一種基于mems工藝的光纖加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，屬于光纖傳感領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]振動(dòng)傳感器作為一類應(yīng)用廣泛的傳感器，主要應(yīng)用于航空航天、地質(zhì)勘測(cè)、地震預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。振動(dòng)傳感器的類型較多，按被測(cè)物理量來分有位移(振幅)傳感器、速度傳感器和加速度傳感器三種。由于位移、速度和加速度這三個(gè)參數(shù)可以通過簡(jiǎn)單的微積分關(guān)系相互轉(zhuǎn)換，故三種傳感器有時(shí)可以通用。加速度傳感器通常尺寸比較小、重量輕，且工作頻率范圍較寬，這在測(cè)量時(shí)，不僅對(duì)試件振動(dòng)特性的影響小，而且所測(cè)得的結(jié)果也很接近某個(gè)“點(diǎn)”，而不是某個(gè)“面”的振動(dòng)，同時(shí)還能夠更好地適應(yīng)振動(dòng)頻率的要求，因而測(cè)振傳感器一般用加速度傳感器。
[0003]加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的重要器件，用來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度和線性位移。已有的加速度計(jì)種類繁多，而且能夠滿足現(xiàn)有的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的要求，但隨著應(yīng)用需求的變化，要求慣性器件同時(shí)具備精度高、體積小、重量輕、耗能低、經(jīng)濟(jì)以及易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，已有的加速度計(jì)卻很難同時(shí)滿足這些變化。
[0004]基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器除了具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、在惡劣環(huán)境下使用的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)外，還具有體小質(zhì)輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。近來，隨著MEMS工藝與光纖傳感技術(shù)的結(jié)合，這種類型的傳感器已經(jīng)逐漸成為新一代傳感器發(fā)展的主流方向。
[0005]目前光纖加速度傳感器比較成熟的是光纖光柵式加速度傳感器，如CN204359817中所述，該類型加速度傳感器的解調(diào)精度高、技術(shù)成熟、具有溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，目前已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用。但同時(shí)該類傳感器也存在著頻率響應(yīng)偏低、精度偏低等自身的缺點(diǎn)。而國(guó)外的相關(guān)F-P腔光纖加速度傳感器，如US6921894中所述，該結(jié)構(gòu)加速度傳感器為在光纖端面一體加工成型，由于激光加工時(shí)溫度較高，而導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)所形成的F-P腔的腔長(zhǎng)具有不可控性，使得該結(jié)構(gòu)及工藝的重復(fù)性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，該傳感器基于MEMS加工工藝，將F-P腔單獨(dú)加工制作，具有工藝簡(jiǎn)單可控，一致性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)加速度傳感器具有較高的靈敏度及響應(yīng)頻率，可以實(shí)現(xiàn)高精度加速度的測(cè)量。
[0007]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008]—種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，包括彈性元件、基座、準(zhǔn)直管以及光纖；彈性元件為中心帶有凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)，凸出位置命名為質(zhì)量塊，平臺(tái)位置命名為彈性梁；基座為凹槽結(jié)構(gòu)；準(zhǔn)直管為中空?qǐng)A柱體，用于固定光纖；彈性元件、基座與準(zhǔn)直管依次固定連接；光纖通過準(zhǔn)直管后與基座固定連接；
[0009]所述凹槽底面中心點(diǎn)與彈性元件底面中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)，兩中心點(diǎn)連成一條直線，該直線即為光纖加速度傳感器的中心線；
[0010]需保證所述凹槽底面有部分為平面，且該平面需將凹槽底面中心點(diǎn)包含其中；該平面與彈性元件底面相互平行；
[0011]所述光纖加速度傳感器沿豎直方向的中心線左右對(duì)稱；
[0012]所述彈性元件的材料為硅片；所述基座的材料為二氧化硅；所述準(zhǔn)直管的材料為二氧化硅或石英；
[0013]所述的彈性元件與基座采用MEMS工藝連接；所述的準(zhǔn)直管與基座采用激光焊接工藝或膠粘技術(shù)連接；所述的光纖與準(zhǔn)直管采用激光焊接技術(shù)或膠粘技術(shù)連接。
[0014]所述的彈性元件為薄膜結(jié)構(gòu)，形狀為圓形或者矩形；
[0015]所述的基座為矩形或圓形；
[0016]所述凹槽為矩形、圓弧形、圓柱形或其他軸對(duì)稱的形狀；
[0017]工作過程:傳感器受到外界的振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到慣性力的作用，彈性梁發(fā)生形變，導(dǎo)致由彈性元件與基座形成的F-P腔的腔長(zhǎng)發(fā)生變化，通過光纖進(jìn)行信號(hào)的傳輸，再由后端進(jìn)行信號(hào)的處理與分析，得出加速度值。
[0018]有益效果
[0019]1、本發(fā)明的一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，基于MEMS加工工藝，將F-P腔單獨(dú)加工制作，具有工藝簡(jiǎn)單可控，一致性好等優(yōu)點(diǎn)；
[0020]2、本發(fā)明的一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，具有較高的靈敏度及響應(yīng)頻率，可以實(shí)現(xiàn)高精度加速度的測(cè)量；
[0021]3、本發(fā)明的一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施形式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的另一種實(shí)施形式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明的一種帶有質(zhì)量塊的圓形彈性元件示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明的一種帶有質(zhì)量塊的矩形彈性元件示意圖。
[0026]其中，101—彈性元件；102—基底；103—準(zhǔn)直管；104—光纖；105—彈性梁；106—質(zhì)量塊。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做以下詳細(xì)描述。
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1、圖3所示，本發(fā)明的一種基于MEMS工藝的光纖加速度傳感器，包括彈性元件101、基座102、準(zhǔn)直管103、光纖104。彈性元件101是通過刻蝕工藝將硅片刻蝕成帶有質(zhì)量塊106和彈性梁105的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊106與彈性梁105均為圓柱形；基座102式通過刻蝕工藝將二氧化硅刻蝕成中心帶有凹槽的結(jié)構(gòu)，基座102和凹槽均為圓柱形，且圓形尺寸與彈性元件101相同；將彈性元件101與基座102通過S1-Si02鍵合工藝連接在一起；選取內(nèi)、外徑尺寸分別于光纖104與基座102匹配的準(zhǔn)直管103，材料為石英，通過二氧化碳激光器焊接工藝將準(zhǔn)直管103與光纖104連接，保證準(zhǔn)直管103與光纖104的上表面在同一平面內(nèi)；將帶有光纖104的準(zhǔn)直管103上表面與基座102的下表面通過二氧化碳激光器焊接工藝連接在一起。
[0030]傳感器受到外界的振動(dòng)