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《中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)》 2008年
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基于MEMS的光纤加速度计的研究

曾凡林  
【摘要】: 微电子机械系统MEMS(Micro-electro-mechanical System)与光纤检测技术相结合给传感器的研制带来崭新的发展方向:MEMS光纤传感器。与传统的传感器相比,MEMS光纤传感器具有传感端头电绝缘、无需电源、抗电磁干扰、尺寸小、传输距离长等优点。本文提出一种基于MEMS技术的光纤加速度传感器,采用MEMS工艺制作传感芯片,并和双光纤准直器封装来制作加速度传感器。 文章首先简要回顾MEMS技术及其发展现状和方向,随后介绍光学MEMS技术及其在加速度计方面的应用。然后,分类讨论微机械加速度计,并介绍几种典型的微机械加速度计的结构。在以往科研工作的基础上,提出一种结构简单,制作简便的MEMS光纤加速度传感器。接着阐明MEMS光纤加速度计工作原理,计算该加速度计的灵敏度,并根据灵敏度和加速度计的机械、光学、电学、噪声等性能优化MEMS加速度敏感芯片参数,确定敏感芯片的结构参数。同时,利用有限元工具ANSYS对MEMS加速度敏感芯片进行模态仿真和应力分析。最后,采用光刻、湿法腐蚀、键合和深反应离子刻蚀等工艺制作敏感芯片,并在光学平台上将MEMS加速度敏感芯片和双光纤准直器进行封装、测试。测试结果为分辨力优于100μg,量程±2g,带宽600Hz,达到设计目标。 本文创新性地将光纤检测技术与MEMS技术结合起来研制MEMS光纤加速度计,充分发挥光纤检测和MEMS的优势,使其具有噪声小、尺寸小、传输距离长的优点,而且能在强电、强磁等恶劣环境工作;其次,本文创造性地采用非对称扭转结构的微反射镜制作敏感芯片,实现了对输入光信号的调制,同时可以控制敏感结构的机械阻尼,具有频率响应好、带宽大的优点;同时,将双光纤准直器用于光纤检测技术,利用准直器耦合效率高的特点提高了加速度计的灵敏度和动态范围。本课题完成了MEMS加速度敏感芯片的设计、制作、封装与测试,测试结果达到设计要求。 文章最后对MEMS光纤加速度计的研制工作进行总结,给出下一步工作展望。
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