專利名稱：一種光纖加速度傳感器探頭及加速度傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種光纖加速度傳感器
探頭及基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
加速度傳感器是一種非常重要的慣性傳感及測(cè)量器件，廣泛應(yīng)用于航空航天、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制、地球物理勘探等領(lǐng)域。近年來(lái)隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展和成熟，MEMS加速度傳感器以其體積小、重量輕、成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在汽車電子及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中獲得了大量的應(yīng)用，并進(jìn)一步向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
加速度傳感器通過(guò)將感受到的加速度以一定比例轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界加速度的測(cè)量。傳統(tǒng)的加速度傳感器通常由敏感元件、讀出和放大電路，以及金屬外殼組成，其靈敏度高、性能穩(wěn)定，但其性能對(duì)加工精度的依賴較大。MEMS加速度傳感器雖然有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前其靈敏度與工業(yè)領(lǐng)域的要求尚有一定差距，且Q值不容易調(diào)節(jié)。本申請(qǐng)人在申請(qǐng)?zhí)枮?00910087937. 6的中國(guó)專利申請(qǐng)中提出了一種采用質(zhì)量塊-彈性膜-背極板-聲學(xué)腔的加速度傳感器結(jié)構(gòu)，提高了加速度傳感器的靈敏度，并可以容易地調(diào)節(jié)系統(tǒng)Q值。但以上加速度傳感器都是直接在傳感頭部分將外接加速度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因此容易受到外部電磁噪聲的干擾，不適合在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)射頻場(chǎng)等環(huán)境中應(yīng)用。 加速度傳感器通常將外界加速度轉(zhuǎn)化成為傳感頭上某可動(dòng)部分的位移。光纖加速度傳感器是探測(cè)這個(gè)位移信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成調(diào)制的光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸，再將調(diào)制的光信號(hào)解調(diào)成電信號(hào)的一種裝置。光纖加速度傳感器一般包括傳感頭和電子電路系統(tǒng)兩個(gè)獨(dú)立的部分，這兩個(gè)部分通過(guò)光纖連接。由于在傳感頭部分沒(méi)有電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，也沒(méi)有電子電路，即傳感頭部分既不產(chǎn)生電磁信號(hào)，也不受電磁信號(hào)的干擾，因此，光纖加速度傳感器可以應(yīng)用于強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)射頻場(chǎng)環(huán)境中。另外，光纖加速度傳感器還具有靈敏度和分辨率高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、低頻響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。 光纖加速度傳感器的調(diào)制方式一般有光強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制等，采用光強(qiáng)度調(diào)制的加速度傳感器系統(tǒng)一般比較簡(jiǎn)單，但在靈敏度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)上，沒(méi)有采用相位調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)好。 采用相位載波調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)相對(duì)來(lái)講有較好的穩(wěn)定性，例如在專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N03200396. X等的專利文件中提出了光纖相位載波調(diào)制技術(shù)，這些光纖相位載波調(diào)制技術(shù)都采用普通激光器，通過(guò)將光纖纏繞在某壓電振子上，或?qū)⒆跃劢雇哥R粘貼在壓電振子上，并對(duì)該壓電振子施加特定頻率的正弦信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位載波調(diào)制，但是，這種方法在產(chǎn)品小型化以及溫度穩(wěn)定性方面還有待提高。 另外，本申請(qǐng)人曾經(jīng)在申請(qǐng)?zhí)枮?00610112615.9的中國(guó)專利申請(qǐng)中提出了一種基于相位載波調(diào)制的光纖硅微傳聲器系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地提高硅微傳聲器的靈敏度和抗電磁干擾能力。但該系統(tǒng)不適用于傳聲器以外的其他傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有加速度傳感器技術(shù)中抗電磁干擾能力弱、靈敏度和分辨率較低、動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn)，從而提供一種光纖加速度傳感器探頭以及基于相位載波調(diào)制技術(shù)的光纖加速度傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用相位載波調(diào)制的激光光源，以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的直接調(diào)制，在一定功率范圍內(nèi)，其輸出激光的頻率與光源上所加電流強(qiáng)度成正比。并且通過(guò)采用雙背極板結(jié)構(gòu)和光纖讀出檢測(cè)方式，使系統(tǒng)在抗沖擊和過(guò)載性能、抗電磁干擾、靈敏度等方面都有所改善和提高。 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，包
括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)、至少一片背極板、加速度傳感器框架以及至少一個(gè)光纖傳感頭。 所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)位于加速度傳感器探頭的中心位置，其構(gòu)成包括檢測(cè)質(zhì)量
塊、位于檢測(cè)質(zhì)量塊周圍的彈性部件和支撐部件，它們將感受的加速度轉(zhuǎn)化為檢測(cè)質(zhì)量塊
的位移，所述檢測(cè)質(zhì)量塊和彈性部件可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感器的質(zhì)量塊-彈簧結(jié)
構(gòu)，也可以采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包括有
孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)，其中，所述檢測(cè)質(zhì)量塊位于整個(gè)加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的中心位置，所述
彈性部件兩端分別與所述檢測(cè)質(zhì)量塊及所述支撐部件連接，且所述彈性部件圍繞所述檢測(cè)
質(zhì)量塊呈中心對(duì)稱分布，所述支撐部件的作用是支撐所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并將其固定于所
述加速度傳感器框架上。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊與所述背極板上下平行，其間形成空氣隙，并且在與所述背極板相對(duì)一側(cè)的檢測(cè)質(zhì)量塊的表面上制作有反光膜區(qū)域，該反光膜區(qū)域位于檢測(cè)質(zhì)量塊的中心位置或者覆蓋整個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊的表面。 所述背極板為邊界固定在所述加速度傳感器框架上的剛性較大的板，其材料可以為印制電路板、硅片或者玻璃板。所述背極板上制作有特定大小和分布的阻尼孔以調(diào)節(jié)阻尼，所述背極板其中一面上制作有限位凸觸以防止過(guò)載和粘附，所述背極板的中心還制作有透光孔以透過(guò)入射及反射的激光；另外，所述背極板與加速度傳感器框架之間形成聲學(xué)腔，該聲學(xué)腔為一個(gè)空腔或者二個(gè)連通或不連通的空腔，用于形成流動(dòng)氣體回路，改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)；所述檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域與背極板上的透光孔正對(duì)，且反光膜區(qū)域的尺寸大于透光孔尺寸。當(dāng)具有兩片所述背極板時(shí)，該兩片背極板相對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊上下對(duì)稱設(shè)置，兩片背極板的結(jié)構(gòu)相同或者不同，其上制作有阻尼孔、限位凸觸以及透光孔，兩片背極板分別與所述加速度傳感器框架之間形成上下兩個(gè)聲學(xué)腔，與所述檢測(cè)質(zhì)量塊之間形成上下兩個(gè)空氣隙，由此形成背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和Q值。
另外，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)還可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)電極，其位于所述檢測(cè)質(zhì)量塊的一個(gè)或者上下兩個(gè)表面上的反光膜區(qū)域外圍，若在檢測(cè)質(zhì)量塊的上下表面均有設(shè)置時(shí)，則兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極相對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊呈鏡像對(duì)稱分布，同時(shí)，在所述背極板的與檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)的表面上也制作有驅(qū)動(dòng)電極，與檢測(cè)質(zhì)量塊上的驅(qū)動(dòng)電極盡量正對(duì)以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，為檢測(cè)質(zhì)量塊提供靜電力，用于調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置、引入力學(xué)反饋以及當(dāng)過(guò)載粘附時(shí)提供一個(gè)反方向的電力實(shí)現(xiàn)過(guò)載恢復(fù)等功能。 另外，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)還可以采用一單晶取向硅片制成，經(jīng)過(guò)包括高溫氧化、光刻圖形化、去熱氧以及體刻蝕的MEMS工藝步驟制得。該單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括單晶硅支撐結(jié)構(gòu)、單晶硅彈性振動(dòng)膜以及單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊三個(gè)部分，其中，單晶硅加
6速度檢測(cè)質(zhì)量塊與所述單晶硅彈性振動(dòng)膜具有相同的幾何中心，二者由所述單晶取向硅片 經(jīng)過(guò)體刻蝕加工而成，所述單晶硅彈性振動(dòng)膜的內(nèi)邊界與所述單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的 外邊界相連，單晶硅彈性振動(dòng)膜的外邊界與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊界相連，所述單晶 硅支撐結(jié)構(gòu)用于支撐加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并與背極板貼合，其厚度與所述單晶取向硅片相同； 所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)、單晶硅彈性振動(dòng)膜和單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的仰視圖為包括圓 形、矩形、正方形、正六邊形的任意形狀；該單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)以厚度方向的中心平面 鏡像對(duì)稱，其中，所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)的厚度等于所述單晶取向硅片的厚度，所述單晶硅加 速度檢測(cè)質(zhì)量塊的厚度較所述單晶取向硅片的厚度薄，其上下表面與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu) 的上下表面的垂直距離各約為2 100微米，所述單晶硅彈性振動(dòng)膜的厚度為5 500微 米。 所述光纖傳感頭包括梯度透鏡和尾纖，所述尾纖安裝在梯度透鏡的尾部，所述梯
度透鏡安裝在所述加速度傳感器框架上，或者安裝在另外增加的斐索干涉腔支架上，安裝
時(shí)使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)，
且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行，該反光膜區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)所述梯度透鏡入射的激光反射回
去，從而對(duì)入射光的相位進(jìn)行調(diào)制，所述梯度透鏡出射面和所述反光膜區(qū)域之間構(gòu)成一個(gè)
柱形斐索干涉腔。這里，所述斐索干涉腔支架可以安裝在所述背極板的未制作有限位凸觸
的一面上，或者安裝在所述加速度傳感器框架上等其他的位置，只要保證所述梯度透鏡出
射面和所述反光膜區(qū)域之間的距離，即保證斐索干涉腔的長(zhǎng)度滿足需要即可。 當(dāng)具有兩個(gè)所述光纖傳感頭時(shí)，該兩個(gè)光纖傳感頭的結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地
關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊設(shè)置在所述加速度傳感器框架上，或者設(shè)置在另外增加的斐索干涉腔支架
上，并使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正
對(duì)，且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行，上下兩個(gè)光纖傳感頭的梯度透鏡出射面與所述反
光膜區(qū)域之間形成的上下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度完全相同。 另外，本發(fā)明提供的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)，包括激光光 源、光纖、光纖耦合器、加速度傳感器探頭、光電探測(cè)器以及相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系 統(tǒng)。 所述激光光源是一種相位載波調(diào)制的激光光源；所述光纖包括輸入光纖、傳輸光 纖以及輸出光纖；所述光纖耦合器通過(guò)所述輸入光纖與所述相位載波調(diào)制的激光光源連 接，通過(guò)所述傳輸光纖與所述加速度傳感器探頭連接，并通過(guò)所述輸出光纖與所述光電探 測(cè)器連接；所述光電探測(cè)器與相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)電線或電纜連接；所述 加速度傳感器探頭包括至少一個(gè)梯度透鏡和一個(gè)帶有反光膜區(qū)域的加速度檢測(cè)質(zhì)量塊，所 述梯度透鏡的出射端面和所述加速度檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域平行放置，構(gòu)成激光斐索 干涉腔。 上述技術(shù)方案中，所述相位載波調(diào)制的激光光源包括至少一個(gè)半導(dǎo)體激光器和一 個(gè)產(chǎn)生調(diào)制電流的振蕩器，在額定的發(fā)光功率范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體激光器輸出的激光光頻 隨調(diào)制電流線性變化。 上述技術(shù)方案中，所述輸入光纖、輸出光纖和傳輸光纖均為單模光纖。 上述技術(shù)方案中，所述光纖耦合器是一種將注入光束分成光強(qiáng)相等的兩束光的耦合為。
上述技術(shù)方案中，所述光電探測(cè)器是一種由PIN光電二極管組成的光電轉(zhuǎn)換電 路。 上述技術(shù)方案中，所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)是一種將載波調(diào)制信號(hào)中 的相應(yīng)加速度信號(hào)解調(diào)出來(lái)的電子信號(hào)處理系統(tǒng)。 上述技術(shù)方案中，所述加速度傳感器探頭包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)、至少一片背極 板、加速度傳感器框架以及至少一個(gè)光纖傳感頭。 其中，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)位于加速度傳感器探頭的中心位置，其構(gòu)成包括檢測(cè) 質(zhì)量塊、位于檢測(cè)質(zhì)量塊周圍的彈性部件和支撐部件，它們將感受的加速度轉(zhuǎn)化為檢測(cè)質(zhì) 量塊的位移，所述檢測(cè)質(zhì)量塊和彈性部件可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈 簧結(jié)構(gòu)，也可以采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包 括有孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)，其中，所述檢測(cè)質(zhì)量塊位于整個(gè)加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的中心位置， 所述彈性部件的兩端分別與所述檢測(cè)質(zhì)量塊及所述支撐部件連接，且所述彈性部件圍繞所 述檢測(cè)質(zhì)量塊呈中心對(duì)稱分布。所述支撐部件的作用是支撐所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并將其固 定于所述加速度傳感器框架上。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊與所述背極板上下平行，其間形成空氣隙，并且在與所述背極板 相對(duì)一側(cè)的檢測(cè)質(zhì)量塊的表面上制作有反光膜區(qū)域，該反光膜區(qū)域位于檢測(cè)質(zhì)量塊的中心 位置或者覆蓋整個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊的表面。 所述背極板為邊界固定在所述加速度傳感器框架上的剛性較大的板，所述背極板 上制作有特定大小和分布的阻尼孔以調(diào)節(jié)阻尼，所述背極板其中一面上制作有限位凸觸以 防止過(guò)載和粘附，另外，所述背極板的中心還制作有透光孔以透過(guò)入射及反射的激光；所述 背極板與加速度傳感器框架之間形成聲學(xué)腔，該聲學(xué)腔為一個(gè)空腔或者二個(gè)連通或不連通 的空腔，用于形成流動(dòng)氣體回路，改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)；所述檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域與背 極板上的透光孔正對(duì)，且反光膜區(qū)域的尺寸大于透光孔尺寸。 所述光纖傳感頭包括梯度透鏡和尾纖，所述尾纖安裝在梯度透鏡的尾部，所述梯 度透鏡安裝在所述加速度傳感器框架上，或者安裝在另外增加的斐索干涉腔支架上，安裝 時(shí)使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)， 且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行，該反光膜區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)所述梯度透鏡入射的激光反射回 去，從而對(duì)入射光的相位進(jìn)行調(diào)制，所述梯度透鏡出射面和所述反光膜區(qū)域之間構(gòu)成一個(gè) 柱形斐索干涉腔。這里，所述斐索干涉腔支架可以安裝在所述背極板的未制作有限位凸觸 的一面上，或者安裝在所述加速度傳感器框架上等其他的位置，只要保證所述梯度透鏡出 射面和所述反光膜區(qū)域之間的距離，即保證斐索干涉腔的長(zhǎng)度滿足需要即可。
另外，上述基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的技術(shù)方案中，所述光纖 加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)中可以具有兩片背極板和兩個(gè)光纖傳感頭。其中，兩片背極板相 對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊上下對(duì)稱設(shè)置，兩片背極板的結(jié)構(gòu)相同，其上制作有阻尼孔、限位凸觸 以及透光孔，兩片背極板分別與所述加速度傳感器框架之間形成上下兩個(gè)聲學(xué)腔，與所述 檢測(cè)質(zhì)量塊之間形成上下兩個(gè)空氣隙，由此形成背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)系統(tǒng) 的阻尼和Q值。所述檢測(cè)質(zhì)量塊的上下表面上均設(shè)有反光膜區(qū)域，并相對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊呈 鏡像對(duì)稱分布。并且，兩個(gè)光纖傳感頭的結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊設(shè)置在 所述加速度傳感器框架上，或者設(shè)置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)，且保證出射端面與 反光膜區(qū)域平行，上下兩個(gè)光纖傳感頭的梯度透鏡出射面與所述反光膜區(qū)域之間形成的上 下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度完全相同。該結(jié)構(gòu)組成的光纖加速度傳感器系統(tǒng)采用差分方式工 作，當(dāng)傳感器感受到外界加速度的作用時(shí)，光纖加速度傳感器探頭中的質(zhì)量塊向上或向下 發(fā)生偏移，使得上下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度發(fā)生變化，分別對(duì)通過(guò)兩個(gè)所述梯度透鏡入射 的激光進(jìn)行相位調(diào)制。經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光作為兩個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)輸入兩個(gè)傳輸光纖，二 者經(jīng)過(guò)所述光纖耦合器耦合后進(jìn)入所述輸出光纖發(fā)生干涉，并由所述光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)，進(jìn)入所述載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行解調(diào)。 另外，上述基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的技術(shù)方案中，所述光纖 加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)中的加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)中還可以包括驅(qū)動(dòng)電極，設(shè)置在所述檢測(cè)質(zhì) 量塊的一個(gè)或者上下兩個(gè)表面上的反光膜區(qū)域外圍，若在檢測(cè)質(zhì)量塊的上下表面均有設(shè)置 時(shí)，則兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極相對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊呈鏡像對(duì)稱分布。并且，該結(jié)構(gòu)中所述背極板的 與檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)的表面上也制作有驅(qū)動(dòng)電極，與所述檢測(cè)質(zhì)量塊上的驅(qū)動(dòng)電極盡量正對(duì) 以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，為檢測(cè)質(zhì)量塊提供靜電力，用于調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置、引入力學(xué)反饋以及 當(dāng)過(guò)載粘附時(shí)候提供一個(gè)反方向的電力實(shí)現(xiàn)過(guò)載恢復(fù)等功能。另外，在該結(jié)構(gòu)中，所述光纖 傳感頭具有一個(gè)或者兩個(gè)，設(shè)置在所述加速度傳感器框架上，或者設(shè)置在另外增加的斐索 干涉腔支架上，并使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反 光膜區(qū)域正對(duì)，且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行；當(dāng)設(shè)置有兩個(gè)光纖傳感頭時(shí)，相對(duì)稱地 關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊進(jìn)行設(shè)置，且上下兩個(gè)光纖傳感頭的梯度透鏡出射面與所述反光膜區(qū)域之 間形成的上下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度完全相同。上述結(jié)構(gòu)組成的光纖加速度傳感器系統(tǒng)采 用反饋方式工作，此時(shí)需要在所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)中增加反饋控制電路模 塊，并通過(guò)該模塊與光纖加速度傳感器探頭上的各驅(qū)動(dòng)電極進(jìn)行連接。所述相位載波調(diào)制 信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行解調(diào)的同時(shí)，根據(jù)接收到的信號(hào)幅度，產(chǎn)生與其成比例的電壓反 饋信號(hào)輸入到各光纖加速度傳感器探頭上的各驅(qū)動(dòng)電極上。 本發(fā)明的一種光纖加速度傳感器探頭以及基于相位載波調(diào)制技術(shù)的光纖加速度 傳感器系統(tǒng)的有益效果在于 (1)本發(fā)明的光纖加速度傳感器探頭沒(méi)有電子電路，在使用時(shí)可以通過(guò)光纖連接， 它既不產(chǎn)生電磁信號(hào)，也不受電磁信號(hào)的干擾，因此，可以應(yīng)用于強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)射頻 場(chǎng)環(huán)境中。 (2)本發(fā)明采用相位載波調(diào)制的激光作為光源并在光纖加速度傳感器傳感探頭中 應(yīng)用了梯度透鏡，因此，本發(fā)明在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比等方面比采用光強(qiáng)度調(diào)制的傳 感器要好很多。 (3)本發(fā)明采用雙背極板結(jié)構(gòu)，限定了加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的移動(dòng)范圍，大大提高了 系統(tǒng)的抗沖擊性；背極板上的電極，可以提供靜電力，用于調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置、引入力學(xué)反 饋以及當(dāng)過(guò)載粘附時(shí)提供一個(gè)反方向的電力實(shí)現(xiàn)過(guò)載恢復(fù)等功能。 (4)本發(fā)明的光纖加速度傳感器探頭采用背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)，背極板上 的聲孔大小和密度，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和頻率響應(yīng)；背極板上的凸觸可以防止過(guò)載時(shí)候 的粘附。
(5)本發(fā)明的光纖加速度傳感器探頭中易于采用差分方式進(jìn)行探測(cè)，也易于引入反饋機(jī)制，可以進(jìn)一步提高其靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比等性能。 (6)本發(fā)明的加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用MEMS技術(shù)制作，在樣品的間隙控制、器件的一 致性等方面都得到了改善和提高。


圖1是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。
圖2是本發(fā)明的光纖加速度傳感器系統(tǒng)中的光纖加速度傳感器探頭的一個(gè)實(shí)施
例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的差分式光纖加速度傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。
圖4是本發(fā)明的光纖加速度傳感器系統(tǒng)中的光纖加速度傳感器探頭的另一個(gè)實(shí) 施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本發(fā)明的光纖加速度傳感器系統(tǒng)中的光纖加速度傳感器探頭的又一個(gè)實(shí) 施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6是本發(fā)明的光纖加速度傳感器系統(tǒng)中的光纖加速度傳感器探頭的又一個(gè)實(shí)
施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)識(shí) 100相位載波調(diào)制的激光光源
200 、400 、600 耦合光纖
300光纖耦合器
700 光電探測(cè)器 800相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)
500光纖加速度傳感器探頭
510 加速度傳感頭
511 檢測(cè)質(zhì)量塊 512 彈性部件(包括彈簧、彈性梁、有孔或無(wú)孔的彈性振動(dòng)膜或其他提供彈性回 復(fù)力的裝置) 513加速度傳感頭支撐部件 516、517傳感頭上的反光膜區(qū)域(多設(shè)置在質(zhì)量塊中心位置)
518、519傳感頭上的驅(qū)動(dòng)電極(設(shè)置在反光膜區(qū)域外圍)
520加速度傳感器背極板
521背極板上的聲學(xué)孔
522背極板上的限位凸觸
523背極板上的透光孔 524背極板上的驅(qū)動(dòng)電極(與傳感頭上的驅(qū)動(dòng)電極相對(duì))
525 、528 過(guò)孔
526、529 引線及焊盤(pán) 527背極板上的驅(qū)動(dòng)電極(與電極524電壓相反，為檢測(cè)質(zhì)量塊提供靜電力)
530加速度傳感器的另一塊背極板 [ooee]540加速度傳感器框架(或封裝)
541加速度傳感器外殼542傳感頭510與背極板520之間的空氣隙543傳感頭510與背極板530之間的空氣隙544背極板520與外殼541之間的聲學(xué)腔545背極板530與外殼541之間的聲學(xué)腔550光纖檢測(cè)頭551斐索干涉腔支架552梯度透鏡553梯度透鏡出射端面554尾纖555斐索干涉腔560光纖檢測(cè)頭，與檢測(cè)頭550的結(jié)構(gòu)完全相同
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的一種光纖加速度傳感器探頭以及基于
相位載波調(diào)制技術(shù)的光纖加速度傳感器系統(tǒng)作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
實(shí)施例1 : 圖1是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的原 理性框圖。如圖1所示，本發(fā)明的一種基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)1000，包 括相位載波調(diào)制的激光光源100、輸入光纖200、光纖耦合器300、傳輸光纖400、光纖加速 度傳感器探頭500、輸出光纖600、光電探測(cè)器700和載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800。所述 的光纖耦合器300分別與所述的相位載波調(diào)制的激光光源100、所述的光纖加速度傳感器 探頭500以及所述的光電探測(cè)器700通過(guò)所述的輸入光纖200、所述的傳輸光纖400以及所 述的輸出光纖600連接。所述的光電探測(cè)器700與所述的相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng) 800通過(guò)電線或電纜連接。 本發(fā)明的工作原理如下所述的光纖加速度傳感器探頭500至少包括一個(gè)梯度透 鏡(也稱自聚焦透鏡)和一個(gè)帶有反光膜區(qū)域(或稱反光斑點(diǎn))的加速度檢測(cè)質(zhì)量塊，梯 度透鏡的出射端面和加速度檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域平行放置，并在出射端面和反光膜 區(qū)域之間構(gòu)成一個(gè)柱狀空間，稱為激光斐索(Fizeau)干涉腔。所述的梯度透鏡作為出射光 的準(zhǔn)直透鏡和來(lái)自所述的加速度檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域反射光的會(huì)聚透鏡。所述的梯 度透鏡出射端面鍍有反射膜，以反射一部分入射光作為參考臂(即沒(méi)有包含傳感信息的光 信號(hào)走過(guò)的路徑)光信號(hào)，而信號(hào)臂(即包含傳感信息的光信號(hào)走過(guò)的路徑)的長(zhǎng)度是所 述的加速度檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域與所述的梯度透鏡出射端面的距離的2倍。所述的 加速度檢測(cè)質(zhì)量塊感受到外界加速度時(shí)，其上的反光膜區(qū)域?qū)a(chǎn)生微小的位移，此微小的 位移將調(diào)制反射光的相位。這樣，來(lái)自參考臂的光信號(hào)和來(lái)自信號(hào)臂相位調(diào)制的光信號(hào)形 成干涉，所產(chǎn)生的干涉光信號(hào)通過(guò)所述的傳輸光纖400、光纖耦合器300和所述的輸出光纖 600傳輸?shù)剿龅墓怆娞綔y(cè)器700，并被其轉(zhuǎn)換成載波調(diào)制的電信號(hào)，此電信號(hào)被所述的相 位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800解調(diào)出來(lái)，得到對(duì)應(yīng)于該加速度值的電信號(hào)。為了提高 所述光纖加速度傳感器系統(tǒng)1000的靈敏度，擴(kuò)大其動(dòng)態(tài)范圍，所述光纖加速度傳感器探頭
11500的入射光信號(hào)來(lái)自所述相位載波調(diào)制的激光光源100。 所述相位載波調(diào)制的激光光源100至少包括一個(gè)高穩(wěn)定度的激光器(如DFB半導(dǎo)
體激光器)和一個(gè)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的振蕩器，且激光器的波長(zhǎng)(頻率)與輸出光功率有關(guān)，即
與注入的激勵(lì)電流有關(guān)。在一定的發(fā)光功率范圍內(nèi)激光器光源輸出的光頻隨調(diào)制電流近似
線性變化。所述的高穩(wěn)定度激光器和所述的振蕩器一起，產(chǎn)生一個(gè)周期性調(diào)制的激光信號(hào)。
此載波調(diào)制的激光信號(hào)輸出時(shí)，如果所述的輸入光纖200為保偏光纖，可以通過(guò)一個(gè)偏振
片后傳輸給所述的輸入光纖200，一般情況下，也可以省去所述的偏振片。 所述的輸入光纖200、輸出光纖600和傳輸光纖400為單模光纖，可以是保偏單模
光纖，也可以是非保偏的單模光纖。這些光纖的作用是保證光信號(hào)低損耗傳輸。 所述的光纖耦合器300是一種廣義的光耦合裝置，它的作用是將來(lái)自所述相位載
波調(diào)制的激光光源100的光信號(hào)耦合到所述傳輸光纖400中，并將來(lái)自所述光纖加速度傳
感器探頭500的反射光信號(hào)耦合到所述輸出光纖600中。所述的光纖耦合器300將注入的
光束分成光強(qiáng)為l : l的兩束光，它可以是2xl光纖耦合器，也可以是2x2光纖耦合器。對(duì)
于使用2x2光纖耦合器的情況，一束注入到所述2x2光纖耦合器的光是來(lái)自所述相位載波
調(diào)制的激光光源100的光信號(hào)，它經(jīng)過(guò)所述輸入光纖200與所述2x2光纖耦合器連接，分出
的兩束光中，其中一束進(jìn)入所述傳輸光纖400，光的傳播方向是從所述2x2光纖耦合器到所
述光纖加速度傳感器探頭500，而另一束分出的光沒(méi)有用(本發(fā)明附圖1中沒(méi)有畫(huà)出)，可
以連接到光吸收端頭，也可以什么都不接。另一束注入光是來(lái)自所述光纖加速度傳感器探
頭500的反射光，光的傳播方向從所述光纖加速度傳感器探頭500到所述2x2光纖耦合器，
分出的兩束光， 一束進(jìn)入所述輸入光纖200， 一束進(jìn)入所述輸出光纖600。 所述的光電探測(cè)器700是一種廣義的光強(qiáng)檢測(cè)裝置，它將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成
與光強(qiáng)度成正比的電信號(hào)。它一般是由PIN光電二極管組成的光電轉(zhuǎn)換電路。 所述的相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800是廣義的電子信號(hào)處理系統(tǒng)，它的功
能就是將相位載波調(diào)制信號(hào)中特定頻率的信號(hào)解調(diào)出來(lái)。能夠完成解調(diào)的方案一般有兩
種，即模擬電子電路解調(diào)方案和數(shù)字信號(hào)處理DSP解調(diào)方案。所述的模擬電子電路解調(diào)方
案是指利用模擬電路的乘法、濾波、微分、積分等模擬運(yùn)算，完成相位載波調(diào)制信號(hào)的解調(diào)；
所述的數(shù)字信號(hào)處理DSP解調(diào)方案是指將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行量化，通過(guò)數(shù)字信號(hào)
處理DSP的軟件運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)，然后，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字解調(diào)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的
模擬解調(diào)信號(hào)。 從本實(shí)施例給出的相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器工作原理可知，本發(fā)明和本 實(shí)施例并不限于某種特定的加速度傳感器探頭結(jié)構(gòu)，例如可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感 器的質(zhì)量塊_彈簧結(jié)構(gòu)，也可以采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性 振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包括有孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)。只要是將感受的加速度轉(zhuǎn)化為檢測(cè)質(zhì)量塊的 位移，并在該檢測(cè)質(zhì)量塊上制作有反光膜區(qū)域即可。
實(shí)施例2 : 圖2是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中的 光纖加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，尤其給出了所述光纖加速度傳感器探頭500的詳細(xì) 結(jié)構(gòu)。 如圖2所示，在此實(shí)施例中，所述的光纖加速度傳感器探頭500包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510、背極板520和530、加速度傳感器框架541、光纖傳感頭550。 所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510包括檢測(cè)質(zhì)量塊511、彈性振動(dòng)膜512、支撐部件513和 檢測(cè)質(zhì)量塊表面的反光膜區(qū)域516。其中所述檢測(cè)質(zhì)量塊511位于加速度傳感器探頭500 的中心位置，其邊界與彈性振動(dòng)膜512的內(nèi)邊界相連，彈性振動(dòng)膜512的外邊界與所述支撐 部件513相連，并通過(guò)所述支撐部件513固定在所述傳感器框架541上。所述彈性振動(dòng)膜 512圍繞所述檢測(cè)質(zhì)量塊511呈中心對(duì)稱分布。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊和彈性部件可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈簧 結(jié)構(gòu)，也可采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包括有 孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)。 所述的反光膜區(qū)域516是指廣義的反光材料制成的一小的圓形區(qū)域，直徑為10 1000微米，一般制作在所述檢測(cè)質(zhì)量塊511垂直于檢測(cè)加速度方向的表面的中心位置，該 反光膜區(qū)域516也可以是方形或別的形狀的區(qū)域。所述的反光膜區(qū)域516 —般采用金屬鋁 或金膜。對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊本身就具有反光的情況(例如，有的檢測(cè)質(zhì)量塊上本身就鍍有一 層鋁膜)，可以不另外制作反光膜。 所述背極板520為一邊界固定在傳感器框架541上的剛性較大的板。所述背極板 520上制作有特定大小和分布的阻尼孔521以調(diào)節(jié)阻尼。所述背極板520其中一面上制作 有限位凸觸522以防止過(guò)載和粘附。所述背極板520中心還制作有一透光通孔523，設(shè)置在 所述檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516的尺寸大于該透光通孔523的尺寸。
所述檢測(cè)質(zhì)量塊511與背極板520上下平行，檢測(cè)質(zhì)量塊511上反光區(qū)域膜516 所在表面與背極板520上制作有限位凸觸522的表面相對(duì)，其間形成空氣隙542。所述透光 孔523需完全正對(duì)所述反光膜區(qū)域516。 背極板530與背極板520相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊511設(shè)置。背極板530的結(jié)構(gòu) 與背極板520可以相同也可以不同，其上制作有阻尼孔531、限位凸觸532，也可以制作透光 孔533。背極板520與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔544，背極板530與檢測(cè)質(zhì)量塊511 之間形成空氣隙543，與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔545。這樣形成的背極板_阻尼 孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和Q值。 所述光纖傳感頭550包括斐索干涉腔支架551、梯度透鏡552，以及尾纖554。所述 斐索干涉腔支架551固定在所述背極板520未制作限位凸觸的一面，構(gòu)成一個(gè)圓柱形的斐 索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551—般為非金屬材料制成(如有機(jī)玻璃、聚氯乙烯 材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透鏡552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端面553與 背極板520上的透光孔523以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516完全正對(duì)，且保證與 反光膜區(qū)域516平行。出射端面553與反光膜區(qū)域516之間的距離，即斐索干涉腔555的 長(zhǎng)度，可以通過(guò)梯度透鏡552在支架551上的位置來(lái)調(diào)節(jié)。該梯度透鏡552通過(guò)尾纖554 與傳輸光纖400連接。 所述的梯度透鏡552，也稱為梯度折射率透鏡，或稱自聚焦鏡，它可以將光纖內(nèi)的 傳輸光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光(平行光)，或?qū)⑼饨缙叫?近似平行)光耦合至單模光纖內(nèi)。
所述的出射端面553上有一層反射膜(如鋁膜、銀膜或氟化鎂膜等)，使來(lái)自光源 的信號(hào)部分被反射，作為斐索干涉的參考臂信號(hào)。所述的反光膜區(qū)域516用于反射來(lái)自所 述梯度透鏡552的光信號(hào)，此反射光信號(hào)又通過(guò)所述梯度透鏡552耦合到光纖里，作為來(lái)自信號(hào)臂的傳感信號(hào)。
實(shí)施例3: 圖3是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的差分式光纖加速度傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施 例的原理性框圖。如圖3所示，本發(fā)明的一種基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng) 1000，包括相位載波調(diào)制的激光光源100、輸入光纖200、光纖耦合器300、傳輸光纖400a、 400b、光纖加速度傳感器探頭500、輸出光纖600、光電探測(cè)器700、相位載波調(diào)制信號(hào)電子 解調(diào)系統(tǒng)800。 所述的光纖耦合器300通過(guò)所述的輸入光纖200與所述的相位載波調(diào)制的激光光 源100連接，通過(guò)所述的傳輸光纖400a、400b與所述的光纖加速度傳感器探頭500連接，并 通過(guò)所述的輸出光纖600與所述的光電探測(cè)器700連接。所述的光電探測(cè)器700與所述的 相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800通過(guò)電線或電纜連接。 本實(shí)施例中所述的相位載波調(diào)制的激光光源100、輸入光纖200、輸出光纖600、光 電探測(cè)器700與實(shí)施例1中的相應(yīng)器件完全相同。本實(shí)施例中所述的傳輸光纖400a、400b 與實(shí)施例1中所述的傳輸光纖400完全相同，且所述傳輸光纖400a、400b性能要盡可能地 接近一致。 本實(shí)施例中所述的光纖耦合器300是一種廣義的光耦合裝置?？刹捎?x2光纖耦 合器。 一束來(lái)自所述相位載波調(diào)制的激光光源100的光信號(hào)經(jīng)過(guò)所述光纖耦合器300之后 分別進(jìn)入所述傳輸光纖400a、400b中。同時(shí)，來(lái)自所述光纖加速度傳感器探頭500，并通過(guò) 傳輸光纖400a傳輸?shù)姆瓷涔庑盘?hào)經(jīng)過(guò)所述光纖耦合器300之后分別進(jìn)入所述輸入光纖100 和輸出光纖600中。通過(guò)所述傳輸光纖400b傳輸?shù)姆瓷涔庑盘?hào)同樣進(jìn)入所述輸入光纖100 和輸出光纖600，兩束光在輸出光纖600中發(fā)生干涉，并傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器700中進(jìn)行光電 轉(zhuǎn)換。 圖4是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中 的光纖加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，本實(shí)施例中所述的光纖加速度傳感 器探頭500，包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510、背極板520和530、加速度傳感器框架541、光纖傳 感頭550和560。 所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510包括檢測(cè)質(zhì)量塊511、彈性振動(dòng)膜512、支撐部件513和 檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域516、517。其中所述檢測(cè)質(zhì)量塊511位于加速度傳感器探頭500 的中心位置，其邊界與彈性振動(dòng)膜512的內(nèi)邊界相連，彈性振動(dòng)膜512的外邊界與所述支撐 部件513相連，并通過(guò)所述支撐部件513固定在所述傳感器框架541上。所述彈性振動(dòng)膜 512圍繞所述檢測(cè)質(zhì)量塊511呈中心對(duì)稱分布。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊和彈性部件可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感器的質(zhì)量塊-彈簧 結(jié)構(gòu)，也可采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包括有 孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)。 所述的反光膜區(qū)域516、517是指廣義的反光材料制成的一小的圓形區(qū)域，直徑為 10 1000微米，一般制作在所述檢測(cè)質(zhì)量塊511垂直于檢測(cè)加速度方向的表面的中心位 置，所述反光膜區(qū)域516、517分別位于檢測(cè)質(zhì)量塊511的上下表面，并相對(duì)于其中心對(duì)稱平 面呈鏡像對(duì)稱分布。該反光膜區(qū)域516、517也可以是方形或別的形狀的區(qū)域。所述的反光 膜區(qū)域516、517—般采用金屬鋁或金膜。對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊本身就具有反光的情況(例如，有的檢測(cè)質(zhì)量塊上本身就鍍有一層鋁膜)，可以不另外制作反光膜。 所述背極板520為一邊界固定在傳感器框架541上的剛性較大的板。所述背極板 上520制作有特定大小和分布的阻尼孔521以調(diào)節(jié)阻尼。所述背極板520其中一面上制作 有限位凸觸522以防止過(guò)載和粘附。所述背極板520中心還制作有一透光通孔523，設(shè)置在 所述檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516的尺寸大于透光通孔523的尺寸。
所述檢測(cè)質(zhì)量塊511與背極板520上下平行，檢測(cè)質(zhì)量塊511上反光區(qū)域膜516 所在表面與背極板520上制作有限位凸觸522的表面相對(duì)，其間形成空氣隙542。所述透光 孔523需完全正對(duì)所述反光膜區(qū)域516。 背極板530與背極板520結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊511設(shè)置。背 極板530上的透光孔533必須完全正對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域517。背極板530與 檢測(cè)質(zhì)量塊511之間形成空氣隙543。背極板520與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔544， 背極板530與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔545。這樣形成的背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔 結(jié)構(gòu)有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和Q值。 所述光纖傳感頭550包括斐索干涉腔支架551、梯度透鏡552，以及尾纖554。所述 斐索干涉腔支架551固定在所述背極板520未制作限位凸觸的一面，構(gòu)成一個(gè)圓柱形的斐 索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551—般為非金屬材料制成(如有機(jī)玻璃、聚氯乙烯 材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透鏡552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端面553與 背極板520上的透光孔523以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516完全正對(duì)，且保證與 反光膜區(qū)域516平行。出射端面553與反光膜區(qū)域516之間的距離，即斐索干涉腔555的 長(zhǎng)度，可以通過(guò)梯度透鏡552在支架551上的位置來(lái)調(diào)節(jié)。該梯度透鏡552通過(guò)尾纖554 與傳輸光纖400a連接。 所述的梯度透鏡552，也稱為梯度折射率透鏡，或稱自聚焦鏡，它可以將光纖內(nèi)的 傳輸光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光(平行光)，或?qū)⑼饨缙叫?近似平行)光耦合至單模光纖內(nèi)。
所述的出射端面553上有一層增透膜，使來(lái)自光源的信號(hào)及反射光信號(hào)盡量透過(guò) 出射端面。所述出射端面553上也可以不設(shè)置任何光學(xué)薄膜。所述的反光膜區(qū)域516用于 反射來(lái)自所述梯度透鏡552的光信號(hào)，此反射光信號(hào)又通過(guò)所述梯度透鏡552耦合到光纖 400a里，作為來(lái)自一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)。 所述光纖傳感頭560與光纖傳感頭550結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量 塊511設(shè)置。光纖傳感頭560的斐索干涉腔支架561固定在所述背極板530未制作限位凸 觸的一面，梯度透鏡562的出射端面563與檢測(cè)質(zhì)量塊511表面上的反光膜區(qū)域517之間 構(gòu)成一個(gè)圓柱形的斐索干涉腔565，所述斐索干涉腔565與斐索干涉腔555的長(zhǎng)度完全相 同。所述梯度透鏡562固定在斐索干涉腔支架561上，其出射端面563與背極板530上的 透光孔533以及檢測(cè)質(zhì)量塊511表面上的反光膜區(qū)域517完全正對(duì)，且保證與反光膜區(qū)域 517平行。該梯度透鏡通過(guò)尾纖564與傳輸光纖400b連接。所述光纖傳感頭560獲得的反 射光信號(hào)通過(guò)梯度透鏡562耦合到傳輸光纖400b中，作為來(lái)自另一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)。
本實(shí)施例中的光纖加速度傳感器采用差分方式工作。當(dāng)傳感器感受到外界加速度 的作用時(shí)，光纖加速度傳感器探頭500中的質(zhì)量塊511向上或向下發(fā)生偏移，使得斐索干涉 腔555和565的長(zhǎng)度發(fā)生變化，分別對(duì)通過(guò)傳輸光纖400a和400b入射的激光進(jìn)行相位調(diào) 制。通過(guò)斐索干涉腔555調(diào)制的激光作為一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)輸入傳輸光纖400a，通過(guò)斐索干涉腔565調(diào)制的激光作為另一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)輸入傳輸光纖400b，二者經(jīng)過(guò)光 纖耦合器300耦合后進(jìn)入輸出光纖600發(fā)生干涉，并由光電探測(cè)器700轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)入 相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800中進(jìn)行解調(diào)。 從本實(shí)施例給出的相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器工作原理可知，本發(fā)明和本 實(shí)施例并不限于某種特定的加速度傳感器探頭結(jié)構(gòu)，例如可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感 器的質(zhì)量塊_彈簧結(jié)構(gòu)，也可以采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性 振動(dòng)膜(包括有孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)結(jié)構(gòu)。只要是將感受的加速度轉(zhuǎn)化為檢測(cè)質(zhì)量塊的 位移，并在該檢測(cè)質(zhì)量塊上制作有反光膜區(qū)域即可。 本實(shí)施例采用的差分光纖加速度傳感器，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了傳感 器的靈敏度和分辨率，降低了其靈敏度溫度系數(shù)。
實(shí)施例4: 圖5是本發(fā)明基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中的 光纖加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，尤其給出了所述光纖加速度傳感器探頭500的詳細(xì) 結(jié)構(gòu)。 如圖5所示，本實(shí)施例的光纖加速度傳感器探頭500包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510、背 極板520和530、加速度傳感器框架541、光纖傳感頭550和560。 所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510包括檢測(cè)質(zhì)量塊511、彈性振動(dòng)膜512、支撐部件513、檢 測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域516、517，以及反光膜區(qū)域外圍的驅(qū)動(dòng)電極518、519。其中所述檢 測(cè)質(zhì)量塊511位于加速度傳感器探頭500的中心位置，其邊界與彈性振動(dòng)膜512的內(nèi)邊界 相連，彈性振動(dòng)膜512的外邊界與所述支撐部件513相連，并通過(guò)所述支撐部件513固定在 所述傳感器框架541上。所述彈性振動(dòng)膜512圍繞所述檢測(cè)質(zhì)量塊511呈中心對(duì)稱分布。
所述檢測(cè)質(zhì)量塊和彈性部件可以采用傳統(tǒng)電容式加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈簧 結(jié)構(gòu)，也可采用MEMS加速度傳感器的質(zhì)量塊_彈性梁或質(zhì)量塊_彈性振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)(包括有 孔和無(wú)孔彈性振動(dòng)膜)。 所述的反光膜區(qū)域516、517是指廣義的反光材料制成的一小的圓形區(qū)域，直徑為 10 1000微米，一般制作在所述檢測(cè)質(zhì)量塊511垂直于檢測(cè)加速度方向的表面的中心位 置，所述反光膜區(qū)域516、517分別位于檢測(cè)質(zhì)量塊511的上下表面，并相對(duì)于其中心對(duì)稱平 面呈鏡像對(duì)稱分布。該反光膜區(qū)域516、517也可以是方形或別的形狀的區(qū)域。所述的反光 膜區(qū)域516、517—般采用金屬鋁或金膜。對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊本身就具有反光的情況(例如， 有的檢測(cè)質(zhì)量塊上本身就鍍有一層鋁膜)，可以不另外制作反光膜。 所述驅(qū)動(dòng)電極518位于所述檢測(cè)質(zhì)量塊511的上表面，反光膜區(qū)域516的外圍，其 作用是為檢測(cè)質(zhì)量塊511提供靜電力，用于調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置、引入力學(xué)反饋以及當(dāng)過(guò)載 粘附時(shí)提供一個(gè)反方向的電力實(shí)現(xiàn)過(guò)載恢復(fù)等功能。所述驅(qū)動(dòng)電極519位于檢測(cè)質(zhì)量塊 511的下表面，并與驅(qū)動(dòng)電極518相對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊511呈鏡像對(duì)稱分布。
所述背極板520為一邊界固定在傳感器框架541上的剛性較大的板。所述背極板 520上制作有特定大小和分布的阻尼孔521以調(diào)節(jié)阻尼。所述背極板520其中一面上制作 有限位凸觸522以防止過(guò)載和粘附。所述背極板520中心還制作有一透光通孔523，設(shè)置在 所述檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516的尺寸大于該透光通孔523的尺寸。所述背極板 520與檢測(cè)質(zhì)量塊511相對(duì)的表面上還制作有驅(qū)動(dòng)電極524，它與檢測(cè)質(zhì)量塊511上的驅(qū)動(dòng)為檢測(cè)質(zhì)量塊511提供靜電力。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊511與背極板520上下平行，檢測(cè)質(zhì)量塊511上反光區(qū)域膜516 所在表面與背極板520上制作有限位凸觸522的表面相對(duì)，其間形成空氣隙542。所述透光 孔523需完全正對(duì)所述反光膜區(qū)域516，所述驅(qū)動(dòng)電極518和524需盡量正對(duì)。
背極板530與背極板520結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊511設(shè)置。背 極板530上的透光孔533必須完全正對(duì)檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域517，驅(qū)動(dòng)電極534 需與檢測(cè)質(zhì)量塊511上的驅(qū)動(dòng)電極519盡量正對(duì)。背極板530與檢測(cè)質(zhì)量塊511之間形成 空氣隙543。背極板520與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔544，背極板530與傳感器框架 541之間形成聲學(xué)腔545。這樣形成的背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻 尼和Q值。 所述光纖傳感頭550包括梯度透鏡552及尾纖554。所述梯度透鏡552固定于所 述加速度傳感器外殼頂蓋上，梯度透鏡552的出射端面553與檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜 區(qū)域516之間構(gòu)成一個(gè)斐索干涉腔555。所述梯度透鏡552的出射端面553與背極板520 上的透光孔523以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516完全正對(duì)，且保證與反光膜區(qū)域 516平行。出射端面553與反光膜區(qū)域516之間的距離，即斐索干涉腔555的長(zhǎng)度，可以通 過(guò)梯度透鏡552在加速度傳感器外殼頂蓋上的位置來(lái)調(diào)節(jié)。該梯度透鏡552通過(guò)尾纖554 與傳輸光纖400a連接。 所述的梯度透鏡552，也稱為梯度折射率透鏡，或稱自聚焦鏡，它可以將光纖內(nèi)的 傳輸光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光(平行光)，或?qū)⑼饨缙叫?近似平行)光耦合至單模光纖內(nèi)。
所述的出射端面553上有一層增透膜，使來(lái)自光源的信號(hào)及反射光信號(hào)盡量透過(guò) 出射端面。所述出射端面553上也可以不設(shè)置任何光學(xué)薄膜。所述的反光膜區(qū)域516用于 反射來(lái)自所述梯度透鏡552的光信號(hào)，此反射光信號(hào)又通過(guò)所述梯度透鏡552耦合到光纖 400a里，作為來(lái)自一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)。 所述光纖傳感頭560與光纖傳感頭550結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量 塊511設(shè)置。所述梯度透鏡562固定于所述加速度傳感器外殼底蓋上，所形成的斐索干涉腔 565與斐索干涉腔555的長(zhǎng)度完全相同。所述梯度透鏡562的出射端面563與背極板530 上的透光孔533以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域517完全正對(duì)，且保證與反光膜區(qū)域 517平行。該梯度透鏡通過(guò)尾纖564與傳輸光纖400b連接。所述光纖傳感頭560獲得的反 射光信號(hào)通過(guò)梯度透鏡562耦合到傳輸光纖400b中，作為來(lái)自另一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)。
該光纖加速度傳感器工作時(shí)，在所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800中需要 增加反饋控制電路模塊，并通過(guò)該模塊與光纖加速度傳感器探頭500上的驅(qū)動(dòng)電極518、 519、 524、 534進(jìn)行連接。所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)800在進(jìn)行解調(diào)的同時(shí)，根據(jù) 接收到的信號(hào)幅度，產(chǎn)生與其成比例的電壓反饋信號(hào)輸入到電極518、519、524、534上。
本實(shí)施例提供的一種帶反饋的差分式光纖加速度傳感器，在原有光纖加速度傳感 器的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，提高其靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。并且，本實(shí)施例提供的一 種帶反饋的差分式光纖加速度傳感器的梯度透鏡固定于加速度傳感器外殼上，可以簡(jiǎn)化系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例5: 圖6是本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的又一個(gè)實(shí)施例中
17的光纖加速度傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，尤其給出了所述光纖加速度傳感器探頭500的詳 細(xì)結(jié)構(gòu)。 如圖6所示，本實(shí)施例中提供的光纖加速度傳感器探頭500為基于MEMS工藝的單 晶硅加速度傳感器探頭，包括單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510、印制電路背極板520和530、加速 度傳感器框架541、光纖傳感頭550和560。 所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510為一單晶(100)取向硅片，經(jīng)過(guò)高溫氧化、光刻圖形化、 去熱氧、體刻蝕等MEMS工藝步驟制得。 所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)513仰視圖為圓環(huán)形，用于支撐加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并與印制電 路背極板520、530貼合，其厚度約與所述單晶(100)取向硅片相同。 所述單晶硅彈性振動(dòng)膜512仰視圖為圓環(huán)形，單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊511仰視 圖為圓形，二者由所述單晶(100)取向硅片經(jīng)過(guò)體刻蝕加工而成。單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量 塊511與所述單晶硅彈性振動(dòng)膜512具有相同的幾何中心，單晶硅彈性振動(dòng)膜512的外邊 界與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)513的內(nèi)邊界相連，內(nèi)邊界與所述單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊511 的外邊界相連。 另外，所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)513、單晶硅彈性振動(dòng)膜512和單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量 塊511的仰視圖也可為矩形、正方形、正六邊形等其他形狀，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)設(shè) 計(jì)需要和工藝條件進(jìn)行選擇。 由于雙面體刻蝕加工的原因，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510以厚度方向的中心平面鏡 像對(duì)稱。其中，所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)513的厚度約等于所述單晶(100)取向硅片的厚度。所 述單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊511的厚度較所述單晶(100)取向硅片的厚度薄，其上下表面 與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)513的上下表面的垂直距離各約為2 100微米。所述單晶硅彈性 振動(dòng)膜512的厚度為5 500微米。上述距離和厚度也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行調(diào)整。
所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510的單晶硅檢測(cè)質(zhì)量塊上還形成反光膜區(qū)域516、517，以 及反光膜區(qū)域外圍的驅(qū)動(dòng)電極518、519。也可以在所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510上鍍上一層鋁 膜，形成所述反光膜區(qū)域516、517和所述驅(qū)動(dòng)電極518、519。 所述印制電路背極板520為一剛度較大的印制電路板。所述背極板520上制作有 一定數(shù)量及分布的阻尼孔521，在背極板520的中心位置打有透光通孔523。在背極板520 下表面制作有限位凸觸522，并鍍有驅(qū)動(dòng)電極524，該電極與貫穿背極板520的過(guò)孔525連 接。過(guò)孔525的另一端連接到背極板520上表面的引線及焊盤(pán)526，用以接受驅(qū)動(dòng)電壓。
背極板520上的過(guò)孔528結(jié)構(gòu)與過(guò)孔525完全相同，它連接下表面上的電極527， 并進(jìn)一步與單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)510上的驅(qū)動(dòng)電極518、519電學(xué)連通，它的另一端位于 上表面，連接引線及焊盤(pán)529，以便為驅(qū)動(dòng)電極518、519提供驅(qū)動(dòng)電壓。
所述電極524、527的形狀和面積，所述阻尼孔521的形狀、大小和分布，所述限位 凸觸522的形狀、尺寸和高度，所述過(guò)孔525、528的大小，均可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)需要 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 所述檢測(cè)質(zhì)量塊511與背極板520上下平行，檢測(cè)質(zhì)量塊511上反光區(qū)域膜516 所在表面與背極板520上制作有限位凸觸522的表面相對(duì)，其間形成2 100微米的空氣 隙542。所述透光孔523需完全正對(duì)所述反光膜區(qū)域516，所述驅(qū)動(dòng)電極518和524需盡量 正對(duì)。
背極板530與背極板520結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊511設(shè)置。背 極板530上的驅(qū)動(dòng)電極534與檢測(cè)質(zhì)量塊上的驅(qū)動(dòng)電極519需盡量正對(duì)。背極板530與檢 測(cè)質(zhì)量塊511之間形成空氣隙543。背極板520與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔544，背 極板530與傳感器框架541之間形成聲學(xué)腔545。這樣形成的背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié) 構(gòu)有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和Q值。 所述光纖傳感頭550包括斐索干涉腔支架551、梯度透鏡552，以及尾纖554。所述 斐索干涉腔支架551固定在所述印制電路背極板520未制作限位凸觸的一面，構(gòu)成一個(gè)圓 柱形的斐索干涉腔555。所述的斐索干涉腔支架551—般為非金屬材料制成(如有機(jī)玻璃、 聚氯乙烯材料、陶瓷、玻璃等)，所述梯度透鏡552固定在斐索干涉腔支架551上，其出射端 面553與背極板520上的透光孔523以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域516完全正對(duì)， 且保證與反光膜區(qū)域516平行。出射端面553與反光膜區(qū)域516之間的距離，即斐索干涉 腔555的長(zhǎng)度，可以通過(guò)梯度透鏡552在支架551上的位置來(lái)調(diào)節(jié)。該梯度透鏡552通過(guò) 尾纖554與傳輸光纖400a連接。 所述的梯度透鏡552，也稱為梯度折射率透鏡，或稱自聚焦鏡，它可以將光纖內(nèi)的 傳輸光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光(平行光)，或?qū)⑼饨缙叫?近似平行)光耦合至單模光纖內(nèi)。
所述的出射端面553上有一層增透膜，使來(lái)自光源的信號(hào)及反射光信號(hào)盡量透過(guò) 出射端面。所述出射端面553上也可以不設(shè)置任何光學(xué)薄膜。所述的反光膜區(qū)域516用于 反射來(lái)自所述梯度透鏡552的光信號(hào)，此反射光信號(hào)又通過(guò)所述梯度透鏡552耦合到光纖 400a里，作為來(lái)自一個(gè)信號(hào)臂的傳感信號(hào)。 所述光纖傳感頭560與光纖傳感頭550結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量 塊511設(shè)置。光纖傳感頭560的斐索干涉腔支架561固定在所述背極板530未制作限位凸 觸的一面，構(gòu)成一個(gè)圓柱形的斐索干涉腔565，所述斐索干涉腔565與斐索干涉腔555的長(zhǎng) 度完全相同。所述梯度透鏡562固定在斐索干涉腔支架561上，其出射端面563與背極板 530上的透光孔533以及檢測(cè)質(zhì)量塊511上的反光膜區(qū)域517完全正對(duì)，且保證與反光膜區(qū) 域517平行。該梯度透鏡通過(guò)尾纖564與傳輸光纖400b連接。所述光纖傳感頭560獲得 的反射光信號(hào)通過(guò)梯度透鏡562耦合到傳輸光纖400b中，作為來(lái)自另一個(gè)信號(hào)臂的傳感信 號(hào)。 本實(shí)施例提供的一種基于MEMS技術(shù)的單晶硅帶反饋的差分式光纖加速度傳感 器，采用MEMS工藝制作加速度傳感器檢測(cè)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)和制作工藝簡(jiǎn)單，參數(shù)容易精確 控制、可以進(jìn)一步優(yōu)化和提高性能的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例6: 本實(shí)施例給出了一種本發(fā)明的基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)的又 一個(gè)實(shí)施例的全MEMS工藝制造的所述光纖加速度傳感器探頭500的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例提供的帶聲學(xué)腔的基于MEMS工藝的加速度傳感器，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例5提 供的加速度傳感器結(jié)構(gòu)類似。其中，單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)完全相同。只是背極板材料從 印制電路板變?yōu)椴ＡО?如Pyrex玻璃)。所述玻璃板厚度為300 1000微米，通過(guò)超聲 打孔工藝在玻璃板上形成阻尼通孔及透光孔，通過(guò)電鍍工藝在玻璃板上形成過(guò)孔電極，通 過(guò)蒸鍍或?yàn)R射工藝在玻璃板上形成引線、焊盤(pán)及驅(qū)動(dòng)電極。通過(guò)lift-off工藝在玻璃板上 形成限位凸觸。
背極板制備完成后，可將所述光纖傳感頭550 、 560通過(guò)MEMS鍵合工藝固定在所述 玻璃背極板520、530上，再進(jìn)一步通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將背極板520、530與加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu) 510鍵合起來(lái)。 所述打孔、形成過(guò)孔電極、形成限位凸觸及鍵合工藝不限于本實(shí)施例提到的工藝， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可以通過(guò)其他工藝實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)構(gòu)。 采用本實(shí)施例提供的加速度傳感器探頭結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，完全采用MEMS加 工工藝制作，可以進(jìn)一步提高靈敏度，減小傳感器體積，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)電路的集成，并可以實(shí) 現(xiàn)小型化。
權(quán)利要求
一種光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)、至少一片背極板、加速度傳感器框架以及至少一個(gè)光纖傳感頭，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)位于加速度傳感器探頭的中心位置，其構(gòu)成包括檢測(cè)質(zhì)量塊、位于檢測(cè)質(zhì)量塊周圍的彈性部件和支撐部件，所述檢測(cè)質(zhì)量塊位于整個(gè)加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)的中心位置，所述彈性部件兩端分別與所述檢測(cè)質(zhì)量塊及所述支撐部件連接，所述彈性部件為彈簧、連續(xù)的膜、帶孔的膜或多個(gè)彈性梁，且圍繞所述檢測(cè)質(zhì)量塊呈中心對(duì)稱分布，所述支撐部件用于支撐所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并將其固定于所述加速度傳感器框架上；所述檢測(cè)質(zhì)量塊與所述背極板上下平行，其間形成空氣隙，并且在與所述背極板相對(duì)一側(cè)的檢測(cè)質(zhì)量塊的表面上制作有反光膜區(qū)域，該反光膜區(qū)域位于檢測(cè)質(zhì)量塊的中心位置或者覆蓋整個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊的表面；所述背極板為邊界固定在所述加速度傳感器框架上的剛性較大的板，所述背極板上制作有特定大小和分布的阻尼孔以調(diào)節(jié)阻尼，所述背極板其中一面上制作有限位凸觸以防止過(guò)載和粘附，另外，所述背極板的中心還制作有透光孔以透過(guò)入射及反射的激光；所述背極板與加速度傳感器框架之間形成聲學(xué)腔，該聲學(xué)腔為一個(gè)空腔或者二個(gè)連通或不連通的空腔，用于形成流動(dòng)氣體回路，改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)；所述檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域與背極板上的透光孔正對(duì)，且反光膜區(qū)域的尺寸大于透光孔尺寸；所述光纖傳感頭包括梯度透鏡和尾纖，所述尾纖安裝在梯度透鏡的尾部，所述梯度透鏡安裝在所述加速度傳感器框架上，或者安裝在另外增加的斐索干涉腔支架上，安裝時(shí)使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)，且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行，通過(guò)該反光膜區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)所述梯度透鏡入射的激光反射回去，從而對(duì)入射光的相位進(jìn)行調(diào)制，所述梯度透鏡出射面和所述反光膜區(qū)域之間構(gòu)成一個(gè)柱形斐索干涉腔。
2. 如權(quán)利要求1所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，所述背極板具有兩片，且兩片背極板相對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊上下對(duì)稱設(shè)置，兩片背極板的結(jié)構(gòu)相同，其上制作有阻尼孔、限位凸觸以及透光孔，兩片背極板分別與所述加速度傳感器框架之間形成上下兩個(gè)聲學(xué)腔，與所述檢測(cè)質(zhì)量塊之間形成上下兩個(gè)空氣隙，由此形成背極板_阻尼孔_聲學(xué)腔結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻尼和Q值；所述檢測(cè)質(zhì)量塊的上下表面上均設(shè)有反光膜區(qū)域，并相對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量塊呈鏡像對(duì)稱分布；所述光纖傳感頭具有兩個(gè)，且結(jié)構(gòu)完全相同，并相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊設(shè)置在所述加速度傳感器框架上，或者設(shè)置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)，且保證平行，上下兩個(gè)光纖傳感頭的梯度透鏡出射面與相應(yīng)反光膜區(qū)域之間形成的上下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度完全相同。
3. 如權(quán)利要求1所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)還包括驅(qū)動(dòng)電極，設(shè)置在所述檢測(cè)質(zhì)量塊的一個(gè)或者上下兩個(gè)表面的反光膜區(qū)域外圍，若在檢測(cè)質(zhì)量塊的上下表面均有設(shè)置時(shí)，則兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極相對(duì)于所述檢測(cè)質(zhì)量塊呈鏡像對(duì)稱分布，所述背極板具有兩片，在所述背極板的與檢測(cè)質(zhì)量塊相對(duì)的表面上也制作有驅(qū)動(dòng)電極，與所述檢測(cè)質(zhì)量塊上的驅(qū)動(dòng)電極盡量正對(duì)以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，為檢測(cè)質(zhì)量塊提供靜電力，用于調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的位置、引入力學(xué)反饋以及當(dāng)過(guò)載粘附時(shí)提供一個(gè)反方向的電力實(shí)現(xiàn)過(guò)載恢復(fù)，所述光纖傳感頭具有一個(gè)或者兩個(gè)，設(shè)置在所述加速度傳感器框架上，或者設(shè)置在另外增加的斐索干涉腔支架上，并使所述梯度透鏡的出射端面與背極板上的透光孔以及檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域正對(duì)，且保證出射端面與反光膜區(qū)域平行；當(dāng)設(shè)置有兩個(gè)光纖傳感頭時(shí)，相對(duì)稱地關(guān)于檢測(cè)質(zhì)量塊進(jìn)行設(shè)置，且上下兩個(gè)光纖傳感頭的梯度透鏡出射面與所述反光膜區(qū)域之間形成的上下兩個(gè)斐索干涉腔的長(zhǎng)度完全相同。
4. 如權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，設(shè)置在檢測(cè)質(zhì)量塊上的反光膜區(qū)域?yàn)閳A形、方形或其他任意形狀，其材料采用包括鋁膜和金膜在內(nèi)的任意反光薄膜。
5. 如權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，當(dāng)設(shè)置有兩個(gè)所述光纖傳感頭時(shí)，在所述梯度透鏡的出射端面上設(shè)有一層增透膜，使來(lái)自光源的信號(hào)及反射光信號(hào)盡量透過(guò)出射端面；當(dāng)設(shè)置有一個(gè)所述光纖傳感頭時(shí)，在所述梯度透鏡的出射端面上鍍有一層反射膜，將入射光的一部分反射回所述尾纖中。
6. 如權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，所述加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用一單晶取向硅片，經(jīng)過(guò)包括高溫氧化、光刻圖形化、去熱氧以及體刻蝕的MEMS工藝步驟制得，該單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括單晶硅支撐結(jié)構(gòu)、單晶硅彈性振動(dòng)膜以及單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊三個(gè)部分，其中，單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊與所述單晶硅彈性振動(dòng)膜具有相同的幾何中心，二者由所述單晶取向硅片經(jīng)過(guò)體刻蝕加工而成，所述單晶硅彈性振動(dòng)膜的內(nèi)邊界與所述單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的外邊界相連，單晶硅彈性振動(dòng)膜的外邊界與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊界相連，所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)用于支撐加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)并與背極板貼合；所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)、單晶硅彈性振動(dòng)膜和單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的仰視圖為包括圓形、矩形、正方形、正六邊形的任意形狀；該單晶硅加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)以厚度方向的中心平面鏡像對(duì)稱，其中，所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)的厚度等于所述單晶取向硅片的厚度，所述單晶硅加速度檢測(cè)質(zhì)量塊的厚度較所述單晶取向硅片的厚度薄，其上下表面與所述單晶硅支撐結(jié)構(gòu)的上下表面的垂直距離各約為2 100微米，所述單晶硅彈性振動(dòng)膜的厚度為5 500微米。
7. 如權(quán)利要求1 3中任意一項(xiàng)所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，所述背極板的材料為印制電路板、硅片或者玻璃板。
8. 如權(quán)利要求7所述的光纖加速度傳感器探頭，其特征在于，所述玻璃板為Pyrex玻璃，厚度為300 1000微米，通過(guò)超聲打孔工藝在玻璃板上形成阻尼通孔及透光孔，通過(guò)電鍍工藝在玻璃板上形成過(guò)孔電極，通過(guò)蒸鍍或?yàn)R射工藝在玻璃板上形成引線、焊盤(pán)及驅(qū)動(dòng)電極，通過(guò)lift-off工藝在玻璃板上形成限位凸觸，背極板制備完成后，可將所述光纖傳感頭通過(guò)MEMS鍵合工藝固定在所述玻璃背極板上，再進(jìn)一步通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝將背極板與加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)鍵合起來(lái)。
9. 一種光纖加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，是基于相位載波調(diào)制的光纖加速度傳感器系統(tǒng)，包括激光光源、光纖、光纖耦合器、加速度傳感器探頭、光電探測(cè)器以及相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)，其中，所述激光光源是一種相位載波調(diào)制的激光光源，包括至少一個(gè)半導(dǎo)體激光器和一個(gè)產(chǎn)生調(diào)制電流的振蕩器，在額定的發(fā)光功率范圍內(nèi)，所述半導(dǎo)體激光器輸出的激光光頻隨調(diào)制電流線性變化；所述光纖用于光信號(hào)的低損耗傳輸，包括輸入光纖、傳輸光纖以及輸出光纖，均為單模光纖，是保偏單模光纖或者是非保偏的單模光纖；所述光纖耦合器，通過(guò)所述輸入光纖與所述相位載波調(diào)制的激光光源連接，通過(guò)所述傳輸光纖與所述加速度傳感器探頭連接，并通過(guò)所述輸出光纖與所述光電探測(cè)器連接，將來(lái)自所述激光光源的光信號(hào)耦合到所述傳輸光纖中，并將來(lái)自所述光纖加速度傳感器探頭的反射光信號(hào)耦合到所述輸出光纖中；所述加速度傳感器探頭，具有所述權(quán)利要求1 8中任意一項(xiàng)所述的加速度傳感器探頭結(jié)構(gòu)，并通過(guò)連接在所述梯度透鏡尾部的尾纖與所述傳輸光纖連接；所述光電探測(cè)器，是由PIN光電二極管組成的光電轉(zhuǎn)換電路，將接收到的來(lái)自所述光纖耦合器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)度成正比的電信號(hào)，并將該電信號(hào)傳送給所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)，其與所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)電線或電纜連接；所述相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)，是一種將載波調(diào)制信號(hào)中的相應(yīng)加速度信號(hào)解調(diào)出來(lái)的電子信號(hào)處理系統(tǒng)，將來(lái)自所述光電探測(cè)器的電信號(hào)中對(duì)應(yīng)于加速度值的電信號(hào)解調(diào)出來(lái)，其解調(diào)方式包括模擬電子電路解調(diào)方案和數(shù)字信號(hào)處理DSP解調(diào)方案。
10. 如權(quán)利要求9所述的光纖加速度傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖耦合器是將注入光束分成光強(qiáng)相等的兩束光的耦合器，當(dāng)所述加速度傳感器探頭中使用一個(gè)光纖傳感頭時(shí)，所述光纖耦合器分出的兩束光只有一束進(jìn)入傳感器探頭，另一束放棄不用；當(dāng)所述加速度傳感器探頭中使用兩個(gè)光纖傳感頭時(shí)，所述光纖耦合器分出的兩束光分別進(jìn)入兩個(gè)光纖傳感頭，兩束光實(shí)現(xiàn)差動(dòng)式的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光纖加速度傳感器探頭以及基于相位載波調(diào)制技術(shù)的光纖加速度傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光光源、光纖、光纖耦合器、光纖加速度傳感器探頭、光電探測(cè)器、相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)。激光光源是一種相位載波調(diào)制的激光光源；光纖耦合器通過(guò)光纖分別與激光光源、加速度傳感器探頭及光電探測(cè)器連接；光電探測(cè)器與相位載波調(diào)制信號(hào)電子解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)電線或電纜連接；光纖加速度傳感器探頭包括加速度檢測(cè)結(jié)構(gòu)、至少一片背極板、加速度傳感器框架以及至少一個(gè)光纖傳感頭。本發(fā)明的系統(tǒng)采用雙背極板結(jié)構(gòu)和光纖讀出檢測(cè)方式，使系統(tǒng)在抗沖擊和過(guò)載性能、抗電磁干擾、靈敏度等方面，都有所改善和提高。
文檔編號(hào)B81B7/02GK101788569SQ20091024449
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者喬?hào)|海, 何慶, 索智群, 鄧英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所