光學(xué)位移傳感器元件的制作方法
【專利說(shuō)明】光學(xué)位移傳感器元件
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)位移傳感器元件。示例可以為壓力傳感器或麥克風(fēng)，其包括通過(guò) 由間隔件限定的腔分離的兩個(gè)基本上平坦的表面，表面之間的距離根據(jù)相對(duì)于腔中的壓力 的環(huán)境中壓力波動(dòng)是可變的。在表面之間距離上的改變可以由表面中的一個(gè)或兩個(gè)的偏轉(zhuǎn) 引起，或由壓縮間隔件引起。
[0002] 直到最近諸如麥克風(fēng)的位移傳感器一直基于電容器結(jié)構(gòu)和阻抗測(cè)量。這具有與靈 敏度、高電壓偏置、層之間的隔離、相對(duì)于背電極的膜的對(duì)準(zhǔn)和定位、對(duì)前置放大器的高要 求以及非線性響應(yīng)相關(guān)的許多缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)均導(dǎo)致昂貴和復(fù)雜的解決方案。
[0003] 在US2005/0018541中描述了改善，其中具有調(diào)制衍射效率的衍射結(jié)構(gòu)用于為位 移、壓力、聲信號(hào)等的測(cè)量提供光學(xué)傳感器元件，而不需要復(fù)雜的光學(xué)器件。這是通過(guò)使用 具有聚焦能力的光柵以便去除或減少對(duì)復(fù)雜的光學(xué)器件的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這在下面以菲涅 爾波帶片（Fresnel zone plates)為基礎(chǔ)進(jìn)行來(lái)解釋。已知菲涅爾波帶片是提供基于衍射 的平面透鏡。該結(jié)構(gòu)示于圖1中。然而，提出的解決方案確實(shí)具有限于約λ/8的動(dòng)態(tài)范圍， 如圖2中所示，圖2示出通過(guò)移動(dòng)反射表面所產(chǎn)生的信號(hào)。信號(hào)是周期的（在圖中僅示出 第一周期）。前兩個(gè)工作點(diǎn)由在λ/8和3λ/8處的兩個(gè)圓圈示出。箭頭示出了傳感器的動(dòng) 態(tài)范圍，其中所產(chǎn)生的信號(hào)與反射表面的位置幾乎是線性的。
[0004] 存在產(chǎn)生正弦或準(zhǔn)正弦信號(hào)的其它類型的位置傳感器，其中通過(guò)組合若干異相 信號(hào)來(lái)增加動(dòng)態(tài)范圍。BrowruDavid Α.等人的文章 "A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors" 國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)，光纖和 激光傳感器IX第1584卷（1991年）[1]和Reid、Greg J.以及David A. Brown的文章 "Multiplex architecture for 3x 3coupler based fiber optic sensors'，國(guó)際光學(xué)工 程學(xué)會(huì)，分布式多路復(fù)用光纖傳感器RI，波士頓（1993年）[2]討論了基于光纖的位置傳感 器的示例，其中它使用了具有0、120°和240°相移的3個(gè)信號(hào)，以取得具有若干波長(zhǎng)的動(dòng) 態(tài)范圍的位置。也可能的是用正交信號(hào)（90°相位偏移），如在Stowe，D.和Tsung-Yuan Hsu.的"Demodulation of interferometric sensors using a fiber-optic passive quadrature demodulator"，光波技術(shù)雜志第I期第3卷（1983年）：第519頁(yè)-第523頁(yè) [3]中描述的。
[0005] 這也在光學(xué)干涉型傳感器US2009/0268211，尤其是在摘要和段落[0013]、[0016] 和[0020]中有所提到。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)示例示于US7355720中，其似乎限于法布里-珀羅諧振器，其中 測(cè)量反射光的量。未反射的光被傳輸。該原理與我們發(fā)明的光柵讀出不同，其中腔長(zhǎng)的改 變調(diào)制光柵的衍射效率-即，多少光被主要引導(dǎo)到〇級(jí)（鏡面反射）和-1/+1級(jí)。如果膜 是全反射性的，沒(méi)有光被傳輸。在法布里-珀羅裝置中使用全反射膜是不可行的：不會(huì)有用 腔長(zhǎng)的改變的對(duì)反射光的任何調(diào)制。
[0007] 然而，專利US7355720提到使用若干信號(hào)以擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，但首先那些信號(hào)是由 不同的波長(zhǎng)產(chǎn)生的。然后段[0020]提到使用可以由若干信號(hào)詢問(wèn)的多個(gè)光腔的堆疊，似乎 也使用多個(gè)光源。D. Shin 和 B Kim 的文章 "A laser interferometer encoder with two micromachined gratings generating phase shifted quadrature'，，微觀機(jī)械與微型工程 學(xué)報(bào)，第21卷（2011年）085039示出了使用具有兩個(gè)不同光柵線周期的兩個(gè)不同光柵的其 他位移編碼器。在該實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自兩個(gè)光柵的信號(hào)被在其中光被衍射的角度分離，這反過(guò)來(lái) 是光柵線的周期的函數(shù)。為了分離兩個(gè)信號(hào)，裝置必須由準(zhǔn)直光（本文中為具有聚光透鏡 的體塊型HeNe激光器）照明，以及必須將光電檢測(cè)器放置在距離光柵相對(duì)較遠(yuǎn)處（本文中 為10mm)。由于正交的兩個(gè)信號(hào)，可以在照明波長(zhǎng)的幾倍的動(dòng)態(tài)范圍上執(zhí)行產(chǎn)生的測(cè)量，但 是測(cè)量將受到激光強(qiáng)度的變化的影響。
[0008] 因此，其是本發(fā)明的目的是提供具有增加的動(dòng)態(tài)范圍的相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的位移傳 感器。還有一個(gè)目的是提供減少在光源中的強(qiáng)度變化影響的解決方案。使用如所附權(quán)利要 求中描述的根據(jù)本發(fā)明的傳感器來(lái)解決本發(fā)明的目的。還可以通過(guò)使用將來(lái)自發(fā)散光源 (諸如VCSEL)的光聚焦到不同光電檢測(cè)器上的聚焦衍射圖案將所提供的解決方案集成為 緊湊的MEMS裝置，從而提供分離來(lái)自不同衍射圖案的信號(hào)的緊湊和簡(jiǎn)單的方式。
[0009] 基于上述公布，尤其是US2005/0018541來(lái)描述信號(hào)處理。
[0010] 本發(fā)明可以被描述為對(duì)于使用若干衍射元件的擴(kuò)展。衍射元件可以被放置在相同 的反射表面下，并且衍射元件的高度相對(duì)于反射表面必須總是僅相差幾乎恒定的高度偏移 (該幾乎恒定的高度偏移對(duì)于每個(gè)衍射元件是不同的）。來(lái)自不同衍射元件的反射和/或 衍射被引導(dǎo)到若干檢測(cè)器上，并產(chǎn)生具有相位差的信號(hào)。
[0011] 因此可以對(duì)原理進(jìn)行如下描述：
[0012] 如果每個(gè)衍射元件將光引導(dǎo)到它自己的檢測(cè)器上，給出電信號(hào)
[0014] 所述電信號(hào)具有相位偏移
[0016] 并且其中，I是照明強(qiáng)度，λ是照明的波長(zhǎng)，Cl1是每個(gè)衍射元件當(dāng)在其空閑位置 處時(shí)相對(duì)于反射表面的高度（距離），并且S是反射表面相對(duì)于其空閑位置的位移。可在 US2005/0018541中找到關(guān)于信號(hào)A是如何產(chǎn)生的其他信息。
[0017] 因此，原理是要讀取具有不同相位偏移的若干信號(hào)，并且我們稱該方法為多相位 讀出。在特殊情況下，該方法可以被稱為差分讀出（當(dāng)采取通常具有180°相位差的兩個(gè)信 號(hào)的差時(shí)）或二次讀數(shù)（當(dāng)使用具有90°相位差的兩個(gè)信號(hào)時(shí)）。
[0018] 組合若干異相正弦信號(hào)以便進(jìn)行測(cè)量-并且或多或少直接增大動(dòng)態(tài)范圍-的 原理已經(jīng)在若干裝置中被實(shí)現(xiàn)，例如，在光學(xué)位置傳感器ΕΡ2482040、US2005/0253052和 W02002/04895中。其它應(yīng)用可以是干涉距離測(cè)量和TV-全息攝像（快速專利檢索未返回關(guān) 于這些最后應(yīng)用的相關(guān)結(jié)果）。我們想要將本發(fā)明局限于具有衍射讀出的位置傳感器，即當(dāng) 使用衍射光柵或聚焦衍射透鏡時(shí)。
[0019] 在US2005/0018541中，實(shí)現(xiàn)描述了"差分麥克風(fēng)"，其中相對(duì)于反射表面具有兩個(gè) 不同高度的兩個(gè)衍射元件給出具有180°的相位差的兩個(gè)信號(hào)AJPA 2，如在公布中的圖9 所示。
[0020] 然后，我們有：
[0022] 通過(guò)組合AJPA2并直接取得反射表面的位移來(lái)消除在照明I中的波動(dòng)是可能的：
[0024] 也可以通過(guò)測(cè)量由衍射元件聚焦的光（在第-1衍射級(jí)中）和由衍射元件反射的 光（第〇衍射級(jí)）來(lái)實(shí)現(xiàn)照明波動(dòng)的消除，其產(chǎn)生具有η相位差的兩個(gè)信號(hào)。同時(shí)使用反射 和衍射來(lái)消除照明波動(dòng)被公布于2009年9月27日-30日卡普里島的第三屆關(guān)于光學(xué)微系 統(tǒng)的EOS專題會(huì)議（0yS'0