MEMS交叉梳齿光栅设计和优化

采用MEMS技术设计和制造了一种由梳齿驱动器驱动的新型交叉梳齿光栅,同时优化了该光栅的驱动器结构,着重分析了优化驱动器结构对光栅机械特性和光学传感特性的影响,优化后的光栅相对于未优化时具有更大的位移、更好的光学传感特性。基于PolyMUMPs工艺制作了梳齿驱动器驱动交叉梳齿光栅,并逐步分析了该光栅的加工步骤。结合有限元分析软件,对该MEMS光栅的机械特性进行了分析。分析结果表明,在85V下,该光栅驱动器的位移为2.7μm,而实际测量的位移为2.1μm。通过对该光栅驱动器结构进行优化,得到在同等电压下优化后的光栅驱动器位移较未优化时有显著提高,在85V时,优化后的MEMS光栅驱动器的位移为4.3μm。根据傅里叶光学理论计算得到,该光栅的传感灵敏度与驱动器位移成正比,经过计算得到优化后MEMS光栅的光学传感曲线更加陡峭,具有更好的传感特性。     

基于亚波长光栅结构的折射率传感研究进展

新一代片上传感系统提出了微型化、集成化、低成本等发展需求,硅基集成波导器件适应其发展趋势,其中亚波长光栅结构因独特的模场分布特性在折射率传感领域备受青睐。文章首先对亚波长光栅波导的工作原理进行了介绍,阐述其在折射率传感领域的优势,然后按器件结构分类梳理了亚波长光栅结构折射率传感的最新研究进展,并分析和总结了不同器件结构的优缺点,最后展望了基于亚波长光栅结构的折射率传感未来的发展方向。     

一种新的灵敏度可调谐FBG解凋技术

实验研究了一种基于机械微应变引入长周期光纤光栅(LPFG)的灵敏度可调谐的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感系统.利用机械线加工技术设计了周期性压力槽,通过螺旋微位移结构定量推进弹簧进而对光纤施加径向压力,写制出谐振峰值可调谐的LPFG.紫外激光写入技术制作的FBG的波长位于LPFG的谐振边带范围内时,利用该LPFG作为透射滤波器实现了一种新的灵敏度可调谐FBG应变传感系统.实验分析了施加在LPFG上的压力由20 N调节至60 N时对FBG施加O～3000με的灵敏度可调谐传感实验结果,FBG传感系统光功率变化率由0.802 nW/με增加到1.204 nW/με.     

含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感机理

基于波导耦合光栅的共振原理和多孔硅的光学传感特性,提出一种含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感模型。根据古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论和波导耦合光栅共振的相位匹配条件,建立共振波长与待测样本折射率之间的关系模型,并分析了折射率传感结构的折射率传感特性。利用多孔硅高效的承载机制,将其作为待测样本承载单元,选用不同浓度的乙二醇溶液作为待测样本,对该折射率传感结构的灵敏度和品质因数Q进行分析。结果表明,该折射率传感结构对乙二醇溶液的灵敏度为2.2nm/1%,Q值为226,证明了该传感结构的有效性,它可实现对低浓度待测样本的检测。     

从亚波长光栅到超构光栅:原理、设计及应用

随着纳米光子学的发展,光学结构如光学微腔、波导结构、光子晶体、亚波长光栅、超构表面等能够在微纳尺度实现对光的传输与调控,推动了光学集成化的发展。亚波长光栅由于其结构简单、成本低廉等特点得到了科学家们广泛的研究,应用在各种光学器件,逐渐形成了光栅分析模型的成熟理论体系。结合周期性结构耦合行为及超构表面中超构原子的散射调制特性,从亚波长光栅衍生出的超构光栅能够利用周期性布拉格散射提高调控光束的效率,从而避免了超构表面相位离散化带来的效率降低和能量损失。科学家们研究并设计了超构光栅,更多的物理现象及应用被探究和挖掘。文中对亚波长光栅以及超构光栅的基本理论、设计和应用进行了概述。从基本原理出发,论述了亚波长光栅和超构光栅的特性,综述了二者的理论设计及单元设计方法,并介绍了在生物传感、滤光片光谱调控和吸收薄膜等方面的应用。最后,展望了未来的发展方向。     

基于波长调制技术的内腔式气体传感研究

气体传感理论和实验研究已成为当今光纤传感领域的热点之一。波长调制法和有源内腔法是提高气体传感灵敏度的两种有效方式。结合上述两种气体传感方法,构建一个基于波长调制技术的内腔式气体传感系统。讨论气体吸收光谱二次谐波分量与气体浓度之间的函数关系,从理论和实验两方面确定系统的最佳参数。利用提取多条吸收谱线的二次谐波分量,采用平均算法进一步提高系统灵敏度,进行乙炔气体传感的灵敏度可达7.5×10-5。以光纤光栅作为波长参考,建立系统的波长-电压响应曲线,进而检测气体的吸收波长值。进行乙炔气体传感时吸收波长检测的绝对误差不超过0.445 nm。     

变栅距光栅位移传感结构研究与误差分析

针对传统位移传感器测量精度低、量程小和稳定性不足的问题,文章提出并实现了一种基于变栅距光栅的位移传感器,进行位移特性测试并重点分析了测量过程中的误差问题。实验中将变栅距光栅置于电动位移平台上,通过调节平台位移控制光斑入射位置,建立光栅位移与反射光谱一级衍射中心波长之间的相关关系,实现波长对位移的编码。平台移动范围为0~20 mm,步长为2 mm,往返重复测量6次,记录各位移点处的中心波长,标定传感器的位移特性。针对各位移点重复测量产生的中心波长数据进行误差分析,采用贝塞尔公式结合别捷尔斯法分析各点多次测量数据的标准差,并结合莱以特(3σ)准则进一步判定数据的可靠性。实验结果表明,该传感系统无系统误差和粗大误差;波长与位移呈线性变化,多次重复线性度优于0.9946,传感器全量程平均位移灵敏度为16.67 nm/mm,为基于变栅距光栅位移传感系统的研究提供了一定的参考。     

基于FBG的悬臂梁式微力与微位移传感单元北大核心CSCD

设计了一种基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)的微力与微位移双物理量传感单元,采用矩形悬臂梁型弹性体结构以及两片FBG布片方式,提高了力和位移灵敏度,实现了温度补偿,位移灵敏度可通过改变悬臂梁的固定位置和长度进行调整。对传感单元的性能进行了理论分析和实验验证,结果表明:在0~1.2 N测量范围内,力实验灵敏度为889 pm/N,理论和实验的平均相对误差为6.6%,力分辨力为1.1 mN,位移灵敏度随着悬臂梁长度L的增大而减小,位移灵敏度在L为149 mm时为60.7 pm/mm,在L为99 mm时为200.3 pm/mm,位移分辨力为5μm,传感单元的线性度均达0.999以上,保持了优良的线性,可满足不同量程的微力和微位移应用场合。     

窄带激光器调谐的光纤光栅波长移位解调

提出了一种窄带激光器程控调谐扫描的波长检测方案,运用LabVIEW虚拟仪器工作平台实现了窄带激光器的程控调谐扫描及波长检测信号处理.在温度传感应用的实验表明,该系统的温度-波长检测灵敏度为0.01nm/℃,测得光栅温度灵敏度系数为6.3×10-6/℃,系统的温度检测分辨率高于0.2℃,对应的波长分辨率优于2pm.     

飞秒写光纤光栅激光器有源高温传感技术

针对光纤光栅型光纤激光器有源温度传感技术只能进行较低温度以及较小范围温度测量的问题,提出一种飞秒写光纤光栅型光纤激光器高温传感测量系统.将飞秒写光纤光栅嵌入到光纤环形腔结构中,同时作为温度敏感元件和激光波长反馈器件,设计搭建了飞秒写光纤光栅型激光器光路.此光路系统输出光信号带宽为3.45 GHz峰值强度为31.94 dBm,2h内连续光谱检测最大波长漂移为3.25 pm,可视为无跳模现象,实现了高达60 dB的高信噪比、窄线宽、高功率信号输出,同时输出光信号可线性表征光纤光栅温度感应.实验结果表明此传感系统实现了50℃到1000℃大范围温度的线性传感检测,线性度可达0.9975,波长·温度灵敏度为13.8 pm/℃.     

杠杆耦合式微机械陀螺仪特性分析

基于机械杠杆的位移放大效应,提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构,所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中,通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上,以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程,分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响,探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性,结果表明,在陀螺谐振情况下,可有效增大检测框位移60%以上,提升了检测位移,进而提升检测灵敏度。     

光拍窄带检测小位移

本文给出两种检测小振动位移的方法,其中光拍振幅窄带检测小位移灵敏度达5.2×10~(-4)nm(振动频率2kHz),且从噪声谱测试角度比较了振幅检测法与相位检测法。     

基于有限元法的激光声磁检测系统优化研究

针对激光超声和电磁超声两种非接触式检测方式在实验中操作复杂和灵敏度低,以及难以观察不同参数对相关物理场造成的影响等问题,文中将有限元法应用到激光声磁混合式检测当中,采用数值分析方法分析了脉冲激光与电磁超声换能器之间的匹配关系对检测灵敏度的影响,研究了激光声磁检测系统的优化设计依据。利用有限元软件建立了激光声磁检测系统的仿真模型,通过正交数值仿真分析了高斯激光脉冲激励超声的温度场和位移场特性,进而观测了电磁超声换能器参数变化对检测灵敏度的影响。结果表明:螺旋型线圈接收的电压信号能正确反应由入射激光在固体中发生热膨胀效应产生的超声位移场,当磁体的高宽比为 1.5 倍时,驱肤层处磁场强度分布最优,提离距离对换能效率的影响呈现负指数变化规律,评价了不同接收间距处电磁超声换能器的接收性能。     

Two-Wavelength Grating Interferometry for MEMS Sensors

Diffraction gratings integrated with micro-electro-mechanical-systems (MEMS) offer shot noise limited sub-nanometer displacement detection sensitivities but are limited in detection range for mechanical transducers. A two-wavelength readout method is developed that maintains high sensitivity while increasing the detection range, which is demonstrated using a MEMS spectrometer with integrated diffraction grating. The two-laser illumination extended the detection range from 105 nm to 1.7mum assuming the readout sensitivity is maintained at >50% of the maximum sensitivity.     

用双折射激光频率分裂原理实现的静态与动态测量方法

讨论了用双折射激光频率分裂技术原理实现的静态与动态测量方法;介绍了实验系统和实验结果.该方法具有诸多优越性,例如灵敏度高、频响范围宽、有较强的抗干扰能力和较好的线性等,尤其适用于动态测量.     

红外传感器在飞轮强度实验中的应用

介绍了红外传感器在飞轮强度实验中动态测量飞轮主体部分轴向微小变形的应用。在电涡流传感器无法适应的强电磁干扰的环境里，使用红外传感器代替，利用红外传感器对物体表面黑度的敏感特性测量微小变形，取得了很好的效果，为进一步研究飞轮的强度和破坏机理提供了重要的实验参考。     

提高电感传感器测量灵敏度的方法

电感位移传感器被广泛应用于微小位移量检测中,但在一些工程中现有传感器的测量精度和灵敏度达不到测量要求。针对这一问题,对传感器前段信号处理电路进行改进,在传感器上下线圈并联电容形成LC电路,利用LC电路谐振效应改善电路的性能,以提高信号源头的灵敏度;采用Multisim软件对半桥和全桥电路在并联不同大小的电容后的性能进行仿真,并用Matlab对生成的曲线进行最小二乘拟合,比较得出使电路性能最优的电容值和并联方法。结果表明在损失微小线性度的情况下可将灵敏度提高一倍。     

Multi-Laser Beams Measuring System for High Precision Detection on Displacement of Wind Fields

A novel multi-laser beams measuring system (MLBM) for high precision detection on displacement of flow fields based on laser backscatter was designed and studied.MLBM has many advantages,such as simple structure,high stability,and no limitation of the monochromaticity of laser.By circumventing the strong influence of atmospheric backscattering on the high sensitivity of target echo detection,high precision detection on backscatter density of laser by signal processing was achieved.Furthermore,the signal densities of various distances were extracted by time sampling and precise frequency control of digital circuit.Finally,the MLBM system including devices integrated of emitting and reviving equipments and program was obtained.Detection experiments showed that our system has high precision and the measurement error could be controlled within 5% to 10%.     

滑动轴承油膜厚度光纤精密检测系统分析与设计

针对油膜厚度的静、动态测量,设计了一种基于反射式强度调制型同轴结构光纤位移传感器(RLIM-FODS)的精密位移检测系统.根据激光光束光场近似高斯分布的特性建立数学模型,利用Matlab对特性函数进行仿真分析,光电转换对部分背景光进行了有效补偿,对滤波电路进行了失调电压调节和截止频率仿真修正,并通过实验进行了验证.仿真和实验结果表明:建立的模型可以有效减小电源波动、微弯损耗等带来的影响,信号检测电路能够精确地将小信号进行放大,并且输出信号稳定,噪声低,失调小,线性区间在1 200～2 700 μm的范围内,灵敏度可以达到6 mV/μm,满足精密检测要求.     

Laser interferometer using a dual interference method

A stabilised Michelson interferometer system using a new interference mode has been developed, in which a specially designed beam-splitter produces two complementary interference patterns. With differential detection, the laser intensity noise is efficiently eliminated, and the system is simpler and stabler. The measured displacement sensitivity is 10?2 A?/ ?(HZ).