微悬臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器.pdf

一种微光机电系统微悬臂梁驱动的吸氢传感，用于自动控制技术领域。本发明由光源发射部分和光源接受部分组成，光源发射部分包括：第一Si基座、光纤探头、钯膜、衬底铜镍薄膜、第一纤尾、硅臂梁，钯膜依附于衬底镍薄膜形成双层膜结构，依次依附在硅臂梁上，此梁一端固定于第一Si基座上，光纤探头贴于硅臂梁上，光纤的第一纤尾则连接着光源，光源接受部分包括：第二Si基座、光纤接口、第二纤尾，光线接口对准硅臂梁上的光纤口，贴于第二Si基座上，光纤的第二纤尾则连接着光功率计。本发明提高了硅臂梁的轴向驱动力，解决了为提高敏感性而增加膜厚所带来的易破坏等问题，同时大幅度地简化了此类器件的结构。

1、  一种微硅臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器，由光源发射部分(1)和光源接受部分(2)组成，其特征在于，光源发射部分(1)包括：第一Si基座(3)、光纤探头(4)、钯膜(5)、衬底铜镍薄膜(6)、第一纤尾(7)、硅臂梁(8)，钯膜(5)依附于衬底铜镍薄膜(6)形成双层膜结构，依次依附在硅臂梁(8)上，硅臂梁(8)一端固定于第一Si基座(3)上，光纤探头(4)贴于硅臂梁(8)上，光纤的第一纤尾(7)则连接着光源，光源接受部分(2)包括：第二Si基座(9)、光纤接口(10)、第二纤尾(11)，光线接口(10)对准硅臂梁(8)上的光纤，贴于第二Si基座(9)上，而第二纤尾(11)则连接着光调制装置和光功率计。

2、  根据权利要求1所述的微硅臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器，其特征是，光纤探头(4)带有光源，贴于硅臂梁(8)中央V型槽上。

3、  根据权利要求1所述的微硅臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器，其特征是，光线接口(10)贴于第二Si基座(9)中央V型槽上。

微悬臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器
技术领域
本发明涉及的是一种用于自动控制技术领域的传感器，具体是一种微光机电系统微的微悬臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器。
背景技术
现有技术中的氢气传感器主要有薄膜电阻式、电化学式和光纤光学式三种类型。光纤传感器能够将敏感信息以光信号的形式转移到安全区域，可以很好地避免潜在危险，除此之外，光纤传感还具有灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、动态响应范围大、耐高压、耐腐蚀等突出优点。金属钯是各种光纤氢气传感器最常采用的敏感材料，因为钯金属能够吸收空气中的氢气，具有非常强的气体选择性。金属靶吸附氢气后形成氢化物，从而导致一系列物理性质发生变化，如电阻率、晶格常数(体积)、反射率和折射率等，而且这种变化在一定条件下是可逆的，为基于上述原理构造重复使用的测氢传感器奠定了基础。
经对现有技术的文献检索发现，在《传感器与执行器》(Chemical，vol B7n123，1992：685～688)上刊登的“光集成测氢传感器”，(Integrated opticsensor for the detection of H₂ concentrations.Sensors and ActuatorsB：Chemical，vol B7 n123，1992：685～688)，该文提出了一种干涉型光纤氢气传感器，其基本结构是一个m-Z干涉仪，在干涉仪的信号臂上(单模光纤)镀有一层钯膜，另一支臂作为参考臂。其不同于传统光纤型氢传感器的主要特点在于这种传感器显示了很好的可重复使用性，连续使用地积累误差小，响应的上升和下降时间较短。它的灵敏度可以通过控制信号臂的长度得到控制。但这种传感器结构比较复杂，而且受温度的影响比较大，使传感器的准确度明显降低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种微悬臂梁驱动的光强调制型光纤氢传感器。利用微光机电系统设计和加工技术来加工传感器的微型槽，使其具有常规光纤氢传感器特征的同时，还具备MEMS器件体积小、响应快、易集成、稳定性好、成本低、易批量生产等性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括两部分，一部分为光源发射部分：第一Si(硅)基座、光纤探头、钯膜、衬底铜镍薄膜、第一纤尾、硅臂梁，其连接关系为：吸氢的钯膜依附于不吸氢的衬底镍薄膜形成双层膜结构，依次依附在硅臂梁上。此梁一端固定于第一Si基座上，带有光源的光纤探头贴于硅臂梁中央V型槽上，光纤的第一纤尾则连接着光源。另一部分为光源接受部分，也就是光源参考平台：第二Si(硅)基座、光纤接口、第二纤尾，其连接关系是：光线接口对准硅臂梁上的光纤口，贴于第二Si(硅)基座中央V型槽上，以便对面的光源可以进入本光纤，而光纤的第二纤尾则连接着光功率计。
本发明利用了钯膜吸收氢气便会膨胀的原理，使悬梁臂产生弯曲变形，而硅臂梁弯曲时粘贴于其上的光纤必然随之弯曲，这样一来，投射入对面光纤口的光线必定减少，随着弯曲程度的加大，对面的光纤最终将接收不到任何光线。通过这样的一个过程，最终可将环境氢气浓度变化的信息转化成光强度变化信息，只需要检测这些光强度的变化便可以知道氢气浓度变化了。
本发明极大简化了传感器的结构，而且受温度影响较小，又提高了硅臂梁的轴向驱动力，解决了为提高敏感性而增加膜厚所带来的易破坏等问题。而且，最关键的一点是本发明十分有效地减低了整体成本。常规的干涉仪相关检测设备以及布拉格光栅检测设备比较贵，后者一套大概需要一万美元。但是本发明所需的光源和光功率计的成本只不过在6000元人民币上下。
附图说明
图1本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明由光源发射部分1和光源接受部分2组成，光源发射部分1包括：第一Si基座3、光纤探头4、钯膜5、衬底铜镍薄膜6、第一纤尾7、硅臂梁8，其连接关系为：吸氢的钯膜5依附于不吸氢的衬底铜镍薄膜6形成双层膜结构，依次依附在硅臂梁8上。而此硅臂梁8一端固定于第一Si基座3上，带有光源的光纤探头4贴于硅臂梁8中央V型槽上，光纤的第一纤尾7则连接着光源。光源接受部分2也就是光源参考平台包括：第二Si基座9、光纤接口10、第二纤尾11，其连接关系是：光线接口10对准硅臂梁8上的光纤，贴于第二Si基座9中央V型槽上，以便对面硅臂梁8上的光纤所发出的光源可以进入本光纤，而第二纤尾11则连接着光调制装置和光功率计。