專利名稱：光學mems裝置和利用該光學mems裝置的遠程傳感系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及傳感系統(tǒng)，并且更具體地涉及光學微機電傳感器(MEMS)裝置和使用該光學MEMS裝置的遠程傳感系統(tǒng)。
背景技術：
MEMS裝置具有在例如壓力和溫度等各種環(huán)境狀況測量中的應用。MEMS裝置中的傳感元件的機械特性根據(jù)它們設法測量的環(huán)境狀況而改變。機械特性的該變化影響裝置的機械共振，并且該效應用于測量環(huán)境狀況。一類用于測量環(huán)境狀況的MEMS裝置包括與電子器件集成的傳感元件。該傳感元件一般是機械結構，并且該電子器件既使傳感元件振動，又用于測量元件的振動頻率。該傳感元件振動頻率的變化用于測量環(huán)境狀況，這是因為使用機械應力換能而使它可以與這些環(huán)境狀況成比例。在這樣的MEMS裝置中的電子器件與傳感元件被協(xié)同定位。這樣的MEMS裝置的主要缺點是MEMS裝置的操作狀況典型地受限于電子器件的操作狀況。傳感元件本身可以經受更大范圍的溫度、壓力或者其它苛刻的狀況，但關聯(lián)的電子器件構成限制。因此提供用于遠程傳感壓力、電流、溫度或其它可測量的狀況的MEMS裝置和傳感系統(tǒng)，從而排除需要具有緊密靠近MEMS裝置的電子器件，這將是可取的。

發(fā)明內容
根據(jù)本文公開的一個實施例，遠程傳感系統(tǒng)包括微機電傳感器(MEMS)裝置,其包括通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振的光能量吸收傳感元件；遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號來引發(fā)傳感元件的共振；和遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取傳感元件的原始頻率，來確定MEMS裝置所受到的狀況。根據(jù)本文公開的另一個實施例，遠程傳感系統(tǒng)包括微機電傳感器(MEMS)裝置；遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號來引發(fā)傳感元件的共振；遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取傳感元件的原始頻率，來確定MEMS裝置所受到的狀況；和能夠傳送驅動、讀取和反射的光信號的光纖網(wǎng)絡。該MEMS裝置包括通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振的光能量吸收傳感元件，和用于實現(xiàn)光能量吸收的摻雜以及未摻雜部分。該讀取器電路包括用于傳送讀取器光信號的讀取器光源和用于檢測從MEMS裝置反射的光信號的光電二極管檢測器。根據(jù)本文公開的另一個實施例，遠程傳感系統(tǒng)包括微機電傳感器(MEMS)裝置；遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號來引發(fā)傳感元件的共振；遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取傳感元件的原始頻率，來傳感MEMS裝置受到其影響的電流；和能夠傳送驅動、讀取和反射的光信號的光纖網(wǎng)絡。該MEMS裝置包括通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振的光能量吸收傳感元件、用于實現(xiàn)光能量吸收的摻雜和未摻雜部分，以及與傳感元件關聯(lián)的磁致伸縮材料。讀取器電路包括讀取器光源和用于檢測反射光信號的光電二極管檢測器。


當下列詳細說明參照附圖(其中所有圖中相似的符號代表相似的部件)讀取時，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中圖I圖示根據(jù)本文公開的方面的MEMS裝置的實施例。圖2圖示根據(jù)本文公開的方面的MEMS裝置的另一個實施例。圖3圖示根據(jù)本文公開的方面的MEMS裝置的另一個實施例。圖4圖示根據(jù)本文公開的方面的MEMS裝置的電流傳感實施例。圖5圖示根據(jù)本文公開的方面的遠程傳感系統(tǒng)的實施例。圖6圖示根據(jù)本文公開的方面的遠程傳感系統(tǒng)的另一個實施例。
具體實施例方式本文公開的實施例包括光推動微機電傳感器(MEMS)裝置和使用該光推動MEMS裝置的遠程傳感系統(tǒng)。傳感系統(tǒng)用于測量MEMS裝置所受到的例如壓力、電流和溫度等各種狀況。MEMS裝置置于需要關于這樣的狀況的信息的位置處或附近。傳感系統(tǒng)包括用于驅動MEMS裝置的傳感元件進入共振的光源，和用于獲取傳感元件的頻率來確定MEMS裝置所受到的狀況的讀取器電路。如本文使用的，例如“一”、“該”等單數(shù)形式包括復數(shù)個指示物，除非上下文另外明確地規(guī)定。圖I圖示微機電(MEMS)裝置10的實施例。該MEMS裝置10包括光能量吸收和熱膨脹共振傳感元件12以及對于該傳感元件12的外殼14。該傳感元件12是具有高Q (品質因數(shù))的機械共振傳感元件。在一個實施例中，該品質因數(shù)對于精密測量大于大約20，000。傳感元件12通過吸收采用光信號18的形式傳遞通過光纖16的光能量而熱膨脹。光能量吸收產生熱，從而使傳感元件12經由熱膨脹而移動。采用在傳感元件12中提供周期性熱膨脹的方式傳遞光能量。光信號18的脈動頻率在傳感元件12的共振頻率附近擺動。周期性熱膨脹使傳感元件12振動，并最終在傳感元件12中引發(fā)共振。外部的外殼是非吸收性的，因為它不吸收處于驅動光信號18波長處的光信號，并且傳感元件設計成使得它吸收處于該相同波長的光信號。因此，傳感元件的材料可以是摻雜的、非摻雜的硅或者金屬，這取決于波長。因此，用于外殼的材料可以根據(jù)光信號波長選擇。例如，在一個實施例中，外部的外殼是由在紅外線范圍中具有透射性(即非吸收性的)的非摻雜硅制成，并且傳感元件是由吸收相同波長的光的摻雜硅制成。在一個實施例中，MEMS裝置10包括用于優(yōu)化光吸收的摻雜(吸收性的)硅部分22和非摻雜(非吸收性的)硅部分20。在一個實施例中，外殼14是非摻雜的，并且傳感元件12是摻雜的。傳遞通過光纖的光信號18穿過非摻雜的外殼14并且到達摻雜的傳感元件12。傳感元件12因此吸收光信號18、熱膨脹并且以共振頻率振動。在如在圖2中示出的另外一個實施例100中，僅傳感元件104的一部分102是摻雜的，并且包括外殼106和傳感元件104的部件108的MEMS裝置100的其余部分是非摻雜的。摻雜部分102 (即吸收性部分)攔截驅動光信號110。在如在圖3中示出的另一個實施 例200中，僅傳感元件204的某個區(qū)域202可以被摻雜來優(yōu)化光吸收和共振特性。包括外殼206和傳感元件204的其它部件208的MEMS裝置200的其余部分是非摻雜的。傳感元件中摻雜或非摻雜段的位置可以基于傳感元件的形狀和對于該具體形狀的共振的優(yōu)化光吸收而選擇MEMS裝置10、100和200用于測量各種外部狀況，例如但不限于，壓力、溫度和電流。為了確定外部狀況，MEMS裝置遭受這樣的狀況。MEMS裝置設計成使得外部狀況改變傳感元件的共振頻率。例如，對于壓力傳感應用，膜片(未顯示)可以包括在MEMS裝置中以將外部壓力和傳感元件12、104和204耦合。外部壓力將改變傳感元件的共振頻率。相似地，對于溫度傳感應用，傳感元件可以設計成由于外部溫度而經歷應力，從而導致傳感元件12共振頻率的變化。比較傳感元件的該新頻率與傳感元件的原始共振頻率來確定外部壓力。 參照圖4，對于電流傳感應用，MEMS裝置300提供有位于傳感元件304中的磁致伸縮材料層302。MEMS裝置300受到電流傳輸導線306的影響。磁致伸縮層302響應于磁場而改變應力。電流傳輸導線306產生磁場,從而在磁致伸縮層302中引發(fā)應力。該應力改變傳感元件304的共振頻率。頻率的變化被探測并且與傳感元件304的共振頻率比較來確定導線306中的電流。圖5圖示使用先前參照圖1-4描述的MEMS裝置的遠程傳感系統(tǒng)400的實施例。該系統(tǒng)包括遠程定位的例如LED、激光器或超發(fā)光LED等光源402來產生驅動光信號404。在一個實施例中，光信號位于紅外波段。選擇光信號404的波長使得它可以穿過外殼的非摻雜部分。還可以使用包括可見光波長的各種波長的其他光信號。系統(tǒng)進一步包括光纖網(wǎng)絡405。驅動光信號404經由可以是單模光纖或多模光纖的第一光纖406傳送到MEMS裝置10。可以以在傳感元件12共振頻率周圍擺動的頻率fo調制信號404。如先前描述的，傳感元件12吸收光信號404。該吸收產生熱并且在傳感元件12中提供周期性熱膨脹。周期性熱膨脹在傳感元件12中引發(fā)共振。如果調制頻率fo與傳感元件12的共振頻率f 一致，則在傳感元件12中引發(fā)共振。系統(tǒng)400進一步包括遠程定位的讀取器電路407，其包括讀取器光源408、光分離器410和光電二極管檢測器412。該讀取器光源408可以是LED、激光器或超發(fā)光LED，用于產生讀取器光信號414。對于讀取器光源信號414和驅動光信號404的光功率需求可不同。驅動光功率將確定在傳感元件12中引起多少運動。因此，產生驅動光信號404來驅使傳感元件12進入共振的遠程定位的光源402需要高功率。相對低的功率源可以用于讀取器光源408，因為它不用于使傳感元件共振。讀取器光信號414未被調制并且采用連續(xù)功率模式操作。讀取器光信號414通過第二光纖416 (優(yōu)選地是多模式光纖)傳送到MEMS裝置10。讀取器光源414進入MEMS裝置10并且從被驅動光信號404迫使進入共振的傳感元件12反射。信號從移動的傳感元件12的反射導致與來自MEMS裝置10中其他不運動的部件的反射的干擾。該干擾可以作為檢測器的光電流中的AC分量而被檢測。反射的光信號418包括關于干擾的信息并且返回通過光分離器410傳遞至光電二極管檢測器412。然后在接收器422處分析檢測信號420來確定傳感元件12的原始頻率。然后將傳感元件12的原始頻率與傳感元件12的機械共振相關來確定MEMS裝置所受到的環(huán)境狀況。在另一個實施例中，可以由于垂直于讀取器信號414的運動而檢測傳感元件12共振頻率，該運動調制返回到光纖的信號的反射。在該實施例中，傳感元件12間歇地處于讀取器信號414的路徑中并且傳感元件12進出該路徑的頻率確定為該結構的共振頻率?？梢园ㄈ舾蛇x項來提高系統(tǒng)性能，其包括使用光隔離器424以使源與背反射隔離、使用光濾波器以及使用單?；蚨嗄９饫w的各種組合。接收器422可以與用于驅動第一光源402的掃頻振蕩器源(swept oscillator source)集成。在該實施例中，驅動光信號經由第一光纖406進入MEMS裝置并且讀取器光信號經由第二光纖416進入MEMS裝置。這允許相同光波長用于驅動和讀取兩者，而沒有竄擾或干擾的問題。而且，這允許讀取器位置相對于驅動位置的安置的更多的靈活性。圖6圖示使用光學方法的遠程傳感系統(tǒng)500的另一個實施例，其中驅動光信號和讀取器光信號經由單個光纖進入MEMS裝置。在該情況下，需要用于詢問和讀出的兩個不同源波長來確保在這兩個光源中沒有竄擾或干擾。由遠程定位的光源504產生的調制驅動光信號502通過第一光纖506傳送。讀取器電路507包括讀取器光源508、光分離器510和光電二極管檢測器512。由第二光源508產生的讀取器光信號514通過第二光纖516傳送到分離器510。第一光纖506上的驅動光信號502和第二光纖516上的分離器510輸出處的讀取器光信號514在波分復用器518中組合到單個光纖520上，該單個光纖520連接到MEMS裝置10。光纖520的該最后段優(yōu)選地是多模光纖。用于驅動和讀出的機構與先前參照圖5描述的相同，不同的是，讀取光信號的反射部分522在波分復用器518中與驅動光信號的反射部分(未顯不)分開。該反射信號522發(fā)送回分離器510到光電二極管檢測器512，在該光電二極管檢測器512中分析該該反射信號522來確定傳感元件12的共振頻率。然后，在接收器528處分析檢測信號526來確定傳感元件12的原始頻率。傳感元件12的原始頻率然后與傳感元件12的機械共振相關來確定MEMS裝置所受到的環(huán)境狀況。在該情況下，光電二極管檢測器512進一步包括光帶通濾波器524，用于確保受到驅動光信號波長的最小污染。并且，光隔離器530可以用于使任何源與背反射隔離。在另一個可以與圖5和6的實施例一起使用的系統(tǒng)級實現(xiàn)中，消除需要掃描調制來搜索傳感器共振頻率，這是可能的。在該情況下，檢測光電二極管的輸出被放大、相移并且然后直接饋送回到驅動光源的調制輸入。利用足夠的增益，整個系統(tǒng)將再次振蕩，從而允許共振頻率的自動探測。在另一個系統(tǒng)級實現(xiàn)中，傳感元件可以制成自共振，即驅動光信號不需要被調制。這可以使用正反饋實現(xiàn)。當傳感元件由于光吸收而變熱時，它移動遠離中性位置。這將改變傳感元件處的光強度。只要該改變使強度減小，傳感元件將停止吸收并且彈回中性位置。然后，移動遠離中性位置并且彈回中性位置的循環(huán)再次開始。這樣，裝置本質上是自我推動的并且找到其自身的共振頻率而不必使用掃描源來找到共振頻率。應該注意上文的實施例中的光驅動或光讀取可以用其他驅動或讀取實施例來代替，例如在 2009 年 I 月 27 號提交的題為 “MEMS DEVICES AND REMOTE SENSING SYSTEMSUTILIZING THE SAME (MEMS裝置和利用該MEMS裝置的遠程傳感系統(tǒng))”的共同擁有且同在審批中的美國專利申請?zhí)?2/360144中描述的感應驅動/讀取、聲/驅動、射頻驅動/讀取或聲驅動/讀取等，其通過引用結合于此。上文描述的遠程傳感系統(tǒng)從而提供遠程驅動MEMS裝置并且遠程獲取傳感元件的、頻率來測量傳感元件所受到的外部狀況的方法。MEMS裝置和傳感系統(tǒng)能夠遠程傳感壓力、溫度、電流或惡劣環(huán)境中的其它狀況，同時消除需要布線、電池、有源電子器件和對傳感器的物理接近。有源電子器件的不存在使MEMS裝置適合于高溫高壓應用。遠程傳感系統(tǒng)具有在惡劣的溫度、壓力、化學和噪音環(huán)境中的應用。要理解，不是一定根據(jù)任意特定實施例實現(xiàn)上文描述的所有這樣的目的或優(yōu)勢。從而，例如本領域內技術人員將認識到，本文描述的系統(tǒng)和技術可采用實現(xiàn)或優(yōu)化本文教導的一個優(yōu)勢或一組優(yōu)勢的方式來體現(xiàn)或實施，而不必實現(xiàn)如可在本文中教導或啟示的其他目的或優(yōu)勢。
盡管本文僅圖示和描述本發(fā)明的某些特征，本領域內技術人員將想到許多修改和改變。因此，要理解附上的權利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的真正精神內。
權利要求
1.一種遠程傳感系統(tǒng)，其包括 微機電傳感器(MEMS)裝置，其包括 光能量吸收傳感元件，其通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振； 遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號以在所述傳感元件中引發(fā)共振；和遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取所述傳感元件的原始頻率，來確定所述MEMS裝置所受到的狀況。
2.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述MEMS裝置包括吸收性部分和非吸收性部分，用于在所述傳感元件中產生熱膨脹。
3.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感元件包括吸收和非吸收性部分。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述吸收性部分攔截所述驅動光信號。
5.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述MEMS裝置進一步包括用于所述傳感元件的非吸收性外殼。
6.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感元件進一步包括磁致伸縮材料。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述狀況包括電流。
8.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述狀況包括壓力、溫度、氣體組成或其組合。
9.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中掃描所述驅動光信號來搜索所述傳感元件的共振頻率。
10.如權利要求I所述的系統(tǒng),其中所述傳感元件找到其共振頻率。
11.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其進一步包括信號控制元件，例如分離器、混合器、循環(huán)器、隔離器或其組合。
12.如權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述讀取器電路包括讀取器光源，用于傳送所述讀取器光信號；和光電二極管檢測器，用于檢測從所述MEMS裝置反射的光信號。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光源和所述讀取器光源包括LED、激光器或超發(fā)光LED。
14.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述讀取器光信號是未調制的光信號。
15.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進一步包括將所述光源和所述讀取器電路連接到所述MEMS裝置的光纖網(wǎng)絡。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述驅動光信號和所述讀取器光信號經由單個光纖進入所述MEMS裝置。
17.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述驅動光信號經由第一光纖進入所述MEMS裝置并且所述讀取器光信號經由第二光纖進入所述MEMS裝置。
18.—種遠程傳感系統(tǒng)，包括 微機電傳感器(MEMS)裝置，其包括 光能量吸收傳感元件，其通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振；和 吸收性部分和非吸收性部分，用于在所述傳感元件中產生熱膨脹； 遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號以在所述傳感元件中引發(fā)共振； 遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取所述傳感元件的原始頻率，來確定所述MEMS裝置所受到的狀況，其中所述讀取器電路包括用于傳送所述讀取器光信號的讀取器光源和用于檢測從所述MEMS裝置反射的光信號的光電二極管檢測器；以及能夠傳送驅動、讀取和反射的光信號的光纖網(wǎng)絡。
19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述傳感元件包括所述吸收性部分和所述非吸收性部分。
20.如權利要求18所述的系統(tǒng),其中所述傳感元件進一步包括所述傳感元件上的磁致伸縮材料。
21.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述狀況包括電流。
22.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述狀況包括壓力、溫度、氣體組成或其組合。
23.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中掃描所述驅動光信號來搜索所述傳感元件的共振頻率。
24.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其進一步包括信號控制元件，所述信號控制元件包括分離器、混合器、循環(huán)器、隔離器或其組合。
25.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述光源和所述讀取器光源包括LED、激光器或超發(fā)光LED。
26.—種遠程傳感系統(tǒng)，包括 微機電傳感器(MEMS)裝置，其包括 光能量吸收傳感元件，其通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振； 摻雜部分和未摻雜部分，用于實現(xiàn)光能量吸收；和 與所述傳感元件關聯(lián)的磁致伸縮材料； 遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號以在所述傳感元件中引發(fā)共振； 遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取所述傳感元件的原始頻率，來傳感所述MEMS裝置受到其影響的電流，所述讀取器電路包括讀取器光源和用于檢測反射的光信號的光電二極管檢測器；以及 能夠傳送驅動、讀取和反射的光信號的光纖網(wǎng)絡。
全文摘要
遠程傳感系統(tǒng)包括微機電傳感器(MEMS)裝置，其包括光能量吸收傳感元件，該光能量吸收傳感元件通過吸收光信號引發(fā)的熱膨脹而共振；遠程定位的光源，用于傳送驅動光信號以在傳感元件中引發(fā)共振；和遠程定位的讀取器電路，用于使用讀取器光信號讀取傳感元件的原始頻率，來確定該MEMS裝置所受到的狀況。
文檔編號G01L9/00GK102639965SQ201080049817
公開日2012年8月15日 申請日期2010年1月11日 優(yōu)先權日2009年10月29日
發(fā)明者A·J·克諾布羅赫, D·W·費爾努伊, F·R·艾哈邁德, G·P·科斯特 申請人:通用電氣公司