[发明专利]基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法。

背景技术

加速度传感器是一种利用已知可以探测的物理量去传感或间接测量加速度变化的传感器件，它在航空航天、导弹定位制导、工业制造以及车辆安装装置等领域都有着广泛的应用。目前有各种基于不同传感原理的加速度传感器，近几年随着微机械加工工艺的进步，基于该工艺的微机械加速度传感器也得到了迅速地发展，微机械加速度传感器相比于常规的加速度传感器具有集成度高、体积小、功耗低等显著优势，但目前绝大多数的微机械加速度传感器却存在着测量精度低、测量动态范围小的缺点。为了能够提高微机械加速度传感器的测量精度和动态范围，并结合光学在精密测量领域有其独特的优势，因此采用光学与微机械工艺相结合的光学微机械(MOEMS)加速度传感器成为了其中一个重要的发展方向。

在现有报道中，光纤微机械加速度传感器多是采用普通光纤测量由外界加速度变化引起光强变化的方法，然而光强测量在抗干扰能力方面的不足制约了此类传感器的实用化，为了解决光强测量抗干扰能力差的问题，出现了采用普通光纤端面反射形成fabry-perot腔的加速度传感器，这种光学谐振腔式加速度传感器以测量输出谐振光频率取代了测量输出光强，但是光纤端面镀膜的工艺难度较大，并且光纤端面平行度差和耦合效率低都成了难以解决的问题；在国际上对光学微机械加速度传感器的最新研究中，采用了微机械工艺制作光学fabry-perot腔，这种微型光学谐振腔式的加速度传感器在集成度和耦合效率上都优于光纤端面fabry-perot腔式，但在微谐振腔反射表面镀膜和腔壁平面粗糙度的处理工艺上却有着相当大的难度，所需要的加工测试仪器也非常昂贵，并且此类微谐振腔传感器测量的动态范围很小，很难达到实际应用的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题而提出一种实现高精度、大测量范围、高集成度的基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器及其方法。

基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器具有硅基底，在硅基底上刻有圆形凹槽，圆形凹槽内放置有直径可变的微光纤环，微光纤环两端分别通过过渡区与标准光纤输入端、标准光纤输出端连接，微光纤环的交叉处为微光纤环耦合区，耦合区中两根交叉的微光纤为轴向平行，微光纤环耦合区上方设有加速度传感装置，加速度传感装置具有可动质量块，可动质量块经弹性微悬臂梁与固定架相连，耦合区两根微光纤中的一根微光纤固定在可动质量块上，另一根微光纤固定在硅基底上。

所述的微光纤直径为1～25微米。硅基底、可动质量块与微光纤接触表面镀有氟化镁薄膜，氟化镁薄膜的厚度为0.3-1微米。微光纤环耦合区中的硅基底、可动质量块与微光纤采用低折射率的紫外胶固定。

基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感方法：利用直径为1～25微米的微光纤作为传感器件，用可变直径的微光纤环构成环形微谐振腔实现传感；当光在直径可变的微光纤环中传播时，在微光纤环的耦合区的两根轴向平行的微光纤由近场效应产生倏逝波耦合，使微光纤环形成微型的环形光学谐振腔，当腔长不变时，环形谐振腔输出稳定的光谱信号；当微光纤环交叉处的可动质量块敏感到外界轴向加速度变化时，可动质量块带动一根微光纤作轴向运动，轴向运动的微光纤带动微光纤环在基底圆形凹槽内产生伸展收缩，从而改变微光纤环的周长，使得微光纤环的直径发生变化，即微光纤环所构成的环形谐振腔的腔长发生变化，此时环形谐振腔输出的光谱随之发生变化；根据光谱的变化传感可动质量块所敏感的外界轴向加速度的变化。

本发明的有益效果：

1)实现了利用可变直径微光纤环取代传统光学谐振腔传感加速度的方法；

2)实现了将微光纤环与微机械工艺相结合的制作技术

3)提高了光学微机械加速度传感器的测量精度和稳定性；

4)增加了光学谐振式微机械加速度传感器的动态测量范围。

附图说明

图1是利用微光纤构成的微光纤环示意图；

图2是利用去除涂覆层的单模光纤，通过高温拉制工艺加工出来的直径范围在1～25微米的微光纤示意图；

图3是微光纤环耦合区示意图；

图4是微光纤环耦合区中由近场效应产生的倏逝波传播示意图；

图5是基于可变直径微光纤环的光学微机械加速度传感器示意图；

图6是利用微机械工艺加工出的微结构示意图；

图7是微光纤构成的环形微谐振腔原理示意图；

图8是基于微光纤环的加速度传感器传感原理示意图；

图9是基于微光纤环的加速度传感器测量系统示意图；