光学位移传感器元件的制作方法
【专利说明】光学位移传感器元件
[0001] 本发明涉及光学位移传感器元件。示例可以为压力传感器或麦克风，其包括通过 由间隔件限定的腔分离的两个基本上平坦的表面，表面之间的距离根据相对于腔中的压力 的环境中压力波动是可变的。在表面之间距离上的改变可以由表面中的一个或两个的偏转 引起，或由压缩间隔件引起。
[0002] 直到最近诸如麦克风的位移传感器一直基于电容器结构和阻抗测量。这具有与灵 敏度、高电压偏置、层之间的隔离、相对于背电极的膜的对准和定位、对前置放大器的高要 求以及非线性响应相关的许多缺点，这些缺点均导致昂贵和复杂的解决方案。
[0003] 在US2005/0018541中描述了改善，其中具有调制衍射效率的衍射结构用于为位 移、压力、声信号等的测量提供光学传感器元件，而不需要复杂的光学器件。这是通过使用 具有聚焦能力的光栅以便去除或减少对复杂的光学器件的需要来实现的。这在下面以菲涅 尔波带片（Fresnel zone plates)为基础进行来解释。已知菲涅尔波带片是提供基于衍射 的平面透镜。该结构示于图1中。然而，提出的解决方案确实具有限于约λ/8的动态范围， 如图2中所示，图2示出通过移动反射表面所产生的信号。信号是周期的（在图中仅示出 第一周期）。前两个工作点由在λ/8和3λ/8处的两个圆圈示出。箭头示出了传感器的动 态范围，其中所产生的信号与反射表面的位置几乎是线性的。
[0004] 存在产生正弦或准正弦信号的其它类型的位置传感器，其中通过组合若干异相 信号来增加动态范围。BrowruDavid Α.等人的文章 "A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors" 国际光学工程学会，光纤和 激光传感器IX第1584卷（1991年）[1]和Reid、Greg J.以及David A. Brown的文章 "Multiplex architecture for 3x 3coupler based fiber optic sensors'，国际光学工 程学会，分布式多路复用光纤传感器RI，波士顿（1993年）[2]讨论了基于光纤的位置传感 器的示例，其中它使用了具有0、120°和240°相移的3个信号，以取得具有若干波长的动 态范围的位置。也可能的是用正交信号（90°相位偏移），如在Stowe，D.和Tsung-Yuan Hsu.的"Demodulation of interferometric sensors using a fiber-optic passive quadrature demodulator"，光波技术杂志第I期第3卷（1983年）：第519页-第523页 [3]中描述的。
[0005] 这也在光学干涉型传感器US2009/0268211，尤其是在摘要和段落[0013]、[0016] 和[0020]中有所提到。
[0006] 现有技术的另一个示例示于US7355720中，其似乎限于法布里-珀罗谐振器，其中 测量反射光的量。未反射的光被传输。该原理与我们发明的光栅读出不同，其中腔长的改 变调制光栅的衍射效率-即，多少光被主要引导到〇级（镜面反射）和-1/+1级。如果膜 是全反射性的，没有光被传输。在法布里-珀罗装置中使用全反射膜是不可行的：不会有用 腔长的改变的对反射光的任何调制。
[0007] 然而，专利US7355720提到使用若干信号以扩展动态范围，但首先那些信号是由 不同的波长产生的。然后段[0020]提到使用可以由若干信号询问的多个光腔的堆叠，似乎 也使用多个光源。D. Shin 和 B Kim 的文章 "A laser interferometer encoder with two micromachined gratings generating phase shifted quadrature'，，微观机械与微型工程 学报，第21卷（2011年）085039示出了使用具有两个不同光栅线周期的两个不同光栅的其 他位移编码器。在该实验中，来自两个光栅的信号被在其中光被衍射的角度分离，这反过来 是光栅线的周期的函数。为了分离两个信号，装置必须由准直光（本文中为具有聚光透镜 的体块型HeNe激光器）照明，以及必须将光电检测器放置在距离光栅相对较远处（本文中 为10mm)。由于正交的两个信号，可以在照明波长的几倍的动态范围上执行产生的测量，但 是测量将受到激光强度的变化的影响。
[0008] 因此，其是本发明的目的是提供具有增加的动态范围的相对简单和便宜的位移传 感器。还有一个目的是提供减少在光源中的强度变化影响的解决方案。使用如所附权利要 求中描述的根据本发明的传感器来解决本发明的目的。还可以通过使用将来自发散光源 (诸如VCSEL)的光聚焦到不同光电检测器上的聚焦衍射图案将所提供的解决方案集成为 紧凑的MEMS装置，从而提供分离来自不同衍射图案的信号的紧凑和简单的方式。
[0009] 基于上述公布，尤其是US2005/0018541来描述信号处理。
[0010] 本发明可以被描述为对于使用若干衍射元件的扩展。衍射元件可以被放置在相同 的反射表面下，并且衍射元件的高度相对于反射表面必须总是仅相差几乎恒定的高度偏移 (该几乎恒定的高度偏移对于每个衍射元件是不同的）。来自不同衍射元件的反射和/或 衍射被引导到若干检测器上，并产生具有相位差的信号。
[0011] 因此可以对原理进行如下描述：
[0012] 如果每个衍射元件将光引导到它自己的检测器上，给出电信号
[0014] 所述电信号具有相位偏移
[0016] 并且其中，I是照明强度，λ是照明的波长，Cl1是每个衍射元件当在其空闲位置 处时相对于反射表面的高度（距离），并且S是反射表面相对于其空闲位置的位移。可在 US2005/0018541中找到关于信号A是如何产生的其他信息。
[0017] 因此，原理是要读取具有不同相位偏移的若干信号，并且我们称该方法为多相位 读出。在特殊情况下，该方法可以被称为差分读出（当采取通常具有180°相位差的两个信 号的差时）或二次读数（当使用具有90°相位差的两个信号时）。
[0018] 组合若干异相正弦信号以便进行测量-并且或多或少直接增大动态范围-的 原理已经在若干装置中被实现，例如，在光学位置传感器ΕΡ2482040、US2005/0253052和 W02002/04895中。其它应用可以是干涉距离测量和TV-全息摄像（快速专利检索未返回关 于这些最后应用的相关结果）。我们想要将本发明局限于具有衍射读出的位置传感器，即当 使用衍射光栅或聚焦衍射透镜时。
[0019] 在US2005/0018541中，实现描述了"差分麦克风"，其中相对于反射表面具有两个 不同高度的两个衍射元件给出具有180°的相位差的两个信号AJPA 2，如在公布中的图9 所示。
[0020] 然后，我们有：
[0022] 通过组合AJPA2并直接取得反射表面的位移来消除在照明I中的波动是可能的：
[0024] 也可以通过测量由衍射元件聚焦的光（在第-1衍射级中）和由衍射元件反射的 光（第〇衍射级）来实现照明波动的消除，其产生具有η相位差的两个信号。同时使用反射 和衍射来消除照明波动被公布于2009年9月27日-30日卡普里岛的第三届关于光学微系 统的EOS专题会议（0yS'0