METROLOGIA POR FIBRA OPTICA PARA LA DETECCION DE DESPLAZAMIENTOS

La medición de pequeños desplazamientos es un requerimiento indispensable para la caracterización de microdispositivos que en los últimos años, y gracias al avance de la micromecánica y la mecanización del silicio, han venido a sumarse a los sensores y actuadores tradicionales. Muchos de ellos son estructuras de películas delgadas, por ejemplo, sensores con una membrana o una viga, resonadores, motores, bombas, válvulas y acelerómetros [1-3]. La caracterización de estas estructuras depende de la medida precisa de la distribución de deflexiones, producto de la variación de su geometría, la cual se genera en respuesta a una señal eléctrica, mecánica y/o a una radiación de excitación [4]. La óptica de espacio libre ofrece una buena alternativa para la medida de deflexiones en el rango de las micras. En este caso, uno de los problemas a resolver es el de transmisión de la energía luminosa o de imágenes a cierta distancia. Debido a la imposibilidad de obtener haces perfectamente paralelos mediante lentes, el sistema óptico encargado de la transmisión deberá constar de varios subsistemas colocados a distancias prudenciales para evitar la divergencia de los haces y la consiguiente pérdida de energía. Tales subsistemas deben ser alineados muy cuidadosamente; siendo, en general, muy susceptibles a las vibraciones mecánicas y a los cambios de temperatura. Estos problemas encuentran su solución mediante la utilización de fibras ópticas [5-7].

Desde el punto de vista geométrico, en el interior de una fibra óptica la luz se propaga en zigzag debido a los fenómenos de reflexión total que tienen lugar en la superficie lateral de la fibra. Por este motivo las pérdidas son escasas y no le influyen las vibraciones ni la temperatura externa. Teniendo en cuenta estas consideraciones, en este trabajo se plantea el montaje experimental de un interferómetro utilizando la fibra óptica para la caracterización del comportamiento estático de micromembranas termo neumáticas de silicio (Si).
 

A continuación se hace una breve descripción del principio físico de la interferometría por fibra óptica, se presentan las micromembranas de Si que fueron sometidas al proceso de caracterización y se muestra el montaje experimental utilizado. Luego se describe el procesamiento de la señal de interferencia para extractar la información relativa a la deflexión de las membranas y se presentan los resultados experimentales más relevantes.

Metodología

Principio de la interferometría con fibra óptica

Una técnica efectiva para la detección de pequeños desplazamientos se basa en el interferómetro Fabry-Perot formado por el extremo de una fibra óptica de vidrio y una superficie plana reflectante, en nuestro caso la membrana de Si cuyo desplazamiento se desea medir. El uso de la fibra óptica permite la posibilidad de efectuar medidas remotas, en este caso de microdesplazamientos. La figura 1 muestra la configuración de dicho interferómetro.
 

En la figura 1, la luz que emerge del núcleo de la fibra óptica se refleja en la superficie de la membrana (microresonador) y se introduce nuevamente en el núcleo de la fibra óptica. Esta componente de luz reflejada que proviene del exterior de la fibra interfiere constructiva o destructivamente con la componente reflejada en la cara interior del núcleo de la fibra óptica [11]. La mayor o menor interferencia depende de la diferencia de fases de las dos señales que se superponen y que depende del desfase que sufre el haz que emerge al exterior en función de la distancia fibra-membrana.

La figura 2 representa un detalle del extremo de una fibra óptica con un núcleo de radio a separada una distancia D de una superficie reflectora [12]. Los diferentes rayos representan las múltiples reflexiones que se producen entre la cara externa de la fibra y la superficie reflectora. Según la nomenclatura utilizada en [13], se distinguen los siguientes coeficientes de reflexión y transmisión:
 

ri coeficiente de reflexión fibra-aire (incidencia interna)

ti coeficiente de transmisión fibra-aire (incidencia interna)

re coeficiente de reflexión aire-fibra (incidencia externa)

te coeficiente de transmisión aire-fibra (incidencia externa)

rs coeficiente de reflexión en la superficie reflectora

Dada una interfaz de separación entre dos medios de índices n1 y n2, para un rayo incidente con un ángulo q1, los coeficientes de reflexión y transmisión del campo eléctrico para la polarización s, o perpendicular, son:

Se ha presentado la interferometría por fibra óptica como una técnica adecuada para la medida de pequeños desplazamientos en membranas de Si actuadas con una radiación infrarroja.

En el interferómetro por fibra óptica la visibilidad de las franjas de interferencia en función de la distancia entre las membranas y la bombilla, al igual que la distancia entre las membranas y la fibra, son parámetros experimentales a tener en cuenta a la hora de obtener buenos resultados.

Los planos enfrentados de la fibra óptica y la membrana deben estar totalmente paralelos.

Entre las ventajas que ofrece el interferómetro por fibra óptica se puede mencionar la utilización de una óptica integrada, realiza medidas estáticas y dinámicas, permite obtener resultados bastante fiables y es automatizable. Otra ventaja es que la superficie de la muestra (membrana) a medir debe estar pulida pero no es un factor tan critico como en el caso de la interferometría de Michelson. La utilización de la fibra óptica presenta el valor agregado de poder efectuar medidas remotas. En este caso la fibra se convierte en un medio para canalizar la radiación óptica hacia la superficie de medida y de regreso hacia el fotodetector, permitiendo así el procesamiento de la señal en un ambiente libre de ruido.

Fuente:
WORK TEAM