[发明专利]一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种检测加速度的高灵敏光纤微悬臂梁传感器及加工方法，用于工业生产，军事及公共安全等领域对加速度信号的实时监测需求。

背景技术

加速度传感器是利用物体的惯性性质测量物体运动情况的一类常用的一种传感器，广泛应用于地震，桥梁健康状况，工业机械设备安全监测等领域。输出与运载体的运动加速度成比例或有一定关系的信号。其传感原理基于牛顿力学第二定理：物体在外力的作用下将产生加速度，其大小与所加外力成正比，与物体质量成反比，与物体质量成反比，方向与作用力的方向一致。加速度传感器的种类繁多,从测试原理上可分为压电式、电容式、电感式、压阻式、隧道电流式、谐振式等等。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的，目前应用比较成熟的有电容式和压阻式加速度计。光纤加速计则采用光纤传感技术测量质量块的惯性力或位移。与前者相比，不但具有抗电磁干扰的独特优点，而且体小质轻，动态范围宽，精度高，能在恶劣环境下工作。光纤加速度计有很多种，如强度调制型、相位调制型、波长调制型。其中强度调制型和相位调制型的研究最多，应用也最广泛。强度调制型中的悬臂梁式加速度计由于集成度高，响应速度快适合恶劣环境的应用等特点，受到越来越多的关注。然而对于高灵敏度，大动态范围的加速度信号探测，普通光纤加速度计也显得无能为力。在有限空间范围内、恶劣环境下的高速加速度检测成为加速度传感器发展的一个方向。

悬臂梁是一端固定，另一端自由的梁式弹性元件，其特点是结构简单，易于粘贴应变片，因此广泛用于力学量测量的传统传感器中。将光纤光栅与悬臂梁结构相结合可以实现悬臂梁对光栅的调谐作用使得很多学者对光纤光栅的悬臂梁传感器感兴趣。但由于是波长测量，传感器成本较高。基于光纤微弯损耗的传感器是1980年J.N.Fields和J.H.Cole首次提出的，此后微弯光纤传感器获得了较快的发展。微弯光纤传感器已经用于检测压力、位移、液位、温度和应变等。光纤微弯传感器具有灵敏度髙和因强度测量而测量成本低等特点。

微悬臂梁的设计与制造：设计悬臂梁时，需要重点考虑的参数是灵敏度、噪声、弹性系数、响应频率等。一个高性能的悬臂梁通常需要具有尚灵敏度、低噪声、高响应频率和低弹性系数。这些参数取决于悬臂梁的几何形状、材料的机械性质以及制作悬臂梁的工艺条件等。这些要求并不能全部满足，比如降低弹性系数同时会降低响应频率,在设计时要根掘使用场合综考虑。

现有技术中，悬臂梁的制造通过硅微加工工艺来实现，常用的加工工艺有光刻、刻蚀、薄膜工艺等，现有的一个工艺流程如下：1、生长SNx薄膜，厚度约1.5μm；2、背面光刻、刻蚀出窗口；3、正面光刻、刻蚀悬臂梁图形；4、表面蒸发淀积金薄膜并剥离；5、使用KOH腐蚀硅衬底，释放梁。

微悬臂梁传感技术的一个关键和难点是生化敏感材料与梁的固定。这种固定既要考虑检测的可靠性与灵敏度，不能使生物分子失活；还要考虑解吸附与梁的重复利用问题。固定方法有吸附法、包埋法、交联法、共价键结合法，这些方法各有优缺点，如常用的吸附法操作简单，但结合力弱；共价键结合法连接牢固，可重复使用，是目前研究中最活跃的一类方法，但是该方法比其他方法反应剧烈，生物分子活性损失更加严重。

现有专利美国专利US10140491公开了一种《MIP微悬臂梁传感器及其使用方法》采用分子印迹聚合微悬臂梁传感器(MIP)技术，及其使用方法。MIP的微悬臂梁传感器置入导管，在工艺水或环境流量，或其他体液。MIP的微悬臂梁传感器提供的流量连续在线监测，其中MIP的制备吸引任何目标分析物的传感器监测。上述技术方案应用在检测有机分子，在信号传输和传感之间缺少技术支持，并且，结构复杂，不易于规模化。

现有专利CN03109491.0《一种微悬臂梁传感器及其制作方法》它包括一芯片，所述芯片上设置有至少一组传感单元，所述传感单元由组成惠斯通电桥的四个完全相同的力敏电阻和两个悬臂梁组成，其中两个所述电阻位于所述芯片的衬底上，另外两个分别位于所述两悬臂梁上，其中一个作为测量悬臂梁，另一个作为参考悬臂梁，每一所述悬臂梁上具有一窗口，使所述悬臂梁呈U形设置在所述芯片上，所述测量悬臂梁表面设置有敏感层。上述技术方案采用多种结构和复合层进行传感器的设计，结构加工制造要求高，在信号传输和传感之间缺少技术支持。

发明内容