彈性膜片連接，質(zhì)量塊和彈性膜片構(gòu)成質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)，彈性膜片為平膜片、鏤空膜片或十字梁，質(zhì)量塊的上表面經(jīng)過拋光或者鍍膜作為反射面。
[0007]所述的光纖套管和光纖可以由梯度折射率透鏡和尾纖代替，梯度折射率透鏡和尾纖相連，梯度折射率透鏡的出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面。
[0008]所述的的外殼、加速度敏感元件和基座是由玻璃、硅或碳化硅制作而成的。
[0009]本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器的制造方法，包括如下步驟:I)取三層玻璃片或硅片或碳化硅片，其中一層陣列化加工外殼及半反面，一層陣列化加工加速度敏感元件，一層陣列化加工基座；2)通過MEMS鍵合技術(shù)將外殼層、加速度敏感元件層和基座層實(shí)現(xiàn)連接，通過劃片分離每個(gè)連接好的加速度傳感器；3)分離好的每個(gè)加速度傳感器采用熔接技術(shù)進(jìn)行光纖套管及光纖的安裝。
[0010]光通過光纖進(jìn)入法珀腔，在半反面和反射面之間進(jìn)行多次反射，通過光學(xué)干涉轉(zhuǎn)換為法珀腔的干涉信號(hào)的相位變化，通過解調(diào)干涉信號(hào)的相位變化實(shí)現(xiàn)加速度傳感。
[0011]本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器，由于其性能只與加速度敏感元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括但不限于:彈性膜片的厚度、直徑、楊氏模量，質(zhì)量塊的直徑和質(zhì)量)有關(guān)，因此可以根據(jù)被測(cè)量對(duì)象，優(yōu)化膜片參數(shù)使傳感器具有合適的共振頻率。而由慣性式傳感器的原理，當(dāng)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳感器的共振頻率時(shí)，法珀腔的腔長(zhǎng)變化與被測(cè)物體的加速度幅度成正比。因此，傳感器可以被用來進(jìn)行加速度的測(cè)量。
[0012]本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器中沒有引入任何帶電元件，因此可以避免電磁干擾，十分適合于遠(yuǎn)程和復(fù)雜電磁環(huán)境下的振動(dòng)測(cè)量。通過MEMS技術(shù)一次性陣列化加工傳感器，通過熔接技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖和外殼的固定。本發(fā)明具有體積小、批量生產(chǎn)，一致性好，溫度系數(shù)低，耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足常規(guī)及特殊環(huán)境下的加速度測(cè)量。
[0013]本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器，先分別在玻璃或者硅片或者碳化硅上陣列化加工外殼、加速度敏感元件及基座，然后通過MEMS技術(shù)將外殼層、加速度敏感元件層及基座層實(shí)現(xiàn)連接，這使得批量生成的傳感器質(zhì)量一致性較好。通過MEMS鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)外殼、加速度敏感元件和基座連接，采用玻璃熔接技術(shù)分別在每個(gè)傳感器安裝光纖套管和光纖，避免了采用膠粘和機(jī)械固定帶來的溫度系數(shù)較大的問題。并且本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，這大大降低了加工和調(diào)試難度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明中平膜片結(jié)構(gòu)的加速度敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明中十字梁結(jié)構(gòu)的加速度敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明中鏤空膜片結(jié)構(gòu)的加速度敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5為本發(fā)明中加速度敏感元件制作過程示意圖。
[0019]圖中:1-外殼、2-光纖套管、3-光纖、4-半反面、5-反射面、6-加速度敏感元件、6-1-支撐框、6-2-彈性膜片、6-3-質(zhì)量塊、7-基座、8-法珀腔。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
如圖1所示，一種光纖MEMS法珀加速度傳感器，包括外殼1、光纖套管2、光纖3、半反面4、反射面5、加速度敏感元件6和基座7 ;其中，外殼1、加速度敏感元6件和基座7的外徑相同，三者依次由上至下對(duì)齊設(shè)置并通過MEMS鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接；外殼I沿其豎直軸線開設(shè)有通孔，光纖套管2插裝在外殼I的通孔內(nèi)，光纖3插裝在光纖套管2內(nèi)，光纖3出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面4，加速度敏感元件6的中心位置表面經(jīng)過拋光或者鍍膜作為反射面5，半反面4和反射面5也可采用其它方式提高其反射率，如濺射金屬層等方式，半反面4與反射面5平行設(shè)置且之間留有空隙以形成法珀腔8。
[0021]具體實(shí)施時(shí)，所述的加速度敏感元件6包括支撐框6-1、彈性膜片6-2和質(zhì)量塊
6-3，質(zhì)量塊6-3位于支撐框6-1內(nèi)的中心位置且二者通過彈性膜片6-2連接，彈性膜片6_2為平膜片、見圖2，或十字梁、見圖3，或鏤空膜片、見圖4 ;而所述的反射面5即通過拋光或者鍍半反膜設(shè)于質(zhì)量塊6-3的上表面。
[0022]所述的光纖套管2和光纖3可以由梯度折射率透鏡和尾纖代替，梯度折射率透鏡和尾纖相連，梯度折射率透鏡的出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面。
[0023]所述的的外殼1、加速度敏感元件6和基座7是由玻璃、硅或碳化硅制作而成的。
[0024]本發(fā)明光纖MEMS法珀加速度傳感器的制造方法，包括如下步驟:I)取三層玻璃片或硅片或碳化硅片，其中一層陣列化加工外殼，一層陣列化加工加速度敏感元件及反射面，一層陣列化加工基座；2)通過MEMS鍵合技術(shù)將外殼層、加速度敏感元件層和基座層實(shí)現(xiàn)連接，通過劃片分離每個(gè)連接好的加速度傳感器；3)分離好的每個(gè)加速度傳感器采用熔接技術(shù)進(jìn)行光纖套管及光纖的安裝。
[0025]其中，加速度敏感元件及反射面的具體加工方法如圖5所示，具體包括如下步驟:
a、備片:4寸N型(100)娃片；b、清洗娃片，在娃片正面放置I號(hào)光刻板；c、派射金屬薄膜，依次派射Ti+Pt+Au三層金屬膜；d、剝離I號(hào)光刻板及其上的金屬薄膜，最后在娃片中心形成反射面5 ;e、在硅片正面放置2號(hào)光刻板；f、對(duì)硅片正面進(jìn)行刻蝕，以形成支撐框6-1和質(zhì)量塊6-3的上半部分；g、去2號(hào)光刻板、去膠；h、在硅片背面放置2號(hào)光刻板；1、對(duì)硅片背面進(jìn)行刻蝕，以形成支撐框6-1和質(zhì)量塊6-3的下半部分，以及形成彈性膜片6-2 ; j、去2號(hào)光刻板、去膠；k、最后即形成所述的加速度敏感元件及反射面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光纖MEMS法珀加速度傳感器，其特征在于:包括外殼(I)、光纖套管(2)、光纖(3)、半反面(4)、反射面(5)、加速度敏感元件(6)和基座(7);其中，外殼(I)、加速度敏感元(6)件和基座(7)的外徑相同，三者依次由上至下對(duì)齊設(shè)置并通過MEMS鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接；外殼(I)沿其豎直軸線開設(shè)有通孔，光纖套管(2 )插裝在外殼(I)的通孔內(nèi)，光纖(3 )插裝在光纖套管(2)內(nèi)，光纖(3)出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面，加速度敏感元件(6 )的中心位置經(jīng)過拋光或者鍍膜作為反射面，半反面(4 )與反射面(5 )平行設(shè)置且之間留有空隙以形成法珀腔(8)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖MEMS法珀加速度傳感器，其特征在于:所述的加速度敏感元件(6 )包括支撐框(6-1)、彈性膜片(6-2 )和質(zhì)量塊(6-3 )，質(zhì)量塊(6-3 )位于支撐框(6-1)內(nèi)的中心位置且二者通過彈性膜片(6-2)連接，彈性膜片(6-2)為平膜片、鏤空膜片或十字梁。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖MEMS法珀加速度傳感器，其特征在于:所述的光纖套管(2)和光纖(3)能夠由梯度折射率透鏡和尾纖代替，梯度折射率透鏡和尾纖相連，梯度折射率透鏡的出光面經(jīng)過拋光或者鍍半反膜作為半反面。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖MEMS法珀加速度傳感器，其特征在于:所述的的外殼(I)、加速度敏感元件(6 )和基座(7 )是由玻璃、硅或碳化硅制作而成的。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖MEMS法珀加速度傳感器，其特征在于:所述的的外殼(I)、加速度敏感元件(6 )和基座(7 )是由玻璃、硅或碳化硅制作而成的。6.如權(quán)利要求1所述的光纖MEMS法珀加速度傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟:1)取三層玻璃片或娃片或碳化娃片，其中一層陣列化加工外殼，一層陣列化加工加速度敏感元件及反射面，一層陣列化加工基座；2)通過MEMS鍵合技術(shù)將外殼層、加速度敏感元件層和基座層實(shí)現(xiàn)連接，通過劃片分離每個(gè)連接好的加速度傳感器；3)分離好的每個(gè)加速度傳感器采用熔接技術(shù)進(jìn)行光纖套管及光纖的安裝。
【專利摘要】本發(fā)明為一種光纖MEMS法珀加速度傳感器及其制作方法，該加速度傳感器主要由外殼、光纖、加速度敏感元件、基座等構(gòu)成，采用MEMS技術(shù)加工傳感器的外殼、加速度敏感元件和基座，通過MEMS鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)基座、加速度敏感元件和外殼的固定，光纖固定在光纖套管內(nèi)，通過熔接技術(shù)實(shí)現(xiàn)光纖和外殼的固定。通過MEMS技術(shù)在加速度敏感元件的中央加工質(zhì)量塊，將光纖出光面和加速度敏感元件上的質(zhì)量塊平行放置構(gòu)成法珀腔實(shí)現(xiàn)高靈敏度測(cè)量。本發(fā)明具有體積小、批量生產(chǎn)，一致性好，溫度系數(shù)低，耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足常規(guī)及特殊環(huán)境下的加速度測(cè)量。
【IPC分類】G01P15/00
【公開號(hào)】CN105158506
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510544653
【發(fā)明人】賈平崗, 熊繼軍, 梁庭, 洪應(yīng)平, 曹群, 房國(guó)成, 薛晨陽(yáng), 劉俊, 張文棟
【申請(qǐng)人】中北大學(xué)
【公開日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年8月31日