硅微机械谐振传感器激光激振测振技术的研究

来源 :中国科学院上海光学精密机械研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wanglijun123456789
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以谐振技术为敏感机理的硅微机械谐振传感器一直是国内外MEMS(Microelectromechanical System)传感器的研究重点之一,其中采用光激励、光检测工作方式的硅微机械谐振传感器,兼有光纤、微结构、谐振传感器的优点,实现了多种先进技术的优势互补,得到了该领域研究者的更多关注。正弦相位调制(SPM)干涉测量技术是一种国际上先进的高精度光学干涉测量技术,具有调制方便、结构简单等优点,近年来得到了广泛的应用。本论文将SPM干涉测振技术及其相关理论引入硅微机械谐振传感器的激光激振测振技术研究中,在谐振位移测量、调制频率选择、单光源激振测振技术以及硅微机械自谐振传感技术方面开展研究,主要研究内容包括:   1.将SPM干涉测振技术应用于硅微机械谐振器谐振位移的测量,研究一种双光源激光激振测振技术。该技术采用光致驱动技术使微谐振器产生振动;采用SPM干涉技术测量其振动;通过不同激励频率下纳米精度测量谐振器的振动位移,得到谐振器的谐振频率。基于该技术研发了一台“DMI-02纳米精度激光激振测振仪”,该样机已通过了华东国家测试中心测试。   2.通过模拟计算和实验数据的分析,讨论SPM干涉测振技术中调制频率与被测信号幅度的关系,研究一个SPM干涉测振技术的调制频率优化选择依据。被测位移信号的幅度每增大四分之一测量光源波长,调制频率需要相应增大4倍被测信号频率的大小。通过实验验证,在保证信号处理需要和测量精度的前提下,根据该选择依据可以比较准确地确定调制频率的大小。与从前的调制频率选择方法相比,实现同样振动位移信号的测量,调制频率仅为原来的69.7%。   3.基于SPM干涉测振技术的相关理论,研究一种用于硅微机械谐振传感器研究的单光源激振测振新方法。该方法采用全光纤斐索干涉仪结构,微谐振器的激励及其谐振信号的测量为同一光源,将干涉信号与光源强度变化信号进行运算后,通过选频技术解调出谐振器的振动信息,同时采用贝塞尔函数比值法扩大了振动幅度的测量范围,省去了一些难以获得准确数值的工作参数的计算。实验结果与采用其它双光源激振测振方法基本一致,新方法的可行性得到了验证。   4.将半导体激光器光注入特性引入硅微机械谐振传感技术的研究中,研究一种新的基于反馈光注入半导体激光器的硅微机械自谐振传感技术。通过将微谐振器表面的反射光反馈注入激励光源,实现激励光源的光强调制;激励光源的强度调制导致入射到硅微谐振器上的光强改变,使微谐振器的形变发生变化,实现微谐振器的激励;两种物理效应动态变化,相互影响,实现微谐振器的自激励谐振。
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