專利名稱：半導體激光單光源激振測振裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及諧振傳感器，特別是一種半導體激光單光源激振測振裝置。

背景技術：
隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展，基于微電子技術和微機械加工技術的硅微機械諧振傳感器顯示出良好的發(fā)展前景。它不但具有精度高、抗干擾能力強、適用于長距離信號傳輸?shù)膬?yōu)點，而且可以利用成熟的硅集成制造工藝，得到批量的高可靠性、價格低廉的產(chǎn)品，有著巨大的商業(yè)價值。該傳感技術利用諧振器的固有頻率隨被測物理量的變化而變化實現(xiàn)測量，已被廣泛地用于壓力、真空度、角速度、加速度、磁場強度、流量、溫度、濕度以及氣體成分等物理量的高精度測量。在硅微機械諧振傳感器眾多的工作方式(電、磁、光、聲等方式)中，光激勵、光檢測的全光學工作方式得到了人們的普遍關注，取得了許多重要的成果。
目前該領域的相關研究中，大多采用雙光源實驗裝置，這種方法雖然相對容易實現(xiàn)器件的激勵和檢測，但是由于系統(tǒng)比較復雜，限制了向多傳感頭系統(tǒng)的發(fā)展。為了解決這個問題，一些單光源的激振測振方法被提出。但是這些方法存在諸如易受外界干擾和測量精度較低(在先技術1，J David Zook，David W.Burns，William R.Herb et al..Optically excited self-resonant microbeams，Sensors and Actuators[J].1996，A52(1-3)92-98)或者對光源等器件有特殊要求(在先技術2，Liu Yueming，Liu Junhua，Zhang Shaojun.A laboratory study of photothermal excited silicon microresonators withcoated film[J].Acta Optica Sinica，2003，23(5)529-533)等問題。
采用貝塞爾函數(shù)比值法的單光源激振測振方法(在先技術3，Liu Yingming，WangXiangzhao.A single optical source system for exciting and detecting the vibration ofsilicon microresonator sensors[J].Chinese J.Lasers，2006，A33(12)1661-1664)，只能測量出諧振器的振動幅度，不能給出諧振器的振動位移曲線。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種半導體激光單光源激振測振裝置，該裝置在高精度地得到諧振器的諧振頻率的同時，還可獲得納米精度的諧振器的位移曲線。
本實用新型的技術解決方案如下 一種半導體激光單光源激振測振裝置，包括由第一驅(qū)動電源驅(qū)動的帶有溫度控制器的光源，所述的第一驅(qū)動電源為該光源提供直流驅(qū)動電流和正弦交流驅(qū)動電流；沿該光源發(fā)射光前進方向依次放置隔離器、耦合器及準直器；準直器出射光方向設置一諧振器；與第二光電轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的是第二前置放大器；與封裝在光源內(nèi)部的第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的是第一前置放大器；信號處理器；信號監(jiān)視器，所述的光源和隔離器由第一段光纖相連，所述的隔離器和耦合器的第一端口由第二段光纖相連，所述的耦合器的第二端口和準直器由第三段光纖相連，耦合器的第三端口和第二光電轉(zhuǎn)換器的輸入端由第四段光纖相連；其特點是在所述的準直器上固定有由第二驅(qū)動電源驅(qū)動的正弦相位調(diào)制裝置，所述的第一前置放大器的輸出端、第二前置放大器的輸出端和第二驅(qū)動電源的交流驅(qū)動信號輸出端分別與信號處理器的三個輸入端相連，該信號處理器的輸出端與信號監(jiān)視器的輸入端相連，所述的第二驅(qū)動電源輸出的正弦交流驅(qū)動電流的頻率ω大于第一驅(qū)動電源輸出的正弦交流驅(qū)動電流頻率ωc的兩倍。
所述的光源是半導體激光二極管，并且其內(nèi)部封裝了第一光電轉(zhuǎn)換器，所說的第一光電轉(zhuǎn)換器是一光電二極管。
所述的正弦信號調(diào)制裝置是由第二驅(qū)動電源驅(qū)動的固定在準直器上的壓電陶瓷，所說的壓電陶瓷使準直器在其出射光方向上產(chǎn)生正弦振動。
所述的第二光電轉(zhuǎn)換器是光電二極管或者光電池。
所述的信號處理器由除法器、乘法器、低通濾波器和單片機構成，除法器的第一輸入端和第二輸入端即信號處理器的輸入端；除法器的輸出端與乘法器的第一輸入端相連；乘法器的第二輸入端即信號處理器的第三輸入端；乘法器的輸出端與低通濾波器的輸入端相連接；低通濾波器的輸出端與單片機的輸入端相連，單片機的輸出端直接與信號監(jiān)視器相連。
所述的單片機具有對輸入信號求解反正弦函數(shù)的程序。
本實用新型由于采用了上述技術方案，與在先技術相比，具有以下優(yōu)點和積極效果 1、本實用新型系統(tǒng)結構簡單，采用干涉儀的光源作為諧振器的激勵光源，對光源等器件沒有特殊要求，易于實現(xiàn)微諧振器的光熱激勵。
2、本實用新型采用全光纖斐索干涉儀的結構，有效減小了外界干擾的影響；利用正弦相位調(diào)制技術對干涉信號進行調(diào)制解調(diào)，提高了測量精度。
3、本實用新型采用特殊的信號處理方法從干涉信號中納米精度的實時解調(diào)出諧振器的位移曲線，高精度的得到諧振器的諧振頻率。

圖1是本實用新型半導體激光單光源激振測振裝置的結構示意圖。
圖2是本實用新型信號處理器的結構示意圖。
圖3是本實用新型測得的諧振器的頻率響應曲線。
國4是本實用新型測得的諧振器的諧振位移曲線。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。
本實用新型半導體激光單光源激振測振裝置的結構示意圖如圖1所示。由圖可見，本實用新型半導體激光單光源激振測振裝置，包括由第一驅(qū)動電源1驅(qū)動的帶有溫度控制器2的光源3；沿光源3發(fā)射光前進方向依次放置隔離器6、耦合器7及準直器8；準直器8出射光方向設置一諧振器11；與第二光電轉(zhuǎn)換器12的輸出端連接的是第二前置放大器13；與封裝在光源3內(nèi)部的第一光電轉(zhuǎn)換器4的輸出端連接的是第一前置放大器5；信號處理器14；信號監(jiān)視器15，所述的光源3和隔離器6由第一段光纖301相連，所述的隔離器6和耦合器7的第一端口由第二段光纖701相連，所述的耦合器7的第二端口和準直器8由第三段光纖702相連，耦合器7的第三端口和第二光電轉(zhuǎn)換器12的輸入端由第四段光纖703相連；其特征在于在所述的準直器8上固定有由第二驅(qū)動電源10驅(qū)動的正弦相位調(diào)制裝置9，所述的第二前置放大器13的輸出端、第一前置放大器5的輸出端和第二驅(qū)動電源10的交流驅(qū)動信號輸出端分別與信號處理器14的輸入端14a、14b、14c相連，該信號處理器14的輸出端與信號監(jiān)視器15的輸入端相連。
所述的第一驅(qū)動電源1為光源3提供直流驅(qū)動電流和正弦交流驅(qū)動電流。
所述的光源3是半導體激光二極管，并且其內(nèi)部封裝了第一光電轉(zhuǎn)換器4，即光電二極管。
所述的正弦信號調(diào)制裝置9是由第二驅(qū)動電源10驅(qū)動的固定在準直器8上的壓電陶瓷，所說的壓電陶瓷使準直器8在其出射光方向上產(chǎn)生正弦振動。
所述的第二光電轉(zhuǎn)換器12是光電二極管。
所述的信號處理器14由除法器1401、乘法器1402、低通濾波器1403和單片機1404構成，除法器1401的第一輸入端D1和第二輸入端D2即信號處理器14的輸入端14a和14b；除法器1401的輸出端與乘法器1402的第一輸入端M1相連；乘法器1402的第二輸入端M2即信號處理器14的第三輸入端14c；乘法器1402的輸出端與低通濾波器1403的輸入端相連接；低通濾波器1403的輸出端與單片機1404的輸入端相連，單片機1404的輸出端直接與信號監(jiān)視器15相連。
所述的單片機1404具有對輸入信號求解反正弦函數(shù)的程序。
第一驅(qū)動電源1為光源3提供直流電流和正弦交流電流，光源3的出射光的波長和強度被正弦調(diào)制，被調(diào)制的光經(jīng)過隔離器6、耦合器7和準直器8，一部分光在準直器8與空氣交界的端面被反射，另一部分光經(jīng)過準直器8后以平行光出射，經(jīng)諧振器11表面反射后，又經(jīng)準直器8進入光纖。被準直器8端面反射回去的參考光與諧振器11表面反射的物光進行干涉，產(chǎn)生的干涉信號經(jīng)耦合器7后，由第二光電探測器12檢測。第二光電探測器12檢測到的干涉信號輸入到第二前置放大器13中；封裝在光源3中的第一光電探測器4檢測到的光源光強變化信號輸入到第一前置放大器5中；第一前置放大器5的輸出信號和第二前置放大器13的輸出信號以及第二驅(qū)動電源10的交流信號，一起送入信號處理器14處理后得到諧振器11的諧振位移。本實用新型的半導體激光單光源激振測振裝置工作時，逐漸增大調(diào)制驅(qū)動電源1的輸出交流驅(qū)動信號頻率，當該信號的頻率與諧振器11的固有頻率一致時，諧振器11的位移最大，達到諧振狀態(tài)；當待測物理量(壓力、真空度、角速度、加速度、磁場強度、流量、溫度、濕度以及氣體成分等)變化時，測量此時諧振器11的諧振頻率；進而由諧振器11諧振頻率的變化得到待測物理量的變化。
光源3在第一驅(qū)動電源1提供的直流電流i0和正弦電流Δi(t)＝acos(ωct)的驅(qū)動下，波長和強度分別表示為 λ(t)＝λ0+β1Δi(t)，(1) g(t)＝β2[i0+Δi(t)]。(2) 其中λ0是光源3的中心波長，β1是光源3的波長隨驅(qū)動電流的變化系數(shù)，β2是光源3的光強隨驅(qū)動電流的變化系數(shù)。
第二驅(qū)動電源10為正弦相位調(diào)制裝置9提供電壓信號V(t)＝Vcos(ωt)(需要滿足ω＞2ωc)，使正弦相位調(diào)制裝置9產(chǎn)生位移，進而引起準直器8的位移為 r(t)＝rcos(ωt+φ)，r、φ均為常數(shù)。
第二光電探測器12檢測到的干涉信號經(jīng)第二前置放大器13后為 S0(t)＝K{IB(t)S0+IM(t)S1cos[z1cos(ωct)+z2cos(ωt+φ)+α(t)]}， (3) 其中 IB(t)＝g(t-τo)+g(t-τr)，(4) α(t)＝α0+αd(t)＝2πD0/λ0+4πd(t)/λ0。(8) IB(t)和IM(t)分別為干涉信號非相干部分和相干部分的幅度調(diào)制；K為第二前置放大器13的增益系數(shù)；S0和S1是由參考光和物光的振幅比例決定的常數(shù)；τ0＝l0/c，τr＝lr/c，lo和lr分別為參考光和物光的光程，c為光速；D0為諧振器11和正弦相位調(diào)制裝置9均靜止時參考光和物光之間的光程差；d(t)為諧振器11的振動位移。
封裝在光源3中的第一光電探測器4探測到的光源強度變化經(jīng)第一前置放大器5放大后為 I(t)＝Kβ2{i0+acos[ωc(t-τ)]}，(9) 其中，K為第一前置放大器5的增益系數(shù)，τ是光傳播引起的時間延遲。
將(3)式與(9)式相除，可以得到 S(t)＝C{S0+S1cos[z1cos(ωct)+z2cos(ωt+φ)+α(t)]}。(10) 其中常數(shù)C不隨時間變化。由(6)式可知，z1與D0有關，通過調(diào)整準直器8和諧振器11的初始位置，可以使z1相對較小，此時式(10)可以近似寫為 其中，Jn(z2)表示n階貝塞爾函數(shù)。
采用如圖2所示的信號處理器14對干涉信號進行處理。首先將第二前置放大器13放大后的干涉信號和第一前置放大器5放大的光源強度變化信號同時送入信號處理器14中的除法器1401，得到信號S(t)。將S(t)和第二驅(qū)動電源10輸出的的正弦驅(qū)動信號V(t)＝Vcos(ωt)輸入到乘法器1402和低通濾波器1403后，得到信號P(t) P(t)＝-CK0S1VJ1(z2)cosφsinα(t)， (12) K0是乘法器和低通濾波器對信號產(chǎn)生的增益。
定義歸一化系數(shù)KS＝-CK0S1VJ1(z2)cosφ， (13) 則 P(t)＝KSsinα(t) (14) 由于存在一些難以獲得準確數(shù)值的工作參數(shù)，較難利用(13)式精確的計算KS。當光源3僅在直流電流驅(qū)動下時，z1＝0，d(t)＝0。此時使第二驅(qū)動電源10輸出的的正弦電壓信號為V′(t)＝V(t)+V′cos(ω′t)＝Vcos(ωt)+V′cos(ω′t)(需要滿足ω＞2ω′)，使準直器8在位移r(t)＝rcos(ωt+φ)之上再疊加一個幅度大于λ0/4的振動r′(t)＝r′cos(ω′t+φ′)，此時(10)式為 S′(t)＝C{S0+S1cos[z2cos(ωt+φ)+α′(t)]}，(15) 其中α′(t)＝2πD0/λ0+4πr′(t)/λ0。
(16) 通過信號處理器14后，低通濾波器1403輸出信號為 P′(t)＝KSsinα′(t)，(17) 由于r′大于λ0/4，sinα′(t)的值能夠達到±1，此時信號P′(t)的幅度即為歸一化系數(shù)KS。
求得KS后，恢復第二驅(qū)動電源10的輸出電壓信號為V(t)＝Vcos(ωt)，給光源3附加交流驅(qū)動電流，使諧振器11產(chǎn)生振動。由于初始相位α0為直流項，可以不考慮。由低通濾波器1403將信號P(t)輸入到單片機1404，單片機1404利用所具有的對輸入信號求解反正弦函數(shù)的程序進行數(shù)據(jù)處理，由(14)式可得到諧振器11的位移 d(t)＝(λ0/4π)sin-1[P(t)/KS]。(18) 如圖1所示的半導體激光單光源激振測振裝置。諧振器9采用的是多層復合結構的微懸臂梁，表面鍍鋁，微懸臂梁長約1000μm，寬約300μm，厚約10μm。半導體激光器3的中心波長為1304nm，最大輸出功率2.5mW，其波長調(diào)制系數(shù)β1和強度調(diào)制系數(shù)β2分別為0.0188nm/mA和0.1mW/mA。測試時，調(diào)整準直器和微懸臂梁的初始位置，使物光和參考光的初始光程差D0約為100μm。壓電陶瓷上附加200KHz的正弦電壓信號，使準直器8做同頻正弦振動；模擬乘法器的系數(shù)Km為5×10-5(mV)-1；選用一個四階的低通濾波器，其截止頻率為40KHz，增益KL為10；單片機的型號為ADuc812。當半導體激光器僅有直流調(diào)制信號時，調(diào)節(jié)壓電陶瓷上的驅(qū)動電壓信號，使準直器在原有的振動之上再疊加一個幅度大于λ0/4的低頻振動，測量此時低通濾波器的輸出信號P′(t)的幅度，將其作為KS的值?；謴蛪弘娞沾缮?00KHz的正弦電壓信號，給半導體激光器附加交流調(diào)制信號，使調(diào)制電流的幅度約為1mA，測量微懸臂梁產(chǎn)生的位移；逐漸增大交流調(diào)制信號的頻率，當測得微懸臂梁的位移最大時，微懸臂梁達到諧振狀態(tài)。
測試過程中得到了微懸臂梁樣品的頻率響應曲線，如圖3所示。微懸臂梁樣品的諧振頻率為13.63kHz，諧振曲線的半值全寬(FWHM)0.08kHz，品質(zhì)因數(shù)Q為171。樣品在諧振時的位移曲線如圖4所示，諧振振幅的RMS值為112.3nm。
權利要求1、一種半導體激光單光源激振測振裝置，包括由第一驅(qū)動電源(1)驅(qū)動的帶有溫度控制器(2)的光源(3)，所述的第一驅(qū)動電源(1)為光源(3)提供直流驅(qū)動電流和正弦交流驅(qū)動電流；沿光源(3)發(fā)射光前進方向依次放置隔離器(6)、耦合器(7)及準直器(8)；準直器(8)出射光方向設置一諧振器(11)；與第二光電轉(zhuǎn)換器(12)的輸出端連接的是第二前置放大器(13)；與封裝在光源(3)內(nèi)部的第一光電轉(zhuǎn)換器(4)的輸出端連接的是第一前置放大器(5)；信號處理器(14)；信號監(jiān)視器(15)；所述的光源(3)和隔離器(6)由第一段光纖(301)相連，所述的隔離器(6)和耦合器(7)的第一端口由第二段光纖(701)相連，所述的耦合器(7)的第二端口和準直器(8)由第三段光纖(702)相連，耦合器(7)的第三端口和第二光電轉(zhuǎn)換器(12)的輸入端由第四段光纖(703)相連；其特征在于在所述的準直器(8)上固定有由第二驅(qū)動電源(10)驅(qū)動的正弦相位調(diào)制裝置(9)，所述的第二前置放大器(13)的輸出端、第一前置放大器(5)的輸出端和第二驅(qū)動電源(10)的交流驅(qū)動信號輸出端分別與信號處理器(14)的三個輸入端(14a)、(14b)、(14c)相連，該信號處理器(14)的輸出端與信號監(jiān)視器(15)的輸入端相連，所述的第二驅(qū)動電源(10)輸出的正弦交流驅(qū)動電流的頻率ω大于第一驅(qū)動電源(1)輸出的正弦交流驅(qū)動電流頻率ωc的兩倍。
2、根據(jù)權利要求1所述的半導體激光單光源激振測振裝置，其特征在于所述的光源(3)是半導體激光二極管，并且其內(nèi)部封裝了第一光電轉(zhuǎn)換器(4)，所說的第一光電轉(zhuǎn)換器是一光電二極管。
3、根據(jù)權利要求1所述的半導體激光單光源激振測振裝置，其特征在于所述的正弦信號調(diào)制裝置(9)是由第二驅(qū)動電源(10)驅(qū)動的固定在準直器(8)上的壓電陶瓷，所說的壓電陶瓷使準直器(8)在其出射光方向上產(chǎn)生正弦振動。
4、根據(jù)權利要求1所述的半導體激光單光源激振測振裝置，其特征在于所述的第二光電轉(zhuǎn)換器(12)是光電二極管或者光電池。
5、根據(jù)權利要求1所述的半導體激光單光源激振測振裝置，其特征在于所述的信號處理器(14)的構成包括除法器(1401)、乘法器(1402)、低通濾波器(1403)和單片機(1404)，除法器(1401)的第一輸入端(D1)和第二輸入端(D2)即信號處理器(14)的輸入端(14a)和(14b)；除法器(1401)的輸出端與乘法器(1402)的第一輸入端(M1)相連；乘法器(1402)的第二輸入端(M2)即信號處理器(14)的輸入端(14c)；乘法器(1402)的輸出端與低通濾波器(1403)的輸入端相連接；低通濾波器(1403)的輸出端與單片機(1404)的輸入端相連，單片機(1404)的輸出端直接與信號監(jiān)視器(15)相連。
專利摘要一種半導體激光單光源激振測振裝置，其結構包括由第一驅(qū)動電源驅(qū)動的帶有溫度控制器的光源，沿該光源出射光前進方向依次通過光纖段連接的隔離器、耦合器、固定著正弦相位調(diào)制裝置的準直器，準直器出射光方向有一諧振器，正弦相位調(diào)制裝置由第二驅(qū)動電源驅(qū)動；第二光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與第二前置放大器的輸入端相連；封裝在光源內(nèi)部的第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與第一前置放大器的輸入端相連；第一前置放大器的輸出端、第二前置放大器的輸出端和第二驅(qū)動電源的調(diào)制信號輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器的輸入端相連；該信號處理器的輸出端與信號監(jiān)視器相連。本實用新型系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)微諧振器的光熱激勵，可同時高精度的得到諧振器的諧振頻率和振動位移曲線。
文檔編號G01H13/00GK201104240SQ20072007615
公開日2008年8月20日 申請日期2007年11月14日 優(yōu)先權日2007年11月14日
發(fā)明者李中梁, 王向朝, 劉英明 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所