CN1945237A - 一种基于采用微光机电***的振动测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于采用微光机电***的振动测量装置,是由用于敏感振动的微光机电***和信号处理电路组成,敏感振动的微光机电***由单根探测光纤和硅基底上敏感振动的膜片组成,膜片敏感出振动信号,通过单探测光纤的读出方式将振动信号读取出来,再由同一单光纤传导至后续的信号处理电路,对敏感的信号进行光电转换、放大、滤波处理,提取出振动信号。其中微结构元件采用了在半导体基底上刻蚀而成的膜片结构,通过控制对半导体基底的加工工艺,改变膜片的悬臂梁结构、厚度、面积尺寸、形状、反射率以及表面褶皱的纹理,达到增强***探测能力的目的。本发明能使探测装置敏感部分尺寸降到与光纤同一量级,具有功耗小、结构简单,易于实现的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于采用微光机电***的振动测量装置,属于微光机电***中的光纤传感技术。
背景技术
利用微小结构和光读出的方式检测振动的***设计,与传统的机械***相比有着很多的优点:由于是采用光信号读出,因而可以实现非接触式的测量,不会影响***性能,对于精密***,不会对***表面造成损伤;光信号进行读出,所需要的光信号强度很小,因而***所需的功耗很小;选择不同的光谱,可以实现测量的可视化或不可视化;利用光纤结构读出,由于光纤本身体积微小,因而更能实现探测结构的小型化。目前,反射式强度型光纤测振动***的探测结构主要有光纤对型和多光纤型,但由于上述结构采用了一根以上的光纤,使得实现起来复杂程度增加,而且探测部分尺寸增大。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提出了一种基于微光机电***的微小结构对振动的测量装置,该装置有效地降低了探测结构的复杂度,提高***性能,实现了***的小型化。
本发明的技术解决方案:一种基于微光机电***的振动测量装置,其特征在于:由用于敏感振动的微光机电***和信号处理电路组成,敏感振动的微光机电***由单根探测光纤和在硅基底上刻蚀出的敏感振动的膜片组成,膜片敏感出振动信号,通过单探测光纤的读出方式将振动信号读取出来,再由同一单光纤传导至后续的信号处理电路,对敏感的信号进行光电转换、放大、滤波处理,提取出振动信号。
本发明与现有技术相比的优点在于:采用微结构与单光纤的读出方式,极大的缩小了探测结构的体积,减少了实现的复杂程度;采用半导体材料加工制成微结构,探测部分实现了无源探测,增强了***的信噪比,提升了***的抗干扰能力;调整微结构中膜片的悬臂梁结构、厚度、面积尺寸、表面形状、表面褶皱形状等参数,使***对不同频率的振动信号有不同的响应度,起到一定的滤波作用,增强了***的抗噪性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的敏感振动的微光机电***的结构示意图;
图3为本发明的敏感振动的膜片纹理结构示意图;
图4为本发明的膜片设计流程。
具体实施方式
如图1所示,本发明由用于敏感振动的微光机电***1和信号处理电路2及传导光路3组成,敏感振动的微光机电***1由单根探测光纤11和刻蚀在硅基底12上的敏感振动的膜片13组成,膜片13敏感出振动信号,通过单探测光纤11的读出方式将振动信号读取出来,再由同一单光纤经过传导光路3至后续的信号处理电路2,信号处理电路2对敏感的信号进行光电转换、放大、滤波处理,提取出振动信号。
如图2所示,敏感振动的微光机电***1由单根探测光纤11、硅基底12和敏感振动的膜片13组成,硅基底12是用半导体材料加工制成的,用于固定单根探测光纤11与膜片13之间位置关系,即在硅基底12的一端通过刻蚀工艺,加工出敏感振动的膜片13,另一端刻蚀出用于插放单根探测光纤11的圆柱形插槽,将单根探测光纤11***插槽即可保证单根探测光纤11的端面与膜片13表面的平行,并且单根探测光纤11与膜片13两端面之间的距离在10微米-30微米之间。
图3所示,敏感振动的膜片13采用悬臂梁结构,并在膜片13的一个表面上刻蚀出的纹理结构14。根据振动信号的性质,合理设计膜片的厚度、面积尺寸、形状、反射率以及表面褶皱的纹理形状,使膜片对待侧的振动信号具有最高的响应度,并对干扰信号有一定的滤波作用。
膜片13的另一表面镀上高反射率的材料,如银或者金等,增强对投射到该表面的光信号的反射率,膜片对于光信号的反射率通常在95%以上。
图4为振动膜片13表面纹理的设计流程。首先,分析待测的振动信号,确定振动信号的振动频率范围,使最终设计的膜片的谐振频率落在该频率范围内,这样就使膜片对于该频率范围的振动信号具有最高的响应度,同时,膜片对于谐振频率之外的振动响应很小,因而对于干扰信号也具有一定的滤波作用。随后粗略设计膜片的参数。根据实际要求确定出膜片的尺寸,确定膜片上的褶皱形状如14所示,暂定膜片的厚度、褶皱间的间距和褶皱的宽度等参数。将建立好的膜片模型通过有限元分析软件进行分析,计算出此模型的谐振频率,并与待测信号的频率范围对照,如谐振频率落在振动信号的频率范围内,则此模型满足设计要求,按照此设计进行加工制造。如不满足设计目标,则调整上述的膜片参数,重新仿真计算,直到达到设计目标。
Claims (4)
1、一种基于采用微光机电***的振动测量装置,其特征在于:由用于敏感振动的微光机电***和信号处理部分组成,敏感振动的微光机电***由单根探测光纤和硅基底上敏感振动的膜片组成,膜片敏感出振动信号,通过单探测光纤的读出方式将振动信号读取出来,再由同一单光纤传导至后续的信号处理电路,对敏感的信号进行光电转换、放大、滤波处理,提取出振动信号。
2、根据权利要求1所述的基于采用微光机电***的振动测量装置,其特征在于:在硅基底的一端通过刻蚀工艺,加工出敏感振动的膜片,另一端刻蚀出用于插放单根探测光纤的圆柱形插槽,将探测光纤***插槽以保证单根探测光纤端面与膜片表面的平行,并且单根探测光纤与膜片两端面之间的距离在10微米-30微米之间。
3、根据权利要求1或2所述的基于采用微光机电***的振动测量装置,其特征在于:所述的敏感振动的膜片采用悬臂梁结构,并在膜片的一个表面上刻蚀出纹理结构,另一表面镀上高反射率的材料。
4、根据权利要求3所述的基于采用微光机电***的振动测量装置,其特征在于:对所述膜片刻蚀出纹理结构:首先,分析待测的振动信号,确定振动信号的振动频率范围,使最终设计的膜片的谐振频率落在该频率范围内;随后粗略设计膜片的参数;然后,根据实际要求确定出膜片的尺寸,确定膜片上的褶皱形状,暂定膜片的厚度、褶皱间的间距和褶皱的宽度等参数;最后,将建立好的膜片模型通过有限元分析软件进行分析,计算出此模型的谐振频率,并与待测信号的频率范围对照,如谐振频率落在振动信号的频率范围内,则此模型满足设计要求,按照此设计进行加工制造;如不满足设计目标,则调整上述的膜片参数,重新仿真计算,直到达到设计目标为目。
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