[发明专利]基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤F‑P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法，属于微机电系统技术领域。基于光纤F‑P腔的三轴高温振动传感器具体包括顶层硅和基底硅，所述顶层硅和基底硅之间设有三轴振动敏感结构，将三个固支梁‑质量块系统集成在一个外壳体上，构成三轴振动敏感结构，每个固支梁‑质量块系统都呈中心对称，三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤和y轴测量光纤，基底硅上设有z轴测量光纤，用于传递被测振动；每个质量块与外壳体的侧壁之间围成测量振动F‑P腔；该传感器能够同时测量三个轴向的振动信号，顶层硅、基底硅和外壳体采用三层硅片高温直接键合，使得该传感器能够在800°C环境温度下工作。

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法。

背景技术

基于微机电系统（MEMS）技术的高温振动传感器在航空发动机振动信号的测量中起着极其重要的作用。由于航空发动机的振动为多轴向耦合振动，这就需要传感器能同时测量三个轴向的振动信号，且能在航空发动机的高温环境下正常工作。

目前，对MEMS高温振动传感器的研究主要包括压电式、压阻式和光纤式，且主要是针对单个轴向振动的测量。公开号为CN215524821U的实用新型专利中提出了一种新型高温三轴向压电式振动传感器，该传感器采用压电式原理，在高温环境下存在压电性能退化问题，影响传感器在高温环境下的实际测量精度，且其实际使用温度上限为500°C；公开号为CN113624328A的发明专利申请文件中提出了一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，该传感器能在700°C的高温环境下工作，具有很强的抗干扰性，但其只能测量单个轴向的振动信号。目前现有技术还远不能满足对航空发动机内部振动测量所需的耐高温和三轴向测量的要求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法，能够满足对航空发动机内部振动测量所需的耐高温和三轴向测量的要求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，其特征在于：包括顶层硅和基底硅，所述顶层硅和基底硅之间设有三轴振动敏感结构，所述三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤和y轴测量光纤，所述基底硅上设有z轴测量光纤。

进一步的，所述三轴振动敏感结构包括外壳体，所述外壳体内设有两个隔板，两个所述隔板将所述外壳体分隔成三个腔室，三个腔室内从左往后依次对应设有第一质量块、第二质量块和第三质量块，所述第一质量块的前侧和后侧与外壳体之间设有第一固支梁；所述第二质量块的前侧和后侧与外壳体之间，以及第二质量块的左侧和右侧与两个隔板之间均设有第二固支梁，所述第三质量块的左侧和右侧与相互对应的隔板和外壳体之间均设有第三固支梁。

进一步的，所述x轴测量光纤位于所述外壳体的前侧壁上，且所述x轴测量光纤的中心与所述第三质量块的中心位于同一水平线上；所述y轴测量光纤位于所述外壳体的左侧壁上，且所述y轴测量光纤的中心与所述第一质量块的中心位于同一水平线上；所述z轴测量光纤的中心与所述第二质量块的中心位于同一竖直线上。

进一步的，所述第三质量块与所述外壳体和相邻的隔板之间围成的空腔形成x轴测量振动F-P腔；所述第一质量块与所述外壳体和相邻的隔板之间围成的空腔形成y轴测量振动F-P腔；所述第二质量块与所述外壳体和两个隔板之间围成的空腔形成z轴测量振动F-P腔。

进一步的，所述外壳体的厚度为1000μm，所述顶层硅和基底硅的厚度均为500μm。

进一步的，所述x轴测量光纤和y轴测量光纤的直径为600μm，所述z轴测量光纤的直径为1.8mm。

进一步的，基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：对顶层硅、基底硅和用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行预处理；