專利名稱：一種基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，屬于微光機(jī)電系統(tǒng)中的光纖傳感技術(shù)。
背景技術(shù)：
利用微小結(jié)構(gòu)和光讀出的方式檢測振動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)相比有著很多的優(yōu)點(diǎn)由于是采用光信號(hào)讀出，因而可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的測量，不會(huì)影響系統(tǒng)性能，對(duì)于精密系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)表面造成損傷；光信號(hào)進(jìn)行讀出，所需要的光信號(hào)強(qiáng)度很小，因而系統(tǒng)所需的功耗很??；選擇不同的光譜，可以實(shí)現(xiàn)測量的可視化或不可視化；利用光纖結(jié)構(gòu)讀出，由于光纖本身體積微小，因而更能實(shí)現(xiàn)探測結(jié)構(gòu)的小型化。目前，反射式強(qiáng)度型光纖測振動(dòng)系統(tǒng)的探測結(jié)構(gòu)主要有光纖對(duì)型和多光纖型，但由于上述結(jié)構(gòu)采用了一根以上的光纖，使得實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜程度增加，而且探測部分尺寸增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于微光機(jī)電系統(tǒng)的微小結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的測量裝置，該裝置有效地降低了探測結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種基于微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，其特征在于由用于敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)和信號(hào)處理電路組成，敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)由單根探測光纖和在硅基底上刻蝕出的敏感振動(dòng)的膜片組成，膜片敏感出振動(dòng)信號(hào)，通過單探測光纖的讀出方式將振動(dòng)信號(hào)讀取出來，再由同一單光纖傳導(dǎo)至后續(xù)的信號(hào)處理電路，對(duì)敏感的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波處理，提取出振動(dòng)信號(hào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于采用微結(jié)構(gòu)與單光纖的讀出方式，極大的縮小了探測結(jié)構(gòu)的體積，減少了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度；采用半導(dǎo)體材料加工制成微結(jié)構(gòu)，探測部分實(shí)現(xiàn)了無源探測，增強(qiáng)了系統(tǒng)的信噪比，提升了系統(tǒng)的抗干擾能力；調(diào)整微結(jié)構(gòu)中膜片的懸臂梁結(jié)構(gòu)、厚度、面積尺寸、表面形狀、表面褶皺形狀等參數(shù)，使系統(tǒng)對(duì)不同頻率的振動(dòng)信號(hào)有不同的響應(yīng)度，起到一定的濾波作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗噪性能。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的敏感振動(dòng)的膜片紋理結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的膜片設(shè)計(jì)流程。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由用于敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)1和信號(hào)處理電路2及傳導(dǎo)光路3組成，敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)1由單根探測光纖11和刻蝕在硅基底12上的敏感振動(dòng)的膜片13組成，膜片13敏感出振動(dòng)信號(hào)，通過單探測光纖11的讀出方式將振動(dòng)信號(hào)讀取出來，再由同一單光纖經(jīng)過傳導(dǎo)光路3至后續(xù)的信號(hào)處理電路2，信號(hào)處理電路2對(duì)敏感的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波處理，提取出振動(dòng)信號(hào)。
如圖2所示，敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)1由單根探測光纖11、硅基底12和敏感振動(dòng)的膜片13組成，硅基底12是用半導(dǎo)體材料加工制成的，用于固定單根探測光纖11與膜片13之間位置關(guān)系，即在硅基底12的一端通過刻蝕工藝，加工出敏感振動(dòng)的膜片13，另一端刻蝕出用于插放單根探測光纖11的圓柱形插槽，將單根探測光纖11插入插槽即可保證單根探測光纖11的端面與膜片13表面的平行，并且單根探測光纖11與膜片13兩端面之間的距離在10微米-30微米之間。
圖3所示，敏感振動(dòng)的膜片13采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，并在膜片13的一個(gè)表面上刻蝕出的紋理結(jié)構(gòu)14。根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)，合理設(shè)計(jì)膜片的厚度、面積尺寸、形狀、反射率以及表面褶皺的紋理形狀，使膜片對(duì)待側(cè)的振動(dòng)信號(hào)具有最高的響應(yīng)度，并對(duì)干擾信號(hào)有一定的濾波作用。
膜片13的另一表面鍍上高反射率的材料，如銀或者金等，增強(qiáng)對(duì)投射到該表面的光信號(hào)的反射率，膜片對(duì)于光信號(hào)的反射率通常在95％以上。
圖4為振動(dòng)膜片13表面紋理的設(shè)計(jì)流程。首先，分析待測的振動(dòng)信號(hào)，確定振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率范圍，使最終設(shè)計(jì)的膜片的諧振頻率落在該頻率范圍內(nèi)，這樣就使膜片對(duì)于該頻率范圍的振動(dòng)信號(hào)具有最高的響應(yīng)度，同時(shí)，膜片對(duì)于諧振頻率之外的振動(dòng)響應(yīng)很小，因而對(duì)于干擾信號(hào)也具有一定的濾波作用。隨后粗略設(shè)計(jì)膜片的參數(shù)。根據(jù)實(shí)際要求確定出膜片的尺寸，確定膜片上的褶皺形狀如14所示，暫定膜片的厚度、褶皺間的間距和褶皺的寬度等參數(shù)。將建立好的膜片模型通過有限元分析軟件進(jìn)行分析，計(jì)算出此模型的諧振頻率，并與待測信號(hào)的頻率范圍對(duì)照，如諧振頻率落在振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，則此模型滿足設(shè)計(jì)要求，按照此設(shè)計(jì)進(jìn)行加工制造。如不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則調(diào)整上述的膜片參數(shù)，重新仿真計(jì)算，直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，其特征在于由用于敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)和信號(hào)處理部分組成，敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)由單根探測光纖和硅基底上敏感振動(dòng)的膜片組成，膜片敏感出振動(dòng)信號(hào)，通過單探測光纖的讀出方式將振動(dòng)信號(hào)讀取出來，再由同一單光纖傳導(dǎo)至后續(xù)的信號(hào)處理電路，對(duì)敏感的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波處理，提取出振動(dòng)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，其特征在于在硅基底的一端通過刻蝕工藝，加工出敏感振動(dòng)的膜片，另一端刻蝕出用于插放單根探測光纖的圓柱形插槽，將探測光纖插入插槽以保證單根探測光纖端面與膜片表面的平行，并且單根探測光纖與膜片兩端面之間的距離在10微米-30微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，其特征在于所述的敏感振動(dòng)的膜片采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，并在膜片的一個(gè)表面上刻蝕出紋理結(jié)構(gòu)，另一表面鍍上高反射率的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，其特征在于對(duì)所述膜片刻蝕出紋理結(jié)構(gòu)首先，分析待測的振動(dòng)信號(hào)，確定振動(dòng)信號(hào)的振動(dòng)頻率范圍，使最終設(shè)計(jì)的膜片的諧振頻率落在該頻率范圍內(nèi)；隨后粗略設(shè)計(jì)膜片的參數(shù)；然后，根據(jù)實(shí)際要求確定出膜片的尺寸，確定膜片上的褶皺形狀，暫定膜片的厚度、褶皺間的間距和褶皺的寬度等參數(shù)；最后，將建立好的膜片模型通過有限元分析軟件進(jìn)行分析，計(jì)算出此模型的諧振頻率，并與待測信號(hào)的頻率范圍對(duì)照，如諧振頻率落在振動(dòng)信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，則此模型滿足設(shè)計(jì)要求，按照此設(shè)計(jì)進(jìn)行加工制造；如不滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，則調(diào)整上述的膜片參數(shù)，重新仿真計(jì)算，直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)為目。
全文摘要
一種基于采用微光機(jī)電系統(tǒng)的振動(dòng)測量裝置，是由用于敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)和信號(hào)處理電路組成，敏感振動(dòng)的微光機(jī)電系統(tǒng)由單根探測光纖和硅基底上敏感振動(dòng)的膜片組成，膜片敏感出振動(dòng)信號(hào)，通過單探測光纖的讀出方式將振動(dòng)信號(hào)讀取出來，再由同一單光纖傳導(dǎo)至后續(xù)的信號(hào)處理電路，對(duì)敏感的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波處理，提取出振動(dòng)信號(hào)。其中微結(jié)構(gòu)元件采用了在半導(dǎo)體基底上刻蝕而成的膜片結(jié)構(gòu)，通過控制對(duì)半導(dǎo)體基底的加工工藝，改變膜片的懸臂梁結(jié)構(gòu)、厚度、面積尺寸、形狀、反射率以及表面褶皺的紋理，達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)探測能力的目的。本發(fā)明能使探測裝置敏感部分尺寸降到與光纖同一量級(jí)，具有功耗小、結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK1945237SQ200610114279
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者伊小素, 李 瑞, 肖文, 劉德文, 劉洋, 韓艷玲 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)