CN1945237A - 一种基于采用微光机电***的振动测量装置 - Google Patents

一种基于采用微光机电***的振动测量装置 Download PDF

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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

一种基于采用微光机电***的振动测量装置
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101504312B (zh) * 2009-03-16 2011-04-06 北京航空航天大学 一种对声音探测的光纤声传感器
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CN101526393B (zh) * 2008-12-31 2011-09-07 济南大学 一种测量振动频率的方法
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