Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения Российский патент 2023 года по МПК G01P15/03 

Настоящее изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения ускорений и вибраций.

В литературе обсуждается довольно много различных схем построения волоконно-оптических датчиков (ВОД). Использование света для регистрации сигналов позволяет создавать сенсоры с размерами чувствительных элементов на уровне от единиц до сотен микрон. В отличие от электронных сенсоров оптические сенсоры нечувствительны к электромагнитным помехам, взрыво- и пожаробезопасны. Крайне интересными с точки зрения практических применений являются датчики с размерами, согласованными с оптическим волокном (100-300 мкм), поскольку именно оптическое волокно является основным каналом связи между регистрирующей аппаратурой и непосредственно чувствительным элементом. Микрооптические ВОД незаменимы в ситуациях, когда необходимо осуществлять измерения быстро, локально, в трудодоступных местах, на мелких деталях механизмов.

Важным параметром, контролируемым в различных областях промышленности, является вибрация. В частности, для безопасной эксплуатации оборудования, зданий и сооружений производится контроль уровня вибрации.

Обычно в волоконно-оптических датчиках ускорения используется вывешенная масса, которая смещается при воздействии ускорения в результате действия сил инерции. Для регистрации величины смещения массы создается резонатор Фабри-Перо, одной отражающей границей которого является зеркало на вывешенной массе, а другой - отражающая плоскость, зафиксированная относительно корпуса датчика. Смещение массы приводит к изменению длины резонатора, что регистрируется различными оптическими методами с помощью спектрометров, лазеров, тандемной низкокогерентной интерферометрии и т.д.

Чувствительность и надежность ВОД с подвижным чувствительным элементом определяется тем, как выполнен этот элемент, и как он интегрирован с оптическим волокном. Плохая воспроизводимость параметров изготовления и закрепления мембран является основной проблемой при создании датчиков вибраций с микромеханической мембраной.

Известен оптоволоконный датчик ускорения, описанный в патенте CN 103308717 «Optical fiber Fabry-Perot acceleration sensor and manufacturing method thereof» (публ.04.03.2015 г., МПК В81С 99/00, G01P 15/03), изготавливаемый с использованием фоторезиста SU-8. Резонатор Фабри-Перо формируется между вывешенной мембраной, выполненной из фоторезиста SU-8, и торцом одномодового оптического волокна в заполненном силиконовым маслом герметичном корпусе. Недостатком данной конструкции является то, что датчик непригоден для регистрации высокочастотных сигналов и неустойчив к температурным воздействиям.

По заявке CN 107015024 «High-sensitivity optical fiber micro cantilever sensor for detecting acceleration and machining method» (публ. 04.08.2017 г., МПК G01P 15/03) известен волоконно-оптический датчик ускорения, в котором чувствительная к ускорению микроконсоль формируется в оптическом волокне с использованием лазерной обработки. Причем образуется полость, представляющая собой резонатор Фабри-Перо, который служит для регистрации смещения микроконсоли при воздействии ускорения. Сердцевина оптического волокна снабжена зеркалом для ввода и вывода света из резонатора Фабри-Перо. Недостатком данной конструкции является то, что сильный разброс геометрических параметров датчика при лазерной обработке приводит к плохой воспроизводимости его характеристик. В частности, сложным элементом в изготовлении в данной конструкции является зеркало необходимой ориентации в сердцевине оптического волокна.

Известна конструкция датчика, представленная в заявке CN 101639485 «Optical fiber acceleration transducer)) (публ. 03.02.2010 г., МПК G01P 15/03), в котором резонатор Фабри-Перо формируется между стеклянной пластиной и мембраной, снабженной дополнительной массой. Мембрана изготавливается из кремниевой или германиевой подложки с применением двухстороннего травления. Мембрана, стеклянная пластина и оптическое волокно соединены последовательно. Недостатком данной конструкции является необходимость прецизионной сборки и юстировки деталей друг относительно друга. Другим недостатком заявленной конструкции является непосредственное взаимодействие упругой мембраны с окружающей средой, что может приводить к загрязнению мембраны и ухудшению характеристик датчика. Устройство предполагает использование цельной мембраны, поэтому для повышения чувствительности датчика используется дополнительная масса, что может приводить к уменьшению надежности датчика.

Наиболее близкой к предложенному авторами решению является конструкция датчика, описанная в заявке CN 105353165 «Fiber accelerometer based on MEMS technology)) (публ. 24.02.2016 г., МПК G01P 15/03), выбранная в качестве прототипа. Данный датчик состоит из гибкой кремниевой мембраны с вывешенной массой и кварцевого основания с пазовой структурой. Мембрана и основание формируются травлением кремниевой и стеклянной подложки соответственно. Гибкая мембрана и основание соединены, образуя измеряемый резонатор Фабри-Перо. С обратной стороны основание присоединяется к корпусу в виде кварцевого капилляра, в котором фиксируется оптические волокно для ввода и вывода света из резонатора Фабри-Перо. Чувствительность такого датчика при вибрационных испытаниях достигает 36 нм/g, а частотный диапазон 20 Гц-2,5 кГц. Точность формирования резонатора длиной 105 мкм составляет ±5 мкм. К недостаткам данной конструкции следует отнести высокое требование на плоскостность кремниевой подложки, из которой изготавливаются мембраны, поскольку разнотолщинность подложки будет приводить к неоднородности толщины после травления как у отдельно взятой мембраны, так и у мембран между собой. Кроме того, к недостаткам следует отнести сложность контроля итоговой толщины мембраны и увеличение шероховатости при травлении. Также данная конструкция при сборке требует сложной точной юстировки мембраны, основания и корпуса друг относительно друга. Другим недостатком является то, что предъявляются высокие требования на качество полировки оптического волокна и основания, чтобы обеспечить хороший оптический контакт между ними. Кроме того, мембрана данного датчика взаимодействует с окружающей средой, что может приводить к ее загрязнению и потере чувствительности.

Настоящее изобретение направлено на создание волоконно-оптического датчика ускорения с высокой повторяемостью характеристик, таких как чувствительность к ускорению, рабочий диапазон, амплитудно-частотная характеристика, за счет использования в нем легко воспроизводимой в технологическом процессе мембраны заданной геометрии.

Технический результат достигается за счет того, что миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо включает в себя корпус, с закрепленными в нем оптическим волокном и основанием, на котором размещена мембрана с вывешенной массой. Новым является то, что мембрана, изготовленная из металла, представляет собой подвес с вывешенной массой, формирующий зазор порядка 0,5-4 мкм между вывешенной массой и основанием, при этом резонатор образован торцом оптического волокна и мембраной.

В частном случае толщина вывешенной массы больше толщины подвеса на величину до 4 мкм.

В другом частном случае мембрана имеет сквозные отверстия специальной формы, формирующие подвес с заданной жесткостью. В таком случае мембраны имеют различную геометрию подвесов с вывешенной массой.

В третьем частном случае корпус представляет собой капилляр с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптического волокна, при этом основание имеет форму двух соосно расположенных друг под другом цилиндров различных диаметров, больший диаметр основания больше внутреннего диаметра капилляра, а меньший диаметр основания соответствует диаметру оптического волокна, причем мембрана размещена на торце основания меньшего диаметра.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 схематично представлена конструкция предлагаемого миниатюрного волоконно-оптического датчика ускорения в общем случае в соответствии с 1 н.п. формулы: а) недеформированная мембрана в отсутствии ускорения, б) деформированная мембрана при воздействии ускорения на датчик.

На фиг. 2 схематично представлена конструкция предлагаемого миниатюрного волоконно-оптического датчика ускорения в соответствии с з.п. 2 формулы.

На фиг. 3 представлены варианты геометрии мембраны с вывешенной массой, закрепленной на основании.

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика мембраны с тремя подвесами толщиной 1,5 мкм, изготовленной из золота.

На фиг. 5 приведен вариант осуществления предлагаемого изобретения с корпусом из кварцевого капилляра по п. 4 ф-лы.

На фиг. 6 проиллюстрирован один из возможных вариантов исполнения основания с зафиксированной на нем мембраной.

Указанные фигуры поясняют изобретение, но не ограничивают его.

Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом.

Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения состоит из корпуса 1, в котором с одной стороны установлено основание 2 с зафиксированной на нем металлической упругой мембраной 3. Металлическая мембрана 3 представляет собой вывешенную над основанием 2 массу 4 с упругим подвесом 5. С другой стороны корпуса 1 установлено оптическое волокно 6 с торцом 7, перпендикулярным его оси. Измеряемый резонатор 8 Фабри-Перо формируется между двумя отражающими поверхностями: торцом 7 оптического волокна 6 и вывешенной массой 4, длина резонатора 8 составляет L₁.

На фиг. 2 представлен вариант реализации устройства (по п. 2 ф-лы), в котором толщина вывешенной массы 4 больше толщины подвеса 5, что реализуется за счет дополнительного этапа формирования слоя металла только в области вывешенной массы 4. Такая конструкция позволяет увеличить значение воздействующей силы инерции на вывешенную массу 4 при той же жесткости подвеса 5, а, следовательно, увеличить чувствительность датчика к ускорению.

Использование металла или сплава в качестве материала мембраны позволяет обеспечить высокую воспроизводимость характеристик датчика. Ввиду того, что геометрия металлической мембраны 3 задается в процессе изготовления с использованием стандартных для микроэлектроники операций, открываются широкие возможности по созданию мембран 3 различной геометрии с высокой точностью. Варьироваться могут форма, ширина, количество элементов подвеса 5, толщина мембраны 3, размер и форма вывешенной массы 4, в результате чего меняется как жесткость подвеса 5, так и динамические характеристики мембраны 3. Возможные варианты мембран 3 представлены на фиг. 3. Различные геометрии мембран позволяют получить датчики с разными параметрами, в том числе с высокой чувствительностью к ускорению (1-50 нм/g), с широким рабочим диапазоном (0,01-100 g) и с широкой амплитудно-частотной характеристикой (0-400 кГц). На фиг. 4 в качестве примера представлена амплитудно-частотная характеристика золотой мембраны 3 толщиной 1,5 мкм с подвесом 5 из трех элементов и зазором 0,5 мкм между мембраной и основанием. Мембрана 3 имеет гладкую безрезонансную характеристику до 80 кГц.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Зондирующий свет по оптическому волокну 6 подается на резонатор 8 Фабри-Перо, который сформирован торцом 7 оптического волокна 6 и отражающей поверхностью мембраны 3. При воздействии ускорения а на датчик происходит деформация мембраны 3 и смещение вывешенной массы 4 из положения равновесия, что приводит к изменению длины резонатора 8 Фабри-Перо с L₁ на L₂ (фиг. 1).

Заявленное устройство представляет собой датчик ускорения с такими параметрами, как чувствительность, рабочий диапазон, амплитудно-частотная характеристика, которые можно задавать за счет выбора геометрии, толщины и материала мембраны 3. Описанная конструкция позволяет изготавливать мембраны с применением стандартных для микроэлектроники операций, что дает возможность получить мембрану 3 высокого качества и контролировать размеры с точностью 1-2 мкм, а толщину слоя металла при формировании мембраны 3 с точностью 1%. Это позволяет гарантировать воспроизводимость характеристик чувствительных элементов и датчика в целом при промышленном производстве.

Одним из возможных вариантов осуществления предлагаемого изобретения, в котором в качестве корпуса 1 датчика используется кварцевый капилляр (фиг. 5), представлен в следующем примере. Данный пример является частным случаем реализации заявленного изобретения и не ограничивает других возможных вариантов его создания. Основание 2 имеет форму двух соосно расположенных друг под другом цилиндров различных диаметров, изготовленных из кремниевой подложки. Меньший из цилиндров имеет диаметр 125 мкм и устанавливается внутри капилляра. Вторая часть основания 2 имеет диаметр близкий к внешнему диаметру капилляра. На торце основания 2 с меньшим диаметром формируется металлическая мембрана 3 с вывешенной массой 4 на подвесе 5. Основание 2 и оптическое волокно 6 устанавливаются в кварцевый капилляр и фиксируются с помощью клея, сварки в электрической дуге или лазерной сварки. Измеряемый резонатор 8 Фабри-Перо формируется между торцом 7 оптического волокна 6 и вывешенной массой 4 мембраны 3. Расчетная чувствительность такого датчика с золотой мембраной 3 толщиной 1 мкм, трехточечным прямым подвесом 5 составляет 3,5 нм/g при максимальном ускорении 100 g (фиг. 6).

Таким образом, заявленный волоконно-оптический датчик ускорения включает в себя мембрану из металла, которую возможно производить в одном технологическом процессе, многократно повторяя при этом заданные геометрические параметры с высокой точностью. Мембрана представляет собой подвес с вывешенной массой, формирующий зазор порядка 0,5-4 мкм между этой массой и основанием. Различные геометрии мембран позволяют получить датчики с разными параметрами, в том числе с высокой чувствительностью к ускорению (1-50 нм/g), с широким рабочим диапазоном (0,01-100 g) и с широкой амплитудно-частотной характеристикой (0-400 кГц).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим устройствам измерения ускорения и вибраций. Предложенный миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо включает в себя металлическую мембрану, представляющую собой вывешенную над основанием массу на подвесе. Резонатор Фабри-Перо формируется между торцом оптического волокна и вывешенной массой. Технический результат – повышение чувствительности к ускорению. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо, включающий в себя корпус с закрепленными в нем оптическим волокном и основанием, на котором размещена мембрана с вывешенной массой, отличающийся тем, что мембрана изготовлена из металла и представляет собой подвес с вывешенной массой, формирующий зазор порядка 0,5-4 мкм между вывешенной массой и основанием, при этом резонатор образован торцом оптического волокна и мембраной.

2. Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо по п. 1, отличающийся тем, что толщина вывешенной массы больше толщины подвеса на величину до 4 мкм.

3. Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо по п. 1 или 2, отличающийся тем, что мембрана имеет сквозные отверстия, формирующие подвес с заданной жесткостью.

4. Миниатюрный волоконно-оптический датчик ускорения на основе резонатора Фабри-Перо по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что корпус представляет собой капилляр с внутренним диаметром, превышающим диаметр оптического волокна, при этом основание имеет форму двух соосно расположенных друг под другом цилиндров различных диаметров, больший диаметр основания больше внутреннего диаметра капилляра, а меньший диаметр основания соответствует диаметру оптического волокна, причем мембрана размещена на торце основания меньшего диаметра.