CC BY
93
Заключение
Технология остросфокусированного ионного пучка в вакууме, реализуемая в микроскопическом и технологических режимах, позволяет гибко, оперативно, без использования шаблонов решать задачи препарирования, изготовления, реконструкции микро- и наноразмерных гомогенных и гетерогенных объектов. Учет ряда особенностей ионного пучка и использование представленных в статье методов подавления нежелательных эффектов дают возможность значительно улучшить качество получаемых объектов, в конечном счете расширить границы применимости ионного пучка как способа воздействия на материал.
Автор выражает особую благодарность д-ру техн. наук профессору В. В. Лучинину за содействие в написании статьи и участие в ее редактировании.
| Л и т е р а т у р а |
1. Лучинин В. В., Савенко А. Ю., Тагаченков А. М. Методы микро- и наноразмерной обработки материалов и композиций // Петербург. журн. электроники. 2005. № 2. С. 3-14.
2. Кузнецова М. А., Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Физико-технологические основы применения наноразмерной ион-но-лучевой технологии при создании микро- и наносис-темной техники // Нано- и микросистемная техника. 2009. № 8. С. 24-32.
3. Кузнецова М. А., Лучинин В. В. Ионно-стимулирован-ное топологически управляемое локальное осаждение проводящих слоев на основе платины // Вакуумная техника и технология. 2009. Т. 19, № 3. С. 149-158.
4. Кузнецова М. А., Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Нано-размерные ионно-лучевые технологии. Возможности и ограничения (тезисы) // Микро- и нанотехнологии в электронике: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Нальчик, 21-27 сент. Нальчик, 2009. С. 36-39.
УДК 681.586.5:621.395
А. А. Ветров, канд. техн. наук, Д. А. Данилов, инженер, С. С. Комиссаров, мл. научн. сотр., Т. Д. Коцюбинский, инженер, А. Н. Сергушичев, канд. техн. наук,
ЦМИД, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Виброакустические волоконно-оптические микромеханические системы
Ключевые слова: микромеханическая мембрана, волоконно-оптические системы, волоконно-оптические микрофоны и виброметры.
Key words: Micromechanical membrane, fiber-optical systems, fiber-optical microphones and vibrometers.
Рассмотрены виброакустические волоконно-оптические системы на базе микромеханических элементов, предназначенные для применения в медицине и биологии. Приведен теоретический анализ волоконно-оптических микрофонов и виброметров, определены их оптимальные конструктивные параметры. Приводятся результаты исследований разработанных экспериментальных образцов.
Введение
Увеличение численности населения планеты и продолжительности жизни приводит к необходимости создания и применения новых биомедицинских приборов для обеспечения более эффективного
диагностирования, наблюдения и лечения пациентов. В этом плане представляется чрезвычайно привлекательной разработка волоконно-оптических датчиков (ВОД) и систем различного медицинского назначения. Очень малый диаметр (менее 250 мкм) и высокая гибкость оптических волокон, а также малые потери при распространении света создают возможности для изготовления сверхминиатюрных биомедицинских ВОД и установки их непосредственно в месте проведения измерений. Новые возможности в плане миниатюризации ВОД активизирует развитие и внедрение технологий микросистемной техники. Основное достоинство ВОД — нечувствительность к электромагнитным и радиочастотным сигналам — делает их идеальными для диагностирования пациентов в режиме реального времени непосредственно в процессе проведения магнитно-
резонансной томографии (МРТ) и компьютерной томографии (КТ), когда применение других типов датчиков представляется проблематичным. В данной статье рассматриваются вопросы создания вибрационных и акустических микромеханических ВОД, которые помогут решить задачу обеспечения двухсторонней акустической связи с пациентом, а также дистанционного мониторинга его жизненно важных функций с использованием аускультатив-ной диагностики во время проведения МРТ и КТ.
1. Волоконно-оптические системы измерения микроперемещений
Широкий класс волоконно-оптических микромеханических измерительных систем основан на регистрации микроперемещений чувствительного элемента под действием измеряемой физической величины. Эта регистрация может производиться с использованием измерительных систем амплитудного или интерференционного типа.
Большинство ВОД с внешним первичным преобразователем построено по схеме, когда измеряемая физическая величина (давление, температура, ускорение и пр.) вызывает механическое перемещение некоторого чувствительного элемента (например, мембраны или инерционной массы), которое, в свою очередь, приводит к модуляции интенсивности света. В таких схемах датчиков ключевую роль играют оптико-электронные измерители механического перемещения. Иными словами, оптико-электронный датчик перемещений может быть универсальной основой или базовым элементом целого семейства датчиков различных физических величин (в том числе и виброакустических датчиков), различающихся лишь конструкцией первичного преобразователя.
Перемещения в ВОД могут регистрироваться с использованием различных измерительных схем, среди которых наибольшее распространение получили амплитудная и интерферометрическая.
В амплитудных схемах регистрируется изменение мощности оптического сигнала, вызванное воздействием измеряемой физической величины либо непосредственно на чувствительное оптическое волокно, либо на внешний преобразователь. Основным преимуществом амплитудных датчиков с чувствительным оптоволокном является простота конструкции. Однако достижение в них высокой чувствительности связано с существенным возрастанием требований к источнику оптического излучения и усложнением конструкции актуатора, что приводит к увеличению размеров и стоимости таких датчиков и, в конечном итоге, к ограничению возможных областей их применения.
В амплитудных схемах с внешним преобразователем наибольшее распространение получили первичные преобразователи, в которых используется подвижное зеркало, реагирующее на изменение
внешнего измеряемого воздействия. Перемещение зеркала изменяет эффективное расстояние между излучающим и приемным оптическими волокнами и вызывает модуляцию мощности. Такие преобразователи могут быть выполнены в миниатюрном варианте, что делает их весьма привлекательными для применений в биологии и медицине.
Чувствительность амплитудной схемы с внешним первичным преобразователем в значительной степени определяется взаимным расположением оптических волокон и подвижного зеркала. Так, в наиболее простом варианте с параллельным расположением оптических волокон максимальная крутизна нормированного коэффициента передачи оптической мощности, определяющая чувствительность схемы к перемещению зеркала, составляет порядка 0,004-0,006 мкм"1. Для сравнения, в амплитудной оптической схеме при расположении излучающего и приемного волокон под углом, близким к 60° эта величина примерно на порядок больше и составляет 0,03-0,04 мкм-1 [1].
Примером амплитудного ВОД с расположением оптических волокон под углом может служить высокочувствительный микрофон разработки фирм РЬопе-Ог и 8еппЬе1зег (рис. 1).
Схема датчика включает светоизлучающий диод 1 и фотоприемник 2, подключенные к первичному преобразователю с помощью излучающего и приемного многомодовых оптических волокон соответственно, а также усилитель 3 и фильтры нижних и верхних частот 4, ограничивающие рабочую область частот.
Принцип действия амплитудного датчика представлен на рис. 2. Оптическое излучение от свето-диода передается по оптоволокну к чувствительной мембране, отражается от нее, попадает в приемное оптоволокно и передается к фотодетектору.
При воздействии измеряемого давления происходит перемещение I мембраны, в результате чего принимаемый фотодетектором сигнал Рвых оказывается модулированным по мощности в соответствии с изменением давления во времени.
Основными достоинствами амплитудных ВОД являются относительная простота технической реализации оптико-электронной схемы и ее относительно низкая стоимость. При этом амплитудные датчики имеют значительный динамический диапазон и высокую стабильность характеристик. Не-
Рис. 1
Структурная схема волоконно-оптического амплитудного датчика
№ 1-2(13-14)20 1 |
биотехносфера
Рис. 2
Зависимость выходной оптической мощности от перемещений мембраны
достатки амплитудных ВОД — сложность изготовления и настройки первичного преобразователя и меньшая чувствительность по сравнению с интерференционными датчиками.
В связи с этим для создания высокочувствительных ВОД, когда размеры датчика играют значительную роль, широкое распространение получили схемы интерферометров с внешним первичным преобразователем.
Одним из простейших устройств такого типа можно считать волоконно-оптический торцевой интерферометр (ВОТИ) [2, 3], по сути являющийся двух-лучевым интерферометром Фабри-Перо. В таком интерферометре оптическое излучение частично отражается от торца волокна (первая интерферирующая волна), а частично выходит в свободное пространство и возвращается в торец волокна внешним отражателем (вторая интерферирующая волна).
Отличительная особенность ВОД, построенного по данной схеме, — низкие требования к длине когерентности лазерного излучения, так как разность оптических путей двух интерферирующих волн составляет менее 1 мм. В таких датчиках оптоволокно используется как линия передачи светового излучения до первичного преобразователя, и его длина ограничена только оптическими потерями (0,2-0,3 дБ/км). Такой интерферометр наряду с высокой чувствительностью отличается простой конструкцией, компактностью, устойчивостью к внешним воздействиям, невысокой стоимостью и может служить основой построения широкого класса датчиков физических величин.
Принцип действия ВОТИ состоит в следующем (рис. 3). Излучение лазерного диода 1 вводится в оптическое волокно 2 и через разветвитель 3 передается на волокно 4. При этом часть излучения отражается от торца оптоволокна 4, а другая его часть высвечивается в воздух, отражается от зеркала 5 и возвращается обратно в оптоволокно 4. Излучение, отраженное от торца оптоволокна, ин-
3 4
Рис. 3\ Схема построения ВОТИ
терферирует с излучением, отраженным от зеркала, и на фотоприемнике 6 регистрируется мощность изучения, изменяющаяся в зависимости от расстояния I между торцом волокна и зеркалом.
Следует отметить, что в общем случае результат интерференции представляет собой суперпозицию не двух, а нескольких волн, возникающих в результате многократных переотражений светового пучка между торцом волокна и зеркалом.
Это необходимо учитывать особенно при малых расстояниях I, поскольку по мере его уменьшения размах интерференции подавляется за счет вторичных переотражений. Однако на достаточном удалении зеркала от торца оптоволокна (при 1>1гр ~ 2,5/0) с высокой степенью точности можно принимать в расчет только первое отражение.
В области I > 1гр мощность изучения, регистрируемую на фотоприемнике и изменяющуюся в зависимости от расстояния I, с высокой точностью можно представить соотношением [3]:
Р = р + Р2 + 2Гу/Рр cos (4ni / X),
(1)
где Pi и Р2 — мощности излучений, отраженного от торца волокна и возвращенного в волокно после отражения от зеркала соответственно; Г — степень когерентности отраженного и возвращенного излучений (для малых расстояний можно полагать Г~ 1); X — длина волны излучения лазера.
Из соотношения (1) нетрудно заметить, что смещение зеркала на половину длины волны света изменяет разность фаз интерферирующих лучей на 2п, что соответствует одному периоду вариации интенсивности излучения на фотоприемнике. Зависимость уровня сигнала на фотоприемнике от расстояния между торцом волокна и зеркалом, приведенная на рис. 4, показывает, что для достижения минимума искажений сигнала необходимо рабочую точку выбирать на расстоянии, кратном X/8, а амплитуда перемещений зеркала должна находиться в квазилинейной области изменения уровня сигнала.
Для ВОТИ мощность света, отраженного от торца волокна,
Pi = ЛРо, (2)
а мощность света, отраженного от зеркала Р2 = (1- В)2В iG ( I ) Ро,
(3)
где Р0 — мощность излучения, подводимого к торцу волокна; и Л — коэффициенты отражения
Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе
Рис. 4
Зависимость уровня сигнала от перемещении зеркала
зеркала и торца волокна соответственно (в случае кварцевого волокна Я = 0,036 — френелевский коэффициент отражения границы раздела «кварц— воздух»); 0(1) — коэффициент передачи оптического излучения, обусловленный расходимостью излучения в свободном пространстве и зависящий от расстояния I. Для плоского зеркала и одномодово-го волокна этот коэффициент имеет вид [4]
О И) - 1
1+(I / Iq )2'
где Iq = 2ппш2/Х, где п — показатель преломления; ш — радиус поля оптической моды в волокне. Численно для стандартного кварцевого одномодового волокна при X = 1,55 мкм, п = 1,468 и ш = 5,2 мкм параметр Iq ~ 80 мкм.
Совместное рассмотрение соотношений (1)-(4) позволяет проанализировать функцию отклика Р(1) ВОТИ в широком диапазоне расстояний I. Нетрудно видеть, что она содержит быстро осциллирующую интерференционную составляющую, пропорциональную cos (4tcZ/X), ограниченную сверху и снизу огибающими линиями интерференционных максимумов Ртах и минимумов Pmin, определяемых из условий:
; = Рх + Р2 + 2/^";
t=px + Р2•
(5)
Важными параметрами интерференционной картины являются ее размах
Ртах Pmin 4 V'
(6)
а также «видность», которая определяется соотношением
V =
(Р™
Р • )
rrn Л /
(Р + Р • )
v max mm '
Анализ соотношения (7) показывает, что наилучшая «видность» полезного сигнала на выходе
фотоприемника V = 1 будет наблюдаться при некотором оптимальном расстоянии ¿оПТ от зеркала до торца волокна, когда Рт±п = 0 или с учетом (1)-(5) когда мощности Р1 = Р2. Приравняв Р1 = Р2 и подставив в это равенство соотношения (2)-(4), определим оптимальное расстояние:
R (1 - R Г - R
R '
Численно для практически важного случая при Я = 0,036 и Я = 1 имеем ¿оПТДо = 5,1. При использовании кварцевого одномодового оптоволокна 1о ~ 80 мкм и оптимальное расстояние от торца оптоволокна до зеркала 1оПТ ~ 410 мкм.
Следует заметить, что «видность» У(1) в зависимости от расстояния изменяется медленно по сравнению с мощностью излучения на фотоприемнике Р(/) и может быть определена экспериментально. Измерения показали, что максимальная «видность» порядка единицы достигается на расстоянии I ~ 5¿о, что хорошо согласуется с результатами расчетов. При этом зона с «видностью» по уровню более 0,9 составила диапазон расстояний от 2,5£о до 8£о.
Теперь оценим зависимость отношения сигнал/ шум от расстояния I в ВОТИ, поскольку именно этот параметр определяет минимальное регистрируемое перемещение.
Общие шумы оптико-электронной схемы можно разделить на темновые шумы электронного блока и оптические шумы, обусловленные оптической засветкой приемного фотодиода. Одной из основных особенностей ВОТИ является наличие значительной постоянной засветки фотоприемника оптическим излучением лазера, которая и вносит определяющий вклад в интегральный уровень шума датчика.
С учетом этого оценка отношения сигнал/шум оптико-электронной схемы ВОТИ в области расстояний I > ¿гр может быть выполнена на основе анализа выражения для мощности оптического излучения на выходе ВОТИ (1). Производная этой функции, является крутизной характеристики преобразования линейного перемещения в изменение мощности оптического излучения и определяет уровень выходного сигнала ВОТИ, а мощность излучения в рабочей точке характеризует уровень шумов датчика. Методы стабилизации рабочей точки интерферометрической схемы и способы компенсации влияния возможных отклонений можно найти в [5, 6].
Выполнив необходимые преобразования выражения (1), получим (с точностью до постоянного коэффициента) выражение для отношения сигнал/ шум [1]:
С/Ш - 4п/Х
(Р - Р • )
^гпях mm /
( Р
+ Р •
max rain
= 2S Т,
где = 2п/Х — крутизна характеристики, нормированная к размаху интерференционной карти-
№ 1-2 (13-143/2011 |
биотехносфера
ны (6). Этот параметр для двухлучевого ВОТИ в области расстояний I > ¿гр зависит только от длины волны и для Х = 1,55 мкм в'^4,05 мкм"1, что примерно на два порядка лучше, чем для амплитудной схемы.
Таким образом, как видно из выражения (9), максимальное отношение сигнал/шум в ВОТИ достигается при том же оптимальном расстоянии от торца оптоволокна до зеркала, при котором наблюдается максимальная «видность» интерференционной картины.
Соотношение (8) имеет важное практическое значение. Дело в том, что при настройке интерферометра затруднительно непосредственно измерить расстояние ¿опТ, тем более что оно рассчитано при некоторых допущениях (отражение от зеркала предполагалось идеальным) и на практике может отличаться от расчетного. Технологически гораздо проще при настройке расстояния выполнить условие Рт1п = 0. Для этого достаточно приложить к зеркалу любое переменное перемещение в пределах нескольких периодов характеристики и добиваться получения минимального уровня выходного напряжения.
С учетом полученных результатов и методик настройки была разработана конструкция датчика перемещений на основе ВОТИ с оптимальным расстоянием от торца оптоволокна до зеркала. В таком интерферометрическом датчике расстояние 1опТ от выходного торца оптического волокна до зеркала устанавливается в соответствии с формулой
ZonT = 0,125А/ ± 0,075А,
(9)
где ] — нечетное число из экспериментально установленного интервала от 1001 до 3001 [7].
Оценим чувствительность разработанного датчика перемещений. С учетом того что при оптимальном расстоянии (¿опт/г0 = 5)Р1 = Р2 = Ро, мощность сигнала Рс можно определить из выражения (1): Рс = = ЫйР/й1 = 25/Ро(4яД). Мощность шума можно определить из соотношения Рш = Ртах^ш.н ~ 4Ро^ш.н, где иш н — напряжение собственных шумов, нормированное к размаху интерференционного сигнала. Измерения с выбранным оптимальным расстоянием от торца оптоволокна до зеркала показали, что нормированное напряжение собственных шумов иш н составляет приблизительно 10_4 в полосе частот 10 кГц. Отсюда при условии Рс/Рш = 1 получим значение минимального регистрируемого перемещения датчиком на основе ВОТИ:
61 = Х/2пишн ~ 0,025 нм при Х= 1550 нм.
Следует особо подчеркнуть, что при построении волоконно-оптической схемы ВОТИ могут быть использованы элементы (лазер, разветвитель, коннекторы и т. д.), доступные в свободной продаже. Это обстоятельство дает возможность конструирования универсального высокочувствительного волоконно-оптического модуля измерения перемещений, при-
годного для использования в различных видах датчиков и систем. У этих датчиков измеряемая величина (например, давление), порог чувствительности и диапазон измерений будут определяться конструкцией первичного преобразователя и могут изменяться в широких пределах.
2. Волоконно-оптический микромеханический микрофон
Для достижения высокой чувствительности датчика к переменному давлению необходим мембранный элемент, который будет обеспечивать большое линейное перемещение мембраны даже при малом изменении внешнего давления. Примером таких мембран, изготовленных по MEMS-технологиям (Micro-Electro-Machining System), являются микромембранные элементы (рис. 5), которые используются в микрофонах SOM фирмы Р^пе-Or.
Микромембранные элементы изготавливаются из пластины кремния с применением интегрально-групповых методов и технологий объемной микромеханики [5]. Вначале на лицевой стороне пластины кремния вытравливаются углубления в виде нескольких концентрических колец заданной ширины и глубины. Затем на пластине кремния со стороны углублений формируется слой Si3N4 толщиной 0,2-0,3 мкм. После этого в центральной части каждого элемента осаждается слой металла. Наконец, с тыльной стороны пластины стравливается кремний, в результате чего получается тонкая гофрированная мембрана из Si3N4 с отражающей областью в центре, которая закреплена на кремниевом основании.
На рис. 6 приведена фотография микромембранного элемента, изготовленного в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ», специально для волоконно-оптического микрофона. Результаты экспериментальных исследований пока-
Активная чатъ мембраны
Круговой гофр
Рис. 5
Внешний вид и конструкция мембран, изготовленных по MEMS-технологиям
Рис. б | Мембранный элемент
зали, что в зависимости от конструкции изготовленные мембраны могут иметь подвижность от 0,1 до 10 мкм/Па при диаметре не более 5 мм.
Конструкция первичного преобразователя интер-ферометрического датчика переменного давления (микрофона) приведена на рис. 7. В качестве основы первичного преобразователя, выполненного на конце одномодового оптоволокна, может быть использован промышленно выпускаемый керамический капилляр, который обычно применяется как один из элементов стандартных оптоволоконных разъемов типа FC/UPC. Вначале этот капилляр соединяют со стандартным одномодовым оптоволокном 9/125 мкм с помощью клеевого соединения, а затем торец оптоволокна полируют с использованием стандартного оборудования (промышленного или ручного портативного) и известной отработанной технологии в целях создания зеркально-отражающей поверхности для оптического излучения. Затем мембранный элемент с помощью клея соединяют с промышленно выпускаемым керамическим центратором, который обычно является составной частью соединительной оптоволоконной розетки FC.
На завершающем этапе центратор вместе с закрепленным на нем мембранным элементом устанавливается на керамический капилляр, после чего производится окончательная настройка первичного преобразователя.
Таким образом весьма просто может быть изготовлен миниатюрный микромеханический первичный преобразователь на конце одномодового оптоволокна, другой конец которого оканчивается оптической соединительной вилкой для подключения к оптико-электронному блоку. Фотографии первичного преобразователя с мембранными элементами различных размеров приведены на рис. 8.
Капилляр
Центратор
Мембранный элемент
Оптоволокно
Рис. 7
Конструкция первичного преобразователя волоконно-оптического микрофона
Рис.
Первичные акустические преобразователи с мембранными элементами 2,5 х2,5 мм (а) и 4 х4 мм (б)
Типовые амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) чувствительности, собственных шумов и уровня эквивалентного звукового давления различных образцов волоконно-оптических микрофонов приведены на рис. 9-11. Частотная неравномерность чувствительности обусловлена собственным резонансом используемых мембранных элементов.
Уровень эквивалентного звукового давления Рэкв волоконно-оптических микрофонов на рис. 11 при-
150
к
? 140
130
S в
§ 120
110
£
100
100
1000 Частота, Гц
10 000
Рис. 9\ АЧХ чувствительности микрофона (три образца)
100
1000 Частота, Гц
10 000
Рис. 10 | АЧХ собственных шумов
100
1000 Частота, Гц
10 000
Рис. 11
Уровень эквивалентного звукового давления, обусловленный собственными шумами
веден в децибелах относительно порога слышимости 2 • 10"5 Па.
Приведенные типовые характеристики и рассчитанные значения интегрального уровня эквивалентного звукового давления, обусловленного собственными шумами микрофонов в рабочей полосе частот, свидетельствуют об их чрезвычайно высокой чувствительности (порядка 20-24 дБ). Измеренный динамический диапазон микрофонов составил 60-65 дБ.
3. Волоконно-оптический микромеханический виброметр
В биологии и медицине существует ряд задач, решаемых с помощью вибродатчиков или акселерометров. К ним можно отнести, например, прослушивание и регистрацию шумов легочного дыхания и сердечных сокращений с помощью стетоскопа.
Для проведения подобных измерений разработано большое количество вибродатчиков различных типов. Они должны быть чрезвычайно чувствительными при широкой полосе анализа (до 20 кГц). Уровень собственного шума таких приборов должен быть чрезвычайно низок. При этом шумовые характеристики всей системы детектирования (включая источник питания и тракт передачи сигнала) гораздо важнее, чем отдельно взятые характеристики датчика.
Традиционно для решения таких задач используются пьезоэлектрические вибродатчики. Однако в тех случаях, когда первичный преобразователь находится на значительном удалении от блока сбора и обработки данных, а также при работе в условиях значительных электромагнитных помех и при недопустимости металлических токоведущих частей, применение пьезоэлектрических датчиков оказывается невозможным.
В этих случаях оправдано применение волоконно-оптических вибродатчиков (акселерометров), которые наряду с высокой чувствительностью обладают рядом особенностей:
• возможностью длинной (десятки метров) оптической линии связи между первичным преобра-
зователем и устройством сбора данных без возникновения дополнительных собственных шумов;
• полной невосприимчивостью к электромагнитным помехам;
• полным отсутствием токоведущих и вообще металлических частей, что дает им преимущества перед датчиками других типов.
Поскольку при таком применении одним из важнейших параметров является высокая пороговая чувствительность, для построения волоконно-оптических вибродатчиков целесообразно использовать интерференционную оптическую схему. На первый взгляд, задача выглядит простой — достаточно в обобщенной схеме датчика давления (микрофона) заменить элемент, чувствительный к давлению, элементом, чувствительным к ускорению а, т. е. с передаточной функцией типа I = /(а). В качестве такого элемента может служить, например, инерционная масса т на упругом подвесе.
На самом деле все обстоит несколько сложнее. Дело в том, что в такой простой одноступенчатой схеме существует фундаментальное противоречие между чувствительностью (большая масса, гибкий подвес) и частотой собственного резонанса такого элемента. Чем выше чувствительность, тем ниже частота резонанса. Поскольку этой частотой ограничивается диапазон рабочих частот датчика, требования высокой пороговой чувствительности и широкой полосы частот зачастую противоречат друг другу.
Преодолеть это противоречие можно путем использования какого-либо промежуточного звена преобразования, выполняющего функцию своеобразного «трансформатора» какой-либо физической величины. В отношении перемещения примером такого преобразователя может служить рычаг, а применительно к давлению — гидравлический домкрат.
Для описания характеризующей виброметр новой связи I = /(а) введем новое обозначение (по аналогии с подвижностью мембраны М = 1/р для датчика давления). В дальнейших расчетах будем использовать более привычное обозначение для перемещения х(1 = х). Назовем эту величину чувствительностью вибропреобразователя Ба. Итак,
Ба = х/а.
Единица измерения этой величины — с2. Для описания вибродатчика исследуется ее зависимость от частоты /, в том числе статическая чувствительность (при / = 0) и резонансная частота /д, трактуемая как верхняя граница частотного диапазона.
Судя по единице измерения физически измерить величину Ба нельзя. Выходное напряжение опто-электронного вибродатчика в этом случае запишется как
Uвых(а) = AUS' Saa.
(10)
Введем также дополнительные обозначения, которые пригодятся в дальнейшем для описания характеристик вибродатчика: S^ = AUS' Sa — воль-
Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе
1т
Рис. 12
Механическая схема — аналог простого вибродатчика
товая чувствительность датчика, «н = «' «а — нормированная вольтовая чувствительность датчика. Физический смысл их очевиден. И, наконец, определим пороговую чувствительность вибродатчика по ускорению Аа. Она определится из условия иш = = «д8а. С учетом введенных обозначений, можно записать
8а = ишн/Ян = иШн/& «а-
(11)
Напряжение нормированных шумов иш н может быть определено экспериментально, «' = 2п/Х для датчиков интерференционного типа. Поэтому следует приступить к расчету «а.
Простейшая модель конструкции вибродатчика — пружинный маятник. Механическая схема конструкции простого вибродачика представлена на рис. 12. Вибрация платформы под действием внешнего ускорения а приводит к периодическому смещению х инерционной массы т. Она подвешена на пружине (подвесе) с жесткостью к и демпфирующим элементом с коэффициентом вязкого трения ц. Смещение х инерционной массы относительно вибрирующей платформы представляет собой разность абсолютного движения платформы и массы по отношению к неподвижной «земле».
Переход в неинерциальную систему координат, связанную с подвижной платформой, осуществляется путем добавления «сил инерции» ¥ = та. Смещение х инерционной массы т под действием силы ¥ определяется уравнением
тх + цх + кх = та.
(12)
Решением этого уравнения будут гармонические колебания с резонансной частотой Шд при малых значениях параметра ц:
ш,
т.
(13)
Эффективное измерение смещения х в качестве выходного параметра преобразователя возможно лишь до резонансной частоты. При измерении смещения х в качестве выходного параметра его чувствительность определится как отношение х к измеряемому ускорению а: «а = х/а. В области низких частот (ш « Шд)
5« = 1 / •
(14)
Полученное выражение определяет физическое ограничение на повышение чувствительности вибропреобразователя при заданном диапазоне рабочих частот.
Оценим статическую чувствительность «а вибропреобразователя из его резонансной частоты. Для этого примем /д = 10 кГц в расчете приемлемого падения чувствительности на 20 кГц после резонанса. Получим: «а = 1/(2^/д)2 = 2,5 • 10"1д м/(м/с2) = = 2,5 нм/£, где g = 9,8 м/с2. Повысить чувствительность можно лишь при уменьшении резонансной и, следовательно, рабочей частот преобразователя.
Из сравнения расчетной и требуемой чувстви-тельностей можно оценить предельное значение измеряемого ускорения 8а = 8х(2п/д)2 в зависимости от резонансной частоты вибропреобразователя /д.
Требуемое значение предельно измеряемого ускорения реализуется при резонансной частоте вибропреобразователя /д около 300 Гц. При резонансной частоте /д = 10 кГц предельно измеряемое ускорение 8а = 1,2 • 10_2 м/с2, что на три порядка хуже требуемого значения 8а = 1 • 10_5 м/с2.
Требования высокой чувствительности вибропреобразователя и широкой рабочей полосы частот противоречивы. Можно ввести в рассмотрение условный показатель качества вибропреобразователя В = «аШд. Для простого маятника В = 1.
Возможное решение проблемы заключается в преобразовании смещения х инерционной массы в перемещение другой отражающей поверхности для оптической фиксации сигнала. Это преобразование должно сопровождаться большим усилением перемещения (1000 раз), без значительных инерционных элементов и силового воздействия на выходе. Различные механические схемы преобразования перемещения требуют значительного увеличения габаритных размеров или прецизионного контроля параметров и технологии изготовления.
В качестве одного из возможных технических решений, позволяющих преодолеть отмеченные ограничения, можно рассмотреть схему вибродатчика, в котором вместо непосредственного измерения перемещения инерционной массы осуществляется двойное преобразование. В этом случае инерционная масса расположена на подвижной мембране, замыкающей некоторый замкнутый объем. При ее смещении давление воздуха в этом объеме изменяется. Это изменение, в свою очередь, измеряется волоконно-оптическим датчиком переменного давления. В целом все устройство работает как вибродатчик или акселерометр. Условно его можно назвать пневматическим (рис. 13).
Замкнутый воздушный объем заключен между двумя мембранами различной площади и упругости. Площадь одной мембраны обозначим «1, другой «2. Подвижность мембраны площадью «2 будем считать много больше упругости межмембранного объема. В частности, это может быть поршень, перемещающийся без трения. Рабочий зазор между
в2
Рис. 13 | Двухмембранный пневматический вибродатчик
мембранами хд, и, следовательно, между ними заключен объем Уд = Хд,
Расчет статической пороговой чувствительности схемы может быть выполнен на основе равновесия между силами инерции и упругости мембраны 1 площадью Несложный расчет приводит к выражению
Ба = Мт/^2,
где М = 10м/Па — подвижность микромембран.
Для повышения чувствительности вибропреобразователя можно варьировать $2 и т, при этом $2 надо уменьшать, а т — увеличивать (с точки зрения статической чувствительности). Наример, при $2 = 2 см2 и т = 5 г получим 5а = 10_5 м/с2, т. е. при этих значениях статическая чувствительность велика.
Рассчитаем резонансную частоту такого акселерометра.
Колебания массы т происходят под действием силы упругости вследствие переменного давления Ар. Расчет основан на формуле для адиабатического расширения АрУд = АУрд, где рд — начальное давление (атмосферное давление,рд = 105 Па).
Коэффициент упругости к в результате можно найти по формуле
к _ $!РО
М^р0 + ХдБ2 '
Частота резонанса такого вибропреобразователя по-прежнему определяется как Шд = ^к / т. Упругость зависит только от геометрических факторов. Раскрывая выражение для к, получим
ю2 = А =_1_
0 т ^ (^ / + х0 / Мр0)' откуда введенный ранее показатель качества
в = Ба ш2 = (^ / + х0 / Мр0 Г1.
Таким образом, хотя обратная зависимость чувствительности и резонансной частоты сохраняется, показатель качества в этом случае существенно зависит от геометрических параметров вибропреобразователя и может на порядки превышать это значение для простого маятника. Для достижения максимальной величины В следует уменьшать зазор Хд и увеличивать площадь второй мембраны $2. Предельные значения этих величин обуславливаются конструктивными возможностями. Например, при хд = 10-4 м, М = 10-7 м/Па и Бх/Б2 = 10-3 показатель В = 100.
Пороговая чувствительность интерференционного оптического метода измерения перемещения [1] 5х = 2,5 • 10_11 м в полосе частот 10 кГц. Для других полос (в предположении равномерного шума) эту величину легко пересчитать: 5х = 3,5 • 10_11 м в полосе 20 кГц; 5х = 1,6 • 10_11 м в полосе частот 4 кГц и т. д.
Ряд параметров в расчете меняется мало (это квазиконстанты): атмосферное давление рд = 105 Па; площадь основной (первой) мембраны $1 = 10_6 м2; ее подвижность (упругость) М = 10_7 м/Па. Дополнительные параметры, которые можно варьировать в разумных пределах: площадь второй мембраны $2 и рабочий зазор хд. Меньше хд = 3 • 10_4 м технически сделать трудно.
Некоторые численные результаты: при т = 10 г 5а = 1,8 • 10_5 м/с2, /д = 0,8 кГц; при т = 1 г 5а = = 2 • 10-4 м/с2, /д = 2,5 кГц.
Из приведенных расчетов можно сделать вывод о том, что требования высокой пороговой чувствительности и высокой резонансной частоты в данной схеме датчика (а вероятно, и в любой другой схеме, основанной на измерении перемещений) противоречивы и не могут быть выполнены одновременно. В то же время показатель качества В в такой схеме может быть существенно (на два порядка и более) увеличен по сравнению со схемой простого пружинного маятника. Это свидетельствует о реализации эффекта трансформации перемещения чувствительного элемента в данной схеме и обосновывает утверждение о перспективности ее использования для построения высокочувствительных вибродатчиков.
В процессе исследований возможных способов построения волоконно-оптических акселерометров был разработан ряд экспериментальных конструкций первичных вибропреобразователей, основанных как на принципе простого пружинного маятника в микромеханическом исполнении, так и на схеме двойного преобразования с использованием двух подвижных элементов с воздушным зазором между ними.
Конструкция виброметра в микромеханическом исполнении. Основой микрооптомеханического преобразователя является подвижная инерционная масса, подвешенная к корпусу преобразователя с помощью упругих элементов. В результате воздействия на такую конструкцию ускорения должно происхо-
дить его преобразование в соответствующее перемещение инерционной массы относительно корпуса. При этом конструкция преобразователя должна учитывать большое число различных технических требований: высокую чувствительность, механическую прочность, воздушное демпфирование колебаний, технологические требования и т. д.
Для обеспечения высокой чувствительности может быть использована схема с консольным подвесом инерционной массы или симметричная мостовая схема с подвесом на двух балках. Сравнение конструкции первичного преобразователя, выполненной по мостовым схемам с использованием четырех и более упругих элементов, показало, что подвес на струнах с точки зрения соотношения между их прочностью и преобразованием ускорения в перемещение инерционной массы предпочтительнее, чем подвес на балках.
Струны и другие элементы конструкции преобразователя можно изготавливать из различных материалов (81, 81з^, 8Ю) или композиций материалов с использованием стандартных групповых технологий микроэлектроники. В ходе технологических операций получения этих элементов задаются различные встроенные внутренние напряжения, которые будут определять перемещение инерционной массы и прочность конструкции преобразователя.
Для минимизации поперечной чувствительности инерционная масса должна крепиться периферийно с помощью струнной симметричной схемы подвеса. Струны лучше крепить в углах инерционной массы, что обеспечит более высокую прочность конструкции, при этом остаточные деформации частично устраняются поворотом инерционной массы относительно активной оси. Для обеспечения подвеса, симметричного относительно центра тяжести инерционной массы, струны были закреплены как в верхней, так и в нижней плоскости кристалла. Технологию изготовления микромеханического преобразователя можно найти в работе [8].
Для защиты механической системы от перегрузок и случайных ударных воздействий были разработаны специальные «крышки», ограничивающие свободное перемещение инерционной массы. В нижней крышке сформировано отверстие для закрепления торца оптического волокна. Общий вид конструкции микрооптомеханического преобразователя вместе с крышками и подведенным к нему оптоволокном представлен на рис. 14.
Конструктивные параметры первичного преобразователя с подвесом инерционной массы на струнах [8]
Габаритные размеры первичного преобразователя, мм........................5x5x0,4
Инерционная масса, мг..............................3,5
Размеры инерционной массы, мм ..............2x2
Число струн..............................................8
Длина струны, мкм ..................................500
Ширина струны, мкм................................200
Толщина струны, мкм ..............................0,4
\ \
1///Л//Г
/-- Ц-N
Рис. 14
Общий вид конструкции микрооптомеханического преобразователя в сборе:
1 — инерционная масса; 2 — упругие элементы; 3 — неподвижная рамка; 4 — крышки; 5 — капилляр
с оптоволокном
Для этих параметров чувствительность первичного преобразователя Ба ~ 30, а основная резонансная частота будет составлять около 3 кГц. В этом случае для чувствительности оптико-электронной схемы 8х ~ 0,025 нм минимальное значение измеряемого ускорения составит 8а ~ 8 • 10_4 я.
Конструкция двухмембранного вибродатчика. Поскольку в самой идее двухмембранного пневматического акселерометра (см. рис. 13) лежит двойное преобразование, т. е. реализуется алгоритм: перемещение ^ давление ^ перемещение, представляется целесообразным в качестве первичного преобразователя для второго звена использовать акустический преобразователь одноканального интер-ферометрического датчика, конструкция и эскиз которого приведены выше. В дальнейшем этот узел конструкции вибродатчика будем называть акустическим микросенсором и на эскизах станем выделять в отдельный фрагмент.
Отличие такого виброакустического датчика состоит в том, что кроме акустического микросенсора присутствует поршень, который передает вибрации через воздушный зазор акустическому микросенсору. Такой вибродатчик называется датчиком пневматического типа.
В целях минимизации толщины межмембранного промежутка Х0, значение которого согласно расчетам имеет решающее значение для повышения показателя качества двухмембранного вибропреобразователя, была разработана конструкция, в которой межмембранный зазор формировался за счет конечной неплоскостности прилегающих плоскостей — стенки корпуса (листовой поликарбонат) и подвижной мембраны с закрепленным на ней грузом (инерционной массой). Его средний размер был оценен ~ 10 мкм по интерференционной картине в проходящем свете. Эскиз этого вибропреоброзователя показан на рис. 15.
Для сравнения приведем (рис. 16) фотографию аналога разработанных вибродатчиков — стетоскопа Г08 производства фирмы Winkelmann (Великобритания).
№ 1-2(13-14)20 1 |
биотехносфера
Поверхность гладкая (исходная)
Рис. 15 Макет виброакустического датчика типа Ь:
1 — крышка; 2 — кольцо; 3 — корпус; 4 — акустический микродатчик; 5 — инерционная масса; 6 — мембрана; К1 —межмембранный зазор; У1 — подмембранный объем
Стетоскоп РОБ также построен по двухмембран-ной схеме, что косвенно свидетельствует о правильности теоретических предпосылок, положенных в основу проектирования волоконно-оптических вибродатчиков. Для справки приведем его технические характеристики: диапазон рабочих частот (± 10 дБ) 200-5000 Гц; чувствительность по линейному выходу более 10 мВ СКЗ; контролируемое усиление более 45 дБ; собственные шумы (СКЗ) до 5 • 10_5 £; плотность собственных шумов (2005000) Нг < 0,15 • 10"6 £/(Гц)1/2; Источник питания 9-15 ВБС; потребляемая мощность до 0,8 Вт; температурный диапазон работы от -20 °С до +60 °С; длина оптоволокна 5 м и больше; высота чувствительной головки 20 мм, диаметр — 35 мм; масса головки РОБ 16 г; габаритные размеры оптико-электронного блока 17,3 х 9 х 2,7 см; масса оптико-электронного блока 430 г.
Следует отметить, что теоретические расчеты носят оценочный характер, поскольку исходят из идеализированной модели датчика. В действительности
Рис. 16 \ Волоконно-оптический стетоскоп
остаются неучтенными параметры реальных элементов конструкции (например, конечная упругость материала корпуса). Поэтому теоретические расчеты обязательно требуют экспериментального подтверждения путем физического измерения параметров и характеристик изготовленных экспериментальных макетов, для чего был создан автоматизированный лабораторный стенд.
Созданная установка обеспечивала:
• получение АЧХ чувствительности и другие характеристики образца вибродатчика; в автоматическом режиме за короткий промежуток времени и с высокой точностью;
• сохранение полученных данных в числовой или графической форме для последующей обработки;
• наглядность влияния тех или иных конструктивных изменений макета вибродатчика на его АЧХ чувствительности;
• калибровку и измерение параметров любых вибродатчиков с различными чувствительностями и частотными диапазонами.
Экспериментальные результаты
Сначала приведем данные измерений простого маятникового микромеханического вибродатчика. Экспериментальные данные измерений АЧХ чувствительности Бд, В/я, волоконно-оптического вибродатчика и минимально измеряемого ускорения 5а(мя = 10_3я), обусловленного его собственным шумом, представлены на рис. 17. Их анализ показывает хорошее соответствие результатам теоретических расчетов [5а ~ (3 ^ 5) • 10_4я и /р ~ 3 кГц), что свидетельствует об адекватности принятой расчетной модели микро-оптомеханического преобразователя и правильности выбранной технологии его изготовления.
Экспериментальные исследования изготовленного волоконно-оптического вибродатчика с микроопто-механическим первичным преобразователем показали его работоспособность и относительно высокую чувствительность. Значения минимально измеряемого ускорения вибродатчика с первичным преобразователем размером 5 х 5 х 1,5 мм составили менее 10_3я(10_2 м/с2) в полосе частот до 5 кГц.
Полученные экспериментальные результаты подтверждают правильность теоретических расчетов и показывают возможность построения миниатюрных волоконно-оптических вибродатчиков с микроопто-механическими первичными преобразователями. Они могут обеспечить существенное уменьшение массы и габаритных размеров первичных преобразователей по сравнению с другими аналогами.
В то же время экспериментальные данные подтверждают вывод о том, что в случае простого маятникового первичного преобразователя достичь одновременно высокой пороговой чувствительности и широкой полосы рабочих частот невозможно. Для достижения этой цели следует использовать более сложные типы преобразователей.
а) в/ш
Л
\
1 1
-< —т<
—ч У Л; К [— »Г
Ч?' / 2 Л
100 1000 10 ООО
Гц
Рис. 17 Амплитудно-частотная характеристика чувствительности волоконно-оптического
вибродатчика с микрооптомеханическим первичным преобразователем (а) и минимально измеряемое ускорение (б): 1,2 — измеренные образцы [8]
На следующем этапе работы проводились исследования двухмембранных вибродатчиков (рис. 13).
В процессе экспериментальных исследований варьировали как инерционную массу, так и толщину рабочего межмембранного зазора.
В результате была разработана конструкция заключительного макета пневматического вибродатчика, получившая условное наименование Ь (см. рис. 15).
Корпус вибродатчика Ь выполнен из поликарбоната и состоит из трех основных конструктивных узлов — крышки, кольца и основания. Мембрана толщиной 0,3 мм выполнена из пластика. Масса груза для модификации Ь 2,5 г. Она располагается с нижней стороны мембраны. Результаты его экспериментальных измерений представлены на рис. 18.
Сопоставление теоретически рассчитанных характеристик вибродатчиков с результатами их экс-
периментальных исследований показало их существенное отличие как по характеру зависимостей, так и по значению минимально измеряемого ускорения. Реальная АЧХ вибродатчиков носит ярко выраженный многорезонансный характер, не отраженный в теоретической модели. Это свидетельствует о том, что при выборе теоретической модели допущены чрезмерные упрощения и не учтены неизвестные существенные факторы.
Данные экспериментальных исследований вибродатчиков тем не менее свидетельствуют о перспективности вибродатчиков данного типа. Так, разработанные пневматические датчики, которые имеют пороговую чувствительность 3 • 10_5 м/с2 в диапазоне частот 0,2-9 кГц и 10_3 м/с2 в диапазоне частот 10-20 кГц, демонстрируют уверенное превосходство по сравнению с референсным импортным виброметром Е08 на 3-5 дБ.
Рис. 18
Абсолютная (а) и пороговая (б) чувствительности вибродатчика (б верхняя кривая) в диапазоне до 10 кГц
Ь в сравнении со стетоскопом ТОБ
№ 1-2(13-14) 2:11
биотехносфера
Заключение
Для технической реализации потенциальных преимуществ волоконно-оптических виброакустических систем (микрофонов и вибродатчиков) необходимы проведение дальнейших исследований, совершенствование их конструкции, организация мелкосерийного производства и испытания в условиях реальных практических задач. В этом случае они могли бы существенно обогатить инструментарий медико-биологических исследований и медицинской практики.
|Л и т е р а т у р а |
1. Ветров А. А., Сергушичев А. Н., Ширшов А. А. Волоконно-оптические виброакустические датчики. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 168 с.
2. Волоконно-оптический микроинтерферометр как основа построения высокочувствительных сенсоров/А. А. Вет-
ров, С. С. Комиссаров, В. В. Лучинин, А. Н. Сергушичев // Тез. докл. 6-й МНТК «Квантовая электроника — 2006», 14-17 ноября 2006. Минск, 2006. С. 117.
3. Ветров А. А., Комиссаров С. С., Сергушичев А. Н. Волоконно-оптический торцевой интерферометр — универсальный элемент построения датчиков смещения// Опт. журн. 2008. Т. 75, № 1. С. 3-6.
4. Оптика и связь /А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо. М.: Мир, 1984.
5. Пат. РФ № 2 279 112. Волоконно-оптическая сенсорная система / А. А. Ветров, С. С. Комиссаров, В. В. Лучинин, А. Н. Сергушичев. От публ. 27.06.2006. Бюл. № 18.
6. Пат. РФ № 2 305 253. Волоконно-оптическая сенсорная система / А. А. Ветров, В. К. Ильков, С. С. Комиссаров, В. В. Лучинин, А.Н. Сергушичев, А.А. Ширшов. Опубл. 27.08.07. Бюл. № 22.
7. Пат. РФ № 2365064. Оптический микрофон и способ изготовления его звукочувствительной мембраны/ А. А. Ветров, А. Н. Сергушичев, А. А. Ширшов и др. Опубл. 20.08.09. Бюл. № 23.
8. Волоконно-оптический вибродатчик на основе микрооп-томеханического преобразователя/А. А. Ветров, С. С. Комиссаров, А. В. Корляков, А. Н. Сергушичев // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 8 (85). С. 8-13.
