[发明专利]一种基于MEMS的声压、气流传感器

说明书

本发明公开了一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽，上述结构的加工均是基于MEMS技术，其中波导结构位于悬臂梁结构的表面，光纤导槽结构位于悬臂梁结构的两侧并与波导结构存在匹配关系。通过本发明利用悬臂梁结构将声压或气流的强弱转化为该悬臂梁结构不同程度的形变，光纤导槽结构用于固定光纤，悬臂梁结构不同程度的形变导致光纤与波导结构不同程度的耦合失配，耦合失配通过输出、输入光能比测出，通过耦合失配间接检测气压或气流。

技术领域

本发明属于声压、气流传感测量领域，更具体地，涉及一种基于MEMS的声压、气流传感器。

背景技术

声压及气流检测在地震预测、核爆信息采集、管道泄露监控以及天气预报等领域有重要的应用。传统的方案比如基于电容(压)式麦克风的传感系统在灵敏度、抗电磁干扰能力等方面已经不能满足当前的需求。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是指采用微机械加工技术制作的集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路及各类接口于一体的微系统。该技术的优势在于微型化、多功能化和智能化。

目前，有多种利用MEMS技术的方案可用于测量声压、气流。例如，(1)基于MEMS技术的电容式传感器来测量超声波，该方案中超声波作用在MEMS膜片上使之发生形变进而使得电容发生改变，通过测量电容来间接检测超声波。该方案利用MEMS技术加工复杂结构来控制寄生电容，提高了测量的准确度，但是该传感器不能应用于强电磁场、高湿度等恶劣环境。(2)利用光纤来测量气流的方案，光纤形变后，从光纤射出的光斑的位置也会相应发生改变，再利用二维CCD采集光斑的位置，最后推算出气流速度及方向。该方案利用光纤作为传感器件并且输出量为光学量，在应对恶劣环境具有一定优势，但是该方案的测量精度与光纤长度、光纤到CCD的距离呈正相关，这对器件的组装精度提出了很高要求，同时光斑位置的判断需要使用二维CCD，不仅增加了系统成本，且不利于实现系统的微型化和集成化。(3)基于MEMS悬臂梁的声压测量方案，该方案用悬臂梁传感声压并用外部迈克尔逊干涉仪测量悬臂梁形变，该方案的主要问题在于系统构成复杂、安装调试繁琐。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于MEMS的声压、气流传感器，由此解决现有的基于MEMS技术的声压、气流传感器存在的使用环境有限、成本高、结构复杂以及测量精度较低等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS的声压、气流传感器，包括：悬臂梁、波导以及光纤导槽；

所述波导位于所述悬臂梁的表面，所述光纤导槽位于所述悬臂梁的两侧，其用于放置光纤；

所述光纤导槽的宽度与所使用光纤的外径相同，所述光纤导槽的深度由所使用光纤的外径以及所述波导的目标位置确定，其中，所述波导的目标位置应满足在波导形变为0时，在所使用光纤的中心位于所述波导下表面上方目标距离时，所述波导与所使用的光纤形成的能量耦合比随所述波导形变的变化率最大。

优选地，所述光纤导槽的深度的确定方式为：其中，d为光纤导槽的深度，d'为所述目标距离。

优选地，所述波导为单模波导，且所述波导的本征模式与所使用光纤的本征模式之间的差异在预设范围内。

优选地，所述波导为直线型波导或S型波导。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明采用波导和悬臂梁一体化的设计思路，其间利用悬臂梁结构将被测声压和气流物理量转换为悬臂梁的机械形变，同时利用高度集成化的波导-光纤耦合结构测量悬臂梁的形变，进而获得声压和气流信息。