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

摘要

本发明公开了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。它采用微光纤放置成直径可变的环，微光纤是在除去涂敷层以后，通过激光加热拉锥，在标准单模光纤中拉制出一段直径为1～25微米的微光纤。微光纤与标准单模光纤之间通过一个渐变的锥形过渡区相连。微光纤部分放置成可变直径的环，微光纤环交叉处的两根微光纤保持轴向平行，其中一根微光纤固定在传感加速度的可动质量块上，另一根固定在硅基底上。标准单模光纤输入端与宽谱光源连接，输出端与光纤光谱仪连接，利用可变直径的微光纤环作为高灵敏度的传感器件实现对加速度的传感。本发明提高了光学微机械加速度传感器的测量精度和稳定性；增加了动态测量范围。

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；

图中：微光纤环1、微光纤环耦合区2、标准光纤输入端3、标准光纤输出端4、过渡区5、微光纤6、耦合光线7、耦合模式8、可动质量块9、弹性微悬臂梁10、固定框架11、氟化镁薄膜12、紫外胶13、硅基底14、入射光线15、出射光线16、传感模块17、宽谱光源18、光纤光谱仪19。

具体实施方式

由于现有的微光机电加速度传感器普遍存在工艺复杂，加工难度大，测量精度低，动态范围小等很难实用化的问题，为了能够实现高精度、大动态范围的测量，并且降低制作难度和成本，提出了采用微光纤与微机械工艺相结合的测量方式，利用直径可变微光纤环构成环形谐振腔代替普通光纤端面或者微机械的fabry-perot腔作为传感器件，该微光纤是利用标准单模光纤拉制出的直径为1～25微米具有超高品质因数和高精密度的细光纤，微光纤环所构成的环形谐振腔无需腔内表面镀膜，工艺要求不高；光在环形谐振腔中谐振加强，并且输出的光谱特性稳定；通过测量微光纤环谐振腔的输出谱线不仅能提高测量精度，而且有很强的抗干扰能力；采用可变直径的微光纤环作为腔长可变的微型谐振腔，大大提高了系统的测量动态范围。

如图1所示，微光纤是在除去涂敷层以后，通过激光加热拉锥，在直径125微米的标准单模光纤中拉制出一段直径1～25微米，具有超高的品质因数和高精密度的细光纤。

如图2所示，微光纤与标准单模光纤之间通过一个渐变的锥形过渡区相连。微光纤部分放置成环并通过微机械工艺嵌入到敷低折射率介质的基底上。

如图3所示，传播的光线在微光纤环的耦合区中的发生耦合，光线从一根微光纤部分耦合进入另一根微光纤传播。

如图4所示，在微光纤环的耦合区的两根轴向平行的微光纤由于近场效应产生倏逝波耦合，耦合区中两根微光纤之间的模式传播。

如图5所示，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13，由于微光纤直径非常细，为了防止直径可变的微光纤1环在运动过程中断裂，因此在硅基底上刻有圆形凹槽，并将微光纤环嵌入到刻好的圆形凹槽内，微光纤环两端分别为标准光纤输入端3、标准光纤输出端4，微光纤环的交叉处为微光纤环耦合区2，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9，可动质量块经弹性微悬臂梁10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，将连接可动质量块的固定架与固定硅基底集成为一体，可动质量块通过弹性悬臂梁可沿微光纤的轴向方向运动，从而传感微光纤轴向加速度的变化。

如图6所示，在标准光纤中，光只在直径很小的光纤芯径中传输，芯径外围部分为折射率比芯径低的包层；而在微光纤中，光在整个微光纤直径范围内传输，微光纤周围空气层即为包层。如果微光纤直接与比光纤折射率高的材料接触，光能量会很容易耦合到与它接触的材料中去，导致光能量很快衰减。在测量中，为了获得足够强度的光能量，就要防止光能量耦合到与之接触的材料中去，我们首先利用光刻、湿法刻蚀工艺在硅基底上刻蚀出带微悬臂梁的可动质量块和固定的硅基底机构，以及质量块和硅基底上用于固定微光纤和放置微光纤环的v形槽和圆形凹槽。然后在硅基底13、可动质量块9与微光纤接触表面均镀上氟化镁薄膜，氟化镁的折射率低于微光纤，从而保证光能在微光纤中传播，不会耦合到与其接触的材料中去，氟化镁薄膜的厚度为0.3-1微米。微光纤环耦合区2中的两根微光纤6通过低折射率的紫外胶固定在硅基底13、可动质量块9上。

如图7所示，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，在耦合区微光纤中传播的光部分耦合进入微光纤环，并在微光纤环中不断谐振，由于入射光线不断在耦合区耦合进入微光纤环，使得微光纤环所形成的谐振腔中谐振光不断加强，当环形谐振腔的腔长不变时，将输出稳定的光谱信号

如图8所示，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也随之发生变化；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。

如图9所示，在微光纤环的加速度传感器测量系统中，标准光纤输入端通过SMA905接口与宽谱光源连接，入射光通过标准光纤、过渡区、进入到到微光纤中传播，并在微光纤环中形成谐振；整个传感模块被封装在同一个基底上；微光纤环标准光纤的输出端通过SMA905接口与光纤光谱仪连接，光纤光谱仪扫描输出光谱线的变化，从而传感轴向加速度的变化。

实施例

将直径为125微米的标准单模光纤除去涂敷层，利用激光照射加热单模光纤，拉制出的一段直径为5微米的微光纤，它包括标准光纤、过渡区和微光纤。通过光刻、湿法刻蚀的方法加工出由有弹性微悬臂梁支撑并带有V形槽的可动质量块和与之连接的固定架，在固定硅基底上也刻出V形槽和圆形凹槽的结构，并在质量块、硅基底与微光纤接触的表面镀上一层厚度为0.5微米的氟化镁薄膜，连接可动质量块的固定架和固定硅基底集成在同一个基板上。微光纤环耦合区域中的两根微光纤为轴向平行，并保证耦合区域中的两根微光纤有数微米的交叠，其中一根微光纤利用低折射率的紫外胶固定可动质量块的V型槽中，另一根微光纤以同样方式固定在硅基底上的V型槽中，同时将微光纤环部分嵌入到基底的圆形凹槽中，并封装传感模块。标准单模光纤的输入端通过SMA905接头与宽谱光源连接，入射光通过标准光纤、过渡区、进入到到微光纤中传播，光在微光纤环的耦合区通过近场效应使微光纤环形成环形的光学谐振腔，可动质量块敏感微光纤轴向加速度后运动可改变环形谐振腔腔长，根据不同的腔长，输出不同的光谱。微光纤环结构中的标准光纤输出端通过SMA905接头与光纤光谱仪连接，通过光谱仪扫描微光纤环输出光谱的变化，可实时地传感微光纤轴向加速度的变化情况。