专利名称：基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于微机电系统(MEMS——Micro Electro Mechanical System)、菲涅尔衍射微透镜和光纤技术相结合的光学加速度传感器。
背景技术：
在飞行器的飞行控制系统中，惯性导航是最重要的导航方式之一，采用三个正交陀螺和三个正交加速度传感器可以综合成惯性测量组合，它可以提供飞行器的姿态、位置等信息。目前航空业中实际使用的加速度传感器多为压电式、电磁式以及电容式传感器，这些传感器直接得到的都是电信号，存在抗电磁干扰和电磁冲击能力弱的问题。
采用MEMS技术制造的传感器，具有体积小、重量轻、低成本等优点。但是，目前MEMS加速度传感器的精度还不高，还很难满足一些飞行器惯性导航的精度要求；另外目前MEMS加速度传感器所采用的是压阻式、电容式、压电式等原理，仍属于电信号的范畴。
解决上述问题的根本方法就是发展利用光学进行传感和信息传输的光传操纵系统。这将极大地提高飞行器的抗电磁干扰和电磁冲击能力。但现有的加速度传感技术还均无法满足飞行控制系统中光传操纵系统发展的需要。
经文献检索发现中国专利CN 1588094A(2005年3月2日公开)提出了一种平面光波导的微重力加速度传感器，它的原理是激光器发出的光满足耦合条件后耦合进入一个光波导结构中，当传感器响应加速度时，探测质量块发生位移引起光波导的导波层厚度的改变，从而导致反射的光强的变化，通过测量光强的变化而实现加速度的测量。这种结构存在体积和质量比较大，抗环境干扰能力弱等不足。
美国专利6018390(Jan.25，2000)提出了一种光波导加速度计，它在一个基片上对称地固定两个螺旋形波导管，基片的两侧各安装一个敏感加速度的检测质量，外界加速度的作用使得检测质量压迫螺旋形波导，从而使得波导管中反射回来得光发生相移，通过探测光的变化实现加速度测量。这种传感器结构受温度变化的影响比较大，加工工艺复杂。
本发明的目的在于提供一种抗电磁干扰和电磁脉冲能力强的、低成本、高精度的微型光学加速度器的新结构。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是，提出一种基于微机电系统(MEMS)、菲涅尔衍射微透镜和光纤技术相结合的光学加速度传感器，该传感器采用了一种利用加速度改变菲涅尔衍射微透镜焦点光强的新原理来敏感加速度。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器，其特征在于，该传感器包括一玻璃基片，在玻璃基片的下方有用于传递光的光纤，玻璃基片的表面上加工有一个菲涅尔衍射微透镜，菲涅尔衍射透镜上方平行放置有微反光膜，微反光膜和菲涅尔衍射微透镜之间有微小的间隙，微反光膜的反光面朝向菲涅尔衍射透镜，微反光膜的另一面上加工有一个敏感加速度的微质量块，微反光膜通过四个平面微弹簧与框架连接，光纤端部重合置于菲涅尔衍射透镜的焦点处，框架、玻璃基片、光纤都固定在传感器外壳上；从光纤端部发出的波长为λ的光，在菲涅尔衍射微透镜处一部分被反射，另一部分透过菲涅尔衍射微透镜后被微反光膜反射回来再次透过菲涅尔衍射微透镜，光经过菲涅尔衍射微透镜、菲涅尔衍射微透镜和微反光膜之间的空气隙、微反光膜的衍射后，会在菲涅尔衍射微透镜焦点处根据微反光膜位置的不同形成不同的光强值。当传感器响应加速度时，微反光膜相对于菲涅尔衍射微透镜产生位移，从而引起菲涅尔衍射微透镜焦点处光强的变化，通过探测焦点处的光强变化来实现加速度的测量。
上述的菲涅尔衍射微透镜是通过溅射、光刻和刻蚀等方法在玻璃基片上加工出来的；微反光膜的反光面一侧是沉积的一层金属反光膜，另外一侧采用MEMS技术加工出一个微质量块；把微反光膜和菲涅尔衍射微透镜平行地放置，并且留有一个微小的间距；光纤端部既是光的发射端又是光的接收端。
此传感器虽然是光强型的传感器，但理论上却具有光干涉型传感器的灵敏度，故灵敏度很高；此传感器在光域进行敏感，故具有很好的抗电磁干扰和电磁冲击的能力；同时还具有体积小、重量轻、易于批量制造、成本低等优点。此传感器不仅可以应用于航空业，还可以应用于许多高电磁干扰环境和要求高精度传感的领域，如舰艇、发电机组、核电站等许多场合。
图1为本发明传感器的结构示意图；图2为本发明传感器的纵向切面示意图；图3为本发明传感器的俯视图；图4为本发明传感器中的菲涅尔衍射微透镜示意图。
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
具体实施例方式
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器主要组成部分为光纤1、光纤端部2(光纤端部2即为光纤1的端部)、玻璃基片3、菲涅耳衍射微透镜4、微反光膜5、微质量块6、微弹簧7、固定弹簧的框架8、外壳(图中未画出)。
如图1所示，在玻璃基片3的表面采用溅射、光刻、腐蚀等微细加工工艺加工出一个菲涅尔衍射微透镜4，菲涅尔衍射微透镜4的奇数(或偶数)半波带镀上一层反光的金属膜，偶数(或奇数)带保持玻璃的透明性；微反光膜5与菲涅尔衍射微透镜4平行地放置并保持微小的间距(几个波长数量级)，在微反光膜5与菲涅尔衍射微透镜4相邻的一侧镀有一层金属膜，另外一侧加工出一个用来敏感加速度的微质量块6。微反光膜5通过四个平面微弹簧7连接在固定用的框架8上(在此图中，框架8没有画出)，在加速度力的作用下，微质量块6会带动微反光膜5发生移动。光纤1是用来传输光的，光纤端部2固定于菲涅尔衍射微透镜4的焦点处。为保证传感器的灵敏度，光纤端部2应该与菲涅尔衍射微透镜4的焦点有较高的重合度。光纤端部2既是光的发射端又是光的接收端，往返的光都由同一根光纤1来传输。光纤1、玻璃基片3、框架8都和一个外壳固定连接(在图中没有画出外壳，外壳可以为多种形式)。
如图2所示，从光纤端部2发出的光经过菲涅尔衍射微透镜4被分成两部分，一部分直接被菲涅尔衍射微透镜4反射了回来，另外一部分则透过了菲涅尔衍射微透镜4。透过菲涅尔衍射微透镜4的光经过微反光膜5反射回来，再次透过菲涅尔衍射微透镜4到达焦点处时和直接被菲涅尔衍射微透镜4反射回来，到达菲涅尔衍射微透镜4焦点处的光有了一个相位差，而且相位差的大小是和微反光膜5的位置有关的。这样焦点处的光强大小就和微反光膜5的位置有关。当传感器响应外界加速度时，微质量块6会带动微反光膜5产生一个位移，从而引起焦点处的光强发生变化，通过测量焦点处的光强的变化来实现加速度的测量。
图3示出了本发明传感器的俯视图。在微反光膜5的外侧加工出一个敏感加速度的微质量块6，同时微反光膜5的通过四个平面微弹簧7连接在框架8上。框架8和传感器的外壳固定在一起(外壳没有在图中画出来)。
图4示出了菲涅尔衍射微透镜4的示意图。菲涅尔衍射微透镜4是在玻璃基片3表面上通过溅射、光刻和刻蚀等方法加工出来的。菲涅尔衍射微透镜4的半径约为0.2mm～0.6mm，半波带数目为50时对应的焦距约为2mm～20mm。图中是在偶数的半波带上镀上了一层反光的金属膜，奇数带保持玻璃的透明性。每个半波带的半径有特殊的要求，即对于传感器的工作波长λ的光，从焦点到相邻半波带的往返光程差应为λ/2。
将这种传感器固定在待测物体上，当物体存在加速运动时，传感器中的微质量块6会产生一个加速度力，这会引起微反光膜5和菲涅尔衍射微透镜4之间的间距发生变化，通过检测光纤1中光强的变化，就可以检测出加速度。
以上是发明人给出的一个实现的具体例子，但本发明并不限于该实施例，菲涅尔衍射微透镜4的参数可以发生变化，只要在本发明技术方案的结构上所作的简单变化，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器，其特征在于，该传感器包括一玻璃基片(3)，在玻璃基片(3)的下方设有用于传递光的光纤(1)，玻璃基片(3)的表面上加工有一个菲涅尔衍射微透镜(4)，菲涅尔衍射微透镜(4)上方平行放置有微反光膜(5)，微反光膜(5)和菲涅尔衍射微透镜(4)之间有一个微小的间隙，微反光膜(5)的反光面朝向菲涅尔衍射透镜(4)，微反光膜(5)的另一面上加工有一个敏感加速度的微质量块(6)，微反光膜(5)通过四个平面微弹簧(7)与框架(8)连接，光纤端部(2)重合置于菲涅尔衍射透镜(4)的焦点处，框架(8)、玻璃基片(3)、光纤(1)都固定在传感器外壳上；从光纤端部(2)发出的波长为λ的光，在菲涅尔衍射微透镜(4)处被反射一部分，另一部分透过菲涅尔衍射微透镜(4)后被微反光膜(5)反射回来再次透过菲涅尔衍射微透镜(4)，光经过菲涅尔衍射微透镜(4)、菲涅尔衍射微透镜(4)和微反光膜(5)之间的空气隙、微反光膜(5)的衍射后，会在菲涅尔衍射微透镜(4)焦点处根据微反光膜(5)位置的不同形成不同的光强值，当传感器响应加速度时，微反光膜(5)相对于菲涅尔衍射微透镜(4)产生位移，从而引起菲涅尔衍射微透镜(4)焦点处光强的变化，通过探测焦点处的光强变化来实现加速度的测量。
2.如权利要求1所述的基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器，其特征在于，所述的菲涅耳衍射微透镜(4)作为聚光和传感元件，菲涅尔衍射微透镜(4)的偶数或奇数半波带上镀有一层反光膜，奇数或偶数带上保持玻璃的透明性，且半波带的半径满足对传感器的工作波长λ的光从菲涅尔衍射微透镜(4)焦点到相邻半波带的往返光程差为λ/2。
3.如权利要求1所述的基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器，其特征在于，所述的微反光膜(5)和菲涅尔衍射微透镜(4)之间的间隙为微米级。
全文摘要
本发明公开了一种基于菲涅尔衍射微透镜的光学加速度传感器，主要由光纤、玻璃基片、菲涅尔衍射微透镜、微反光膜、微质量块、微平面弹簧和外壳等构成。微反光膜与菲涅尔衍射微透镜平行放置，它们之间有微小间隙，微反光膜与菲涅尔衍射微透镜相对的一侧镀有金属反光膜，另外一侧加工出一个敏感加速度的微质量块；微反光膜通过四个平面微弹簧与固定框架相连。用光纤来传光，把光纤的端部固定在菲涅尔衍射微透镜的焦点处。外界的加速度会使微质量块带动微反光膜产生位移，从而使菲涅尔衍射微透镜焦点的光强发生变化，通过检测光纤中光强的变化，就可以检测出加速度。该传感器可用于飞行器控制系统，以及其它许多要求高精度传感和高抗电磁干扰的领域。
文档编号G01C21/10GK1743850SQ20051009606
公开日2006年3月8日 申请日期2005年9月26日 优先权日2005年9月26日
发明者贾书海, 孔维军, 杨佳 申请人:西安交通大学