光纤mems法珀加速度传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种纤MEMS法珀加速度传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，很多领域都会涉及到加速度测量，特别是一些特殊应用场合，如高温，腔电磁，强腐蚀等场合。传统的加速度传感器是利用检测敏感质量块的振动，将振动信息转换为电阻、电容、电压等参数，通过外围电路提取出加速度的信息，这类传感器很难应用到航空航天、石油勘探等易燃易爆的恶劣环境中。由于光纤传感具有高灵敏度、大动态范围、响应快、抗电磁干扰和容易复用等特性，基于光纤传感技术的加速度传感器正受到越来越多的重视和研究。
[0003]目前，光纤加速度传感器，主要包括光强调制型、波长调制型和相位调制型三种。相位调制型光纤加速度传感由于其高性能和低成本等特性，被广泛研究和应用，一般是采用干涉仪将惯性力转化为干涉信号的相位变化实现加速度或位移传感，常用的干涉仪有Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪和Fabry-Perot (法布里一泊罗，以下简称“法?白”)干涉仪。现有的光纤法珀加速度传感器，传感器采用部件组装，使传感器结构复杂。单个制造光纤法珀传感器，批量生产的质量一致性较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种光纤MEMS法珀加速度传感器及其制作方法。
[0005]本发明是通过如下技术方案实现的:
一种光纤MEMS法珀加速度传感器，包括外壳、光纤套管、光纤、半反面、反射面、加速度敏感元件和基座；其中，外壳、加速度敏感元件和基座的外径相同，三者依次由上至下对齐设置并通过MEMS键合技术实现连接；外壳沿其竖直轴线开设有通孔，光纤套管插装在外壳的通孔内，光纤插装在光纤套管内，光纤出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面，加速度敏感元件的中心位置表面经过抛光或者镀膜作为反射面(半反面和反射面也可采用其它方式提高其反射率，如溅射金属层等方式)，半反面与反射面平行设置且之间留有空隙以形成法珀腔，通过控制半反面(光纤出光面)到反射面的距离，调节法珀腔的腔长。
[0006]所述的加速度敏感元件包括支撑框、弹性膜片和质量块，质量块位于支撑框内的中心位置且二者通过弹性膜片连接，质量块和弹性膜片构成质量-弹簧系统，弹性膜片为平膜片、镂空膜片或十字梁，质量块的上表面经过抛光或者镀膜作为反射面。
[0007]所述的光纤套管和光纤可以由梯度折射率透镜和尾纤代替，梯度折射率透镜和尾纤相连，梯度折射率透镜的出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面。
[0008]所述的的外壳、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]本发明光纤MEMS法珀加速度传感器的制造方法，包括如下步骤:I)取三层玻璃片或硅片或碳化硅片，其中一层阵列化加工外壳及半反面，一层阵列化加工加速度敏感元件，一层阵列化加工基座；2)通过MEMS键合技术将外壳层、加速度敏感元件层和基座层实现连接，通过划片分离每个连接好的加速度传感器；3)分离好的每个加速度传感器采用熔接技术进行光纤套管及光纤的安装。
[0010]光通过光纤进入法珀腔，在半反面和反射面之间进行多次反射，通过光学干涉转换为法珀腔的干涉信号的相位变化，通过解调干涉信号的相位变化实现加速度传感。
[0011]本发明光纤MEMS法珀加速度传感器，由于其性能只与加速度敏感元件的结构参数(包括但不限于:弹性膜片的厚度、直径、杨氏模量，质量块的直径和质量)有关，因此可以根据被测量对象，优化膜片参数使传感器具有合适的共振频率。而由惯性式传感器的原理，当激励频率远远小于传感器的共振频率时，法珀腔的腔长变化与被测物体的加速度幅度成正比。因此，传感器可以被用来进行加速度的测量。
[0012]本发明光纤MEMS法珀加速度传感器中没有引入任何带电元件，因此可以避免电磁干扰，十分适合于远程和复杂电磁环境下的振动测量。通过MEMS技术一次性阵列化加工传感器，通过熔接技术实现光纤和外壳的固定。本发明具有体积小、批量生产，一致性好，温度系数低，耐高温的优点，能够满足常规及特殊环境下的加速度测量。
[0013]本发明光纤MEMS法珀加速度传感器，先分别在玻璃或者硅片或者碳化硅上阵列化加工外壳、加速度敏感元件及基座，然后通过MEMS技术将外壳层、加速度敏感元件层及基座层实现连接，这使得批量生成的传感器质量一致性较好。通过MEMS键合技术实现外壳、加速度敏感元件和基座连接，采用玻璃熔接技术分别在每个传感器安装光纤套管和光纤，避免了采用胶粘和机械固定带来的温度系数较大的问题。并且本发明光纤MEMS法珀加速度传感器的结构十分简单，这大大降低了加工和调试难度。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的结构示意图。
[0015]图2为本发明中平膜片结构的加速度敏感元件的结构示意图。
[0016]图3为本发明中十字梁结构的加速度敏感元件的结构示意图。
[0017]图4为本发明中镂空膜片结构的加速度敏感元件的结构示意图。
[0018]图5为本发明中加速度敏感元件制作过程示意图。
[0019]图中:1-外壳、2-光纤套管、3-光纤、4-半反面、5-反射面、6-加速度敏感元件、6-1-支撑框、6-2-弹性膜片、6-3-质量块、7-基座、8-法珀腔。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本发明作进一步的描述:
如图1所示，一种光纤MEMS法珀加速度传感器，包括外壳1、光纤套管2、光纤3、半反面4、反射面5、加速度敏感元件6和基座7 ;其中，外壳1、加速度敏感元6件和基座7的外径相同，三者依次由上至下对齐设置并通过MEMS键合技术实现连接；外壳I沿其竖直轴线开设有通孔，光纤套管2插装在外壳I的通孔内，光纤3插装在光纤套管2内，光纤3出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面4，加速度敏感元件6的中心位置表面经过抛光或者镀膜作为反射面5，半反面4和反射面5也可采用其它方式提高其反射率，如溅射金属层等方式，半反面4与反射面5平行设置且之间留有空隙以形成法珀腔8。
[0021]具体实施时，所述的加速度敏感元件6包括支撑框6-1、弹性膜片6-2和质量块
6-3，质量块6-3位于支撑框6-1内的中心位置且二者通过弹性膜片6-2连接，弹性膜片6_2为平膜片、见图2，或十字梁、见图3，或镂空膜片、见图4 ;而所述的反射面5即通过抛光或者镀半反膜设于质量块6-3的上表面。
[0022]所述的光纤套管2和光纤3可以由梯度折射率透镜和尾纤代替，梯度折射率透镜和尾纤相连，梯度折射率透镜的出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面。
[0023]所述的的外壳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]本发明光纤MEMS法珀加速度传感器的制造方法，包括如下步骤:I)取三层玻璃片或硅片或碳化硅片，其中一层阵列化加工外壳，一层阵列化加工加速度敏感元件及反射面，一层阵列化加工基座；2)通过MEMS键合技术将外壳层、加速度敏感元件层和基座层实现连接，通过划片分离每个连接好的加速度传感器；3)分离好的每个加速度传感器采用熔接技术进行光纤套管及光纤的安装。
[0025]其中，加速度敏感元件及反射面的具体加工方法如图5所示，具体包括如下步骤:
a、备片:4寸N型(100)娃片；b、清洗娃片，在娃片正面放置I号光刻板；c、派射金属薄膜，依次派射Ti+Pt+Au三层金属膜；d、剥离I号光刻板及其上的金属薄膜，最后在娃片中心形成反射面5 ;e、在硅片正面放置2号光刻板；f、对硅片正面进行刻蚀，以形成支撑框6-1和质量块6-3的上半部分；g、去2号光刻板、去胶；h、在硅片背面放置2号光刻板；1、对硅片背面进行刻蚀，以形成支撑框6-1和质量块6-3的下半部分，以及形成弹性膜片6-2 ; j、去2号光刻板、去胶；k、最后即形成所述的加速度敏感元件及反射面。
【主权项】
1.一种光纤MEMS法珀加速度传感器，其特征在于:包括外壳(I)、光纤套管(2)、光纤(3)、半反面(4)、反射面(5)、加速度敏感元件(6)和基座(7);其中，外壳(I)、加速度敏感元(6)件和基座(7)的外径相同，三者依次由上至下对齐设置并通过MEMS键合技术实现连接；外壳(I)沿其竖直轴线开设有通孔，光纤套管(2 )插装在外壳(I)的通孔内，光纤(3 )插装在光纤套管(2)内，光纤(3)出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面，加速度敏感元件(6 )的中心位置经过抛光或者镀膜作为反射面，半反面(4 )与反射面(5 )平行设置且之间留有空隙以形成法珀腔(8)。2.根据权利要求1所述的光纤MEMS法珀加速度传感器，其特征在于:所述的加速度敏感元件(6 )包括支撑框(6-1)、弹性膜片(6-2 )和质量块(6-3 )，质量块(6-3 )位于支撑框(6-1)内的中心位置且二者通过弹性膜片(6-2)连接，弹性膜片(6-2)为平膜片、镂空膜片或十字梁。3.根据权利要求1或2所述的光纤MEMS法珀加速度传感器，其特征在于:所述的光纤套管(2)和光纤(3)能够由梯度折射率透镜和尾纤代替，梯度折射率透镜和尾纤相连，梯度折射率透镜的出光面经过抛光或者镀半反膜作为半反面。4.根据权利要求1或2所述的光纤MEMS法珀加速度传感器，其特征在于:所述的的外壳(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.根据权利要求3所述的光纤MEMS法珀加速度传感器，其特征在于:所述的的外壳(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.如权利要求1所述的光纤MEMS法珀加速度传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤:1)取三层玻璃片或娃片或碳化娃片，其中一层阵列化加工外壳，一层阵列化加工加速度敏感元件及反射面，一层阵列化加工基座；2)通过MEMS键合技术将外壳层、加速度敏感元件层和基座层实现连接，通过划片分离每个连接好的加速度传感器；3)分离好的每个加速度传感器采用熔接技术进行光纤套管及光纤的安装。
【专利摘要】本发明为一种光纤MEMS法珀加速度传感器及其制作方法，该加速度传感器主要由外壳、光纤、加速度敏感元件、基座等构成，采用MEMS技术加工传感器的外壳、加速度敏感元件和基座，通过MEMS键合技术实现基座、加速度敏感元件和外壳的固定，光纤固定在光纤套管内，通过熔接技术实现光纤和外壳的固定。通过MEMS技术在加速度敏感元件的中央加工质量块，将光纤出光面和加速度敏感元件上的质量块平行放置构成法珀腔实现高灵敏度测量。本发明具有体积小、批量生产，一致性好，温度系数低，耐高温的优点，能够满足常规及特殊环境下的加速度测量。
【IPC分类】G01P15/00
【公开号】CN105158506
【申请号】CN201510544653
【发明人】贾平岗, 熊继军, 梁庭, 洪应平, 曹群, 房国成, 薛晨阳, 刘俊, 张文栋
【申请人】中北大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月31日