MEMS新型光纤加速度传感器设计.docx

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MEMS新型光纤加速度传感器设计

第10卷　第17期　2010年6月167121815（20101724293203　

科　学　技　术　与　工　程

ScienceTechnologyandEngineering

　Vol110　No117　June

2010

　2010　Sci1Tech1Engng1

MEMS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,河北廊坊市人,研究方向:

微加速度传感器。

E2mail:

waiting1005@sohu.com。

　　微电子机械系统（MEMS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,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S1和S2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1距离反射膜S1为L1,光纤2距离反射膜S2为L2,无加速度时L1=L2=L。

当中心质量块在加速度a的影响下,发生位移,光I1从腔A穿过,到达反射面,再由反射面回到光纤,同时光I2从腔B中穿过,到达反射面,再由反射面回到光纤,此时L1与L2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×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:

ρ=2.33×103

kg/m3

杨氏弹性模量:

E=1.9×109

N/m2

泊松

比:

σ=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Il、I2、I1r、I2r到达光探测器产生干涉,其输出光强Iout,可表示为

Iout=（I1+I2+I1r+I2r+

（I12+I11r+I12r+I21r+I22r+I1r2r（1

式（1中,Il、I2表示为光纤出射端面反射的光强;I1r、I2r表示为测量端面反射进入光纤的光强;I12、

I11r、I12r、I21r、I22r、I1r2r表示为两束入射光和两束反射

光干涉的光强。

在式（1中,2

1I2i-,i≠j

（2

（,I1I2,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I1=I2,调节光纤耦合器两臂的长度,使两臂的位相差φ1-φ2=π,得到I12=2I1cos

π=2I1。

所以当φ1-φ2=π时,可以证明I1r=-I21r,I12r=

-I22r,于是经过探测器D得到的探测光强可写为:

Iout=（I1r+I2r+2

I1I2cos（φ1r-φ2r

（3Δφ=φ1r-φ2r=2k0nlr

（4

式（4中,Δφ表示相位差;φ1r、φ2r表示测量件反射膜反射并进入光纤中的光I1r和I2r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;ls表示信号臂光纤的长度;

lr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I1r2r,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:

ΔL=2Δl

（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Δt无限减小,并使之趋近于零,即Δt→0,这样,质点

的平均速度就会趋向于一个确定的极限矢量,这个极限矢量称为t时刻的瞬时加速度a,即

a=dt=2

dt

2

（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

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—85

2　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;9（12:

3199—3202

3　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—13

4　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—50

5　YangJia,JiaShuhai,DuYanfen.Novelopticalaccelerometerbased

onFresneldiffractivemicrolens.SensorsandActuatorsA:

Physical,

2009;151:

133—140

6　石云波,祁晓瑾,刘　俊,等.MEMS高G值加速度传感器设计.系

统仿真学报,2008;20（16:

4306—4309

DesignofaNewOpticalFiberMEMSAccelerometer

ZHANGWei2liang,FANGXiao2yong,CUIXiao2guang,YANGZhen

（CollegeofScience,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,P.R.China

[Abstract]　Duetotheextensiveapplicationofmicro2mechanicalsystems,thedesignofmicro2accelerometerisanincreasinglydiversified,afiber2opticaccelerometerbasedonMichelsonintensitymodulationispresentedandthestructuredesignandoperationalprincipleofthefiber2opticaccelerometerareexpatialed,usingonlyoneopticalfiberfortransmission,toavoidtheimpactofvarioustypesofdeformation.

[Keywords]　MEMS　　fiber2opticaccelerometer　　interference　　intensity

5

92417期张伟亮,等:

MEMS新型光纤加速度传感器设计