用于冲击波测量的低成本快速微型光学压力传感器外文翻译资料

 2022-11-03 10:11

用于冲击波测量的低成本快速微型光学压力传感器

Nan Wu,1文慧望,1 Ye Tian,1萧天邹,1 Michael Maffeo,2克里斯托弗

niezrecki,3鞠列晨,3和兴伟1,*

电气和计算机工程,麻州大学洛厄尔系大学路1号,

洛厄尔,马萨诸塞州,01854,

2us陆军纳提克士兵研究、发展与工程中心,内蒂克,马萨诸塞州,美国机械工程,麻州大学的洛厄尔3大学路1号,洛厄尔,马萨诸塞州01854,美国

* xingwei_wang@uml.edu

摘要:本文提出了一种光学压力传感器的基础上的Fabry Perot(FP)干涉仪形成的45°角抛光单模光纤和外部氮化硅膜。桑斯或是由两个V形槽宽度不同的硅芯片上,氮化硅膜片上的宽V形槽表面释放,和一个45°角度抛光的单模光纤。T传感器特别适用于冲击波测量:其结构紧凑,确保高空间分辨率;其薄的膜片为基础的设计和光学解调方案允许快速对爆炸事件中发生的快速变化信号的响应。该传感器显示线性相关系数为0.9999,以及滞后小于0.3%。激波管试验结果表明,该传感器具有小于2的micro;从0~140 kPa上升时间。

  1. copy;2011美国光学学会
  2. OCIS代码:(60.2370)光纤传感器;(120.2230)Fabry Perot;(230.4685)光学微机电装置。
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  16. # 144481 - 15美元获得2011损坏22;修订25月2011;2011可接受13;2011日公布的18

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1.介绍

暴露于冲击波产生的爆炸事件可能会导致创伤性脑损伤(TBI)[1,2]。一个显着的努力已经取得了以前的研究,以更好地了解爆炸的传播和它们对TBI的影响[ 3,4 ]。为了模拟爆炸波的影响后,通过头盔和头骨传播的脑组织的行为,准确的压力分布需要多边环境协定。它在不同的位置。一个理想的压力传感器,在这样的应用中应具有以下特点:1)快速响应时间和大动态范围,快速记录变化的压力;2)一个小的、不显眼的尺寸允许的高空间分辨率测量无扰流或附属结构力学;3)一个强大的包装承受detrim冲击波的实验研究[ 5 ]。传统的压电式压力传感器通常使用,但是这些不能满足所有上述要求。他们通常是按顺序厘米大小,空间和机械突兀,并且可以通过高加速度[ 5 ]的影响。另一方面,光纤压力传感器是一种可能的替代压电用于测量冲击波,由于其超快速动态响应,紧凑的尺寸,简单的结构和抗电磁干扰(EMI)的传感器。

在一般情况下,在文献中报道的光纤压力传感器的基础上的Fabry Perot(FP)干涉仪的原则[ 6 - 9 ]。由光纤和灵活的膈形成FP腔粘结结构上的粘结。这样的结构有可能成为一个理想的传感器结构来测量压力变化。紧凑的尺寸的传感器大大提高了空间分辨率等。通过改变膜片的材质和厚度,可以调节膜片的谐振频率。隔膜和纤维的低质量降低了传感器的质量负荷d不影响传感器连接的子结构的惯性响应。

麦克弗森等人。制造他们的光纤传感器和测试它在爆炸事件[ 10 ]。FP腔形成的光纤的前端和一个铜膜片接合在套圈的端部。该传感器显示的正弦响应的压力变化和线性区域是从160千帕到220千帕。他们在爆炸事件中测试了传感器,并与其他传感器进行了比较美国爆炸事件在测试过程中,传感器表现出了3micro;与动态100 kPa范围内上升时间。在公布的2006来自同一组[ 5 ]的另一篇论文,1micro;m厚的二氧化硅DIAPhragm用于债券预蚀刻硅支撑结构形成FP腔。该传感器的上升时间小于4micro;的压力达8 kPa下。在由帕克斯等人的工作。出版社我在2007 [ 11 ],制造的压力传感器和传感元件进行比较结果分别由不同的材料制成的隔板。他们用二氧化硅和硅氮作为隔膜材料的IDE。根据他们的研究,通过两者的隔膜使传感器可以达到小于3的micro;S从0.1 MPa提高到1 MPa范围内的上升时间。chavko等人。利用光纤压力传感器通过飞索技术测定大鼠脑冲击波(魁北克,加拿大)[ 12 ]。结果表明,该传感器具有至少0.4毫秒的上升时间从0千帕到50千帕。

为了更好地了解冲击波如何对TBI的影响,分布式传感是必要的。压力需要同时记录在不同的地点。机械与电气每个传感器之间的电耦合应尽量减少。同时,压力传感器具有响应速度快,动态范围宽,体积小。提到的传感器的性能上述可能因制造方法的不稳定性而彼此变化。在本文中,我们报告一个新的光纤传感器基于FP腔原理利用角度抛光纤维·由于独特的微机电系统(MEMS)制造技术,制备的V形槽和隔膜,所有的传感器创建一批共享相同的性能性能。该传感器进行了测试,在实验室中进行的静态实验和冲击

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(c)2011 OSA 23五月2011/第19号第11号/光学快报10798

2.管实验。结果表明,新的传感器表现出快速上升时间紧凑的大小,是适合用于评估冲击波。

2。传感器原理与设计

传感器的详细设计已在REF [ 8 ]中描述。该传感器由两个V形槽宽度不同的硅芯片上,氮化硅膜的表面上的释放更宽的V型槽和一个45°角度抛光的单模光纤,图1所示。

45ordm; angle polished single mode fiber

(b)

Silicon back

Small V-groove

etching

FP cavity

Large V-groove

Silicon nitride

(a)

(c)

diaphragm

图1。传感器设计示意图。(一)传感器包括两个不同的V型槽,氮化硅膜片和角磨光纤;(b)孔的Fab水平剖视图好的背面蚀刻掉硅衬底;(c)FP干涉仪是由角度的侧壁光滑的纤维和氮化硅膜片的背面蚀刻的释放。

硅衬底上制备的V形槽。通过各向异性湿法刻蚀制备了两个V形槽宽度不同。在两个V形槽宽度差确定FP腔长度。在大V型槽表面,氮化硅膜被腐蚀掉的硅衬底的背面。入射光由角抛光光纤引导并反映了空气纤维界面和空气膜界面。因此,形成干涉图案。优良的纤维和由v-groov提供隔膜之间的对齐ES承诺,光可以兴奋的隔膜精确。在纤维被放在V型槽和适当地排列,纤维与环氧树脂固定在V型槽。洞基板的背面也被密封与环氧树脂。因此,膜片的变形是只敏感的环境压力变化。压力变化可以从中解调干涉模式。

利用MEMS技术,FP腔的长度可以通过确定V形槽的宽度不同的精确控制。此外,传感器的灵敏度和共振T频率也可以通过精确控制氮化硅膜的厚度来定制。对于某些材料,灵敏度和夹紧的圆形光阑的谐振频率ragm是直径和膜片厚度有关。因此,传感器有可能有多种可用于不同的应用具有不同的性能特性CE要求。重复图案可以制造在相同的硅衬底由于MEMS技术。这使得这样的设计非常适合传感器阵列和传感器网络应用S.

三.传感器的制作

如上所述,该传感器包括两个部分:硅衬底和角抛光纤维。的制造过程中发表在以前的文献[ 8 ]。该程序是重复在这里简单介绍。如图2所示,被蚀刻在氢氧化钾在硅晶片上制备了具有不同宽度的两个V形槽。一个薄的氮化硅层沉积在晶片表面。为了释放隔膜,从晶片背面蚀刻不同直径的孔。在硅衬底上制备了角抛光光纤放在V型槽和对齐

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对具有特定直径的氮化硅薄膜。该纤维被固定在硅衬底上的环氧树脂。背面孔也用环氧树脂密封。

硅衬底

小V型槽

大V型槽

(一)

氮化硅沉积

氮化硅

隔膜

硅蚀刻

(b)

(C)

45ordm;角度抛光的单模光纤

(D)

环氧树脂

(E)

图2。传感器制造过程示意图。(一)通过各向异性湿法刻蚀在制备具有不同宽度的两个V形槽(100)的硅衬底;(b)薄膜T他氮化硅沉积在表面;(c)氮化硅膜被蚀刻掉硅从硅衬底的背面上的大V型槽侧壁释放吃;(D)45°角度抛光的单模光纤放置并固定在小V型槽;(e)角度抛光纤维与背孔用环氧树脂密封。

4。实验

4.1传感器检定

为了验证传感器的性能,并从传感器

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