專利名稱：光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制作方法
光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制作方法技術領域：
本發(fā)明涉及光纖壓力傳感器領域，該傳感器可以用于檢測液體、氣體的相對壓力和絕對壓力，也可用于聲波，超聲波信號等的探測。
背景技術：
光纖法布里-珀羅壓力傳感器是光纖壓力傳感器中的一種，它通常由光纖端面和 膜片端面構成法布里_珀羅微諧振腔，當壓力作用在膜片上時將使膜片變形，而使得法珀 腔長發(fā)生變化，從而實現傳感。近年來提出了一些設計方案，如2001年Don C. Abeysinghe 等(DonC. Abeysinghe, Samhita Dasgupta, Joseph Τ. Boyd, Howard Ε. Jackson, A Novel MEMSpressure sensor fabricated on an optical fiber, IEEE Photonics Technology Letters, 2001,13(9) 993-995)在包層直徑分別為200微米和400微米，芯徑為190微米 和360微米的多模光纖端面刻蝕出微腔，然后在該端面鍵合上硅片構成傳感器；2005年 Juncheng Xu 等(Juncheng Xu, Xingwei Wang, Kristie L Cooper，Anbo Wang, Miniature all-silicafiber optic pressure and acoustic sensors, Optics Letters,2005, 30(24) 3269-3271)利用氫氟酸蝕刻大芯徑的石英光纖獲得石英膜片，石英膜片熔接于毛 細管端面處，切割的單模光纖端面伸入到該毛細管中就與石英膜片構成了光纖法布里-珀 羅壓力傳感器；2006年Xiaodong Wang等(Xiaodong Wang,Baoqing Li,Onofrio L. Russo, et. al.，Diaphragm design guidelines and an optical pressure sensor based on MEMStechnique, Journal of microelectronics, 2006, 37 50-56)在 500 微米厚的 Pyrex 玻璃微加工出微腔體，然后硅片鍵合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔體的光纖端面構成了光 纖法布里_珀羅腔；2006年王鳴等(王鳴，陳緒興，葛益嫻等，法布里-珀羅型光纖壓力傳 感器及其制作方法，專利申請?zhí)?200610096596. 5)利用單晶硅片，玻璃圓管，光纖法蘭盤 和光纖插頭構建了光纖法布里-珀羅腔。但是作為壓力膜片的硅片變形過大時，硅片將不 能保持平面，而造成較大的光能損失，影響到法布里-珀羅腔的性能。因此在實際使用時， 法布里-珀羅腔限制在較小范圍，硅片變形往往不允許過大，例如不能大于厚度的25%。為 了提高測量滿量程的測量精度，我們需要在同樣的壓力范圍下，膜片變形范圍比較大，這就 使得膜片非平面變形問題必須考慮和克服。為了克服這一問題點，我們提出新型結構的光 纖法布里-珀羅傳感器。
發(fā)明內容本發(fā)明目的是克服現有技術中存在的上述問題，提供一種新型的光 纖法布里_珀羅壓力傳感器及其制作方法。該傳感器可以避免傳統(tǒng)光纖法布里_珀羅傳感 器膜片變形不能過大的缺陷，可得到更高的測量精度。本發(fā)明提供的第一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器包括3個部分傳感器體光纖法布里_珀羅壓力傳感器體是傳感器的支撐結構和光纖滑動時的 引導結構，其形狀可以為圓柱形或長方體形，傳感器體的兩端相對位置各開有一個盲孔，其 中一個盲孔的外端開有一個凹坑形成階梯孔；傳感器體的制作材料可以是Pyrex玻璃或熔 融石英材料；彈性膜片用來感受壓力的變化，彈性膜片的一側粘接有一段光纖，該光纖的端面作為法布里-珀羅腔所需的反射面，粘接有光纖的彈性膜片置入傳感器體一端的凹坑中并 固定，光纖的端面與盲孔孔底面不接觸構成法布里-珀羅腔；彈性膜片的材料可以是單晶 硅片，石英薄片，聚合物薄片，和金屬膜片。傳輸光纖放置于傳感器體另一端的盲孔中并固定，該傳輸光纖端面與盲孔孔底 面緊密接觸，傳輸光纖和彈性膜片上粘接的光纖可以是單模光纖，也可以是多模光纖。光纖 端面可以是切割后直接使用，也可以鍍上反射膜。本發(fā)明提供的第二種光纖法布里_珀羅壓力傳感器同樣包括3個部分傳感器體光纖法布里_珀羅壓力傳感器體是傳感器的支撐結構和光纖滑動時的 引導結構，其形狀為圓柱形或長方體形，傳感器體中間開有一個貫通孔，貫通孔的一端開有 一個凹坑形成階梯孔；彈性膜片用來感受壓力的變化，彈性膜片的一側粘接有一段光纖，光纖的端面作 為法布里-珀羅腔所需的反射面，粘接有光纖的彈性膜片置入傳感器體一端的凹坑中并固 定；
傳輸光纖從傳感器體另一端放置于貫通孔中并固定，該傳輸光纖端面與彈性膜 片上粘接的光纖的端面之間不接觸以構成法布里-珀羅腔。本發(fā)明中的第一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器制作如下，以單晶硅片和Pyrex 玻璃材料為例1、彈性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制 作微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度根據壓力測量范圍，可為ΙΟμπι 300μπι ；2、利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切 取光纖至所需長度(約1 3mm)，將該小段光纖利用環(huán)氧樹脂膠垂直固定在膜片上；3、傳感器體的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，以Pyrex玻璃 材料為例，首先將傳感器體制成外徑為Imm 5mm，長度為5 15mm的圓柱體，分別從傳感 器體兩頭鉆出直徑為127 μ m的盲孔，隨后進一步將盲孔端面加工平整，在傳感器體一頭加 工深度約為500 μ m，直徑為0. 6 4. 5mm的淺坑，作為彈性膜片的受力支撐；4、將粘有小段光纖的彈性膜片從帶淺坑的傳感器體一頭插入直徑127 μ m的盲孔 中，此時光纖端面和傳感器體上的盲孔孔底端面不接觸，構成法布里_珀羅腔，另一根光纖 作為傳輸光纖從傳感器體的另一頭插入，與傳感器體內盲孔端面緊密接觸后利用環(huán)氧樹 脂膠固定，以便輸入輸出信號光通過，利用光譜儀或低相干干涉儀實時控制粘在硅膜片上 的光纖的插入深度，當到達設計位置時(即該段光纖的光纖端面距玻璃柱內孔端面20 400μπι處)，通過膠粘合的方式將硅膜片固定在玻璃柱的淺坑上。在電熱箱中60°C的溫度 下固化一小時，或常溫下固化24小時，即制作完成傳感器。本發(fā)明中的第二種光纖法布里-珀羅壓力傳感器制作如下，以單晶硅片和Pyrex 玻璃材料為例1、彈性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制 作微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度根據壓力測量范圍，可為ΙΟμπι 300μπι ；2、利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切 取光纖至所需長度(約1 3mm)，將該小段光纖利用環(huán)氧樹脂膠垂直固定在膜片上；3、傳感器體的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，以Pyrex玻璃材料為例，首先將傳感器體制成外徑為Imm 5mm，長度為5 15mm的圓柱體，在傳感器 體上鉆出直徑為127 μ m的通孔，然后在傳感器體一頭加工深度為500 μ m,直徑為0. 6 4. 5mm的淺坑，作為彈性膜片的受力支撐；4、將粘有小段光纖的彈性膜片從帶淺坑的傳感器體一頭插入直徑127mm的通孔 中，通過膠粘合或陽極鍵合的方式將彈性膜片固定在傳感器體的淺坑上；然后將另一根光 纖作為傳輸光纖從傳感器體的另一頭孔中插入，兩段光纖的光纖端面不接觸以構成法布 里_珀羅腔，利用光譜儀或低相干干涉儀實時控制光纖的插入深度，當兩段光纖端面距離 達到20 400 μ m的設計位置時，利用環(huán)氧樹脂膠固定，在電熱箱中60°C的溫度下固化一小 時，或常溫下固化24小時，即制作完成光纖法布里_珀羅壓力傳感器。光纖法布里_珀羅壓力傳感器的工作過程如下當壓力作用時，彈性膜片(如硅片)發(fā)生變形，彈性膜片將帶動粘在其上的小段光 纖在圓柱形傳感器體上的孔中滑動，從而改變了該光纖端面與傳輸光纖端面之間的距離， 即法布里_珀羅腔的腔長。當接入寬帶光源后， 通過對光纖法布里_珀羅壓力傳感器的光 譜掃描或者低相干干涉條紋的提取，可提取出腔長變化，從而獲取壓力信息。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1.本發(fā)明提出的光纖法布里_珀羅傳感器允許彈性膜片具有較大的變形而不影 響法布里_珀羅腔的性能。對于傳統(tǒng)的法布里_珀羅腔，當彈性膜片感受到的壓力變化不 均勻或變形較大時，膜片的變形就會破壞平面法布里-珀羅腔，從而影響傳感精度。本發(fā)明 中彈性膜片不起反射面作用，反射面由與之粘接在一起的一小段光纖提供，因此在整個膜 片彈性變形過程中，光纖法布里-珀羅腔的兩個反射面始終保持平行，大大減小了由于法 布里_珀羅腔性能下降引起的測量誤差。2.本發(fā)明結構小巧靈活，傳感器外部直徑尺寸可小至1mm，而且由于光纖法布 里_珀羅腔的兩個反射面始終保持平行，在不鍍反射膜的情況下，允許的法布里_珀羅腔也 可長達550 μ m，這就使得傳感器制作起來很容易。3.提出的光纖法布里-珀羅傳感器可以采用全石英材料結構，即石英膜片，石英 傳感器體，光纖，此時各部分均可以采用激光焊接而實現無膠封裝，可用在對傳感器溫度特 性要求高和對電磁輻射敏感的應用領域。

圖1是本發(fā)明中一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器示意圖；圖2是本發(fā)明中另一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器示意圖；圖3是光纖法布里_珀羅壓力傳感器的解調系統(tǒng)示意；圖4是獲取的低相干干涉具體實施方式實施例1 一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器的
具體實施例方式一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器如圖1所示，它由彈性膜片1，傳感器體6，光 纖2和傳輸光纖7組成。彈性膜片1采用單晶硅片由激光加工而成，光纖2采用單模光纖 切割而成，光纖2通過環(huán)氧樹脂膠固定在彈性膜片1上。傳感器體6采用Pyrex玻璃加工，在其上鉆出盲孔8和盲孔9后，加工出平面4和平面5，再在圖中傳感器體6左側加工一個 500 μ m淺坑10，作為彈性膜片1的支撐。光纖2由傳感器體6的左側插入到盲孔9中，光 纖2的端面3與傳感體6的平面4構成法布里-珀羅腔，腔長的初始長度通過光譜掃描或低 相干干涉條紋實時測量確定，當腔長達到設計長度后，將彈性膜片1用膠固定在傳感器體6 上。光纖7與傳感器體6的平面5緊密貼合，用于信號光的輸入輸出。當壓力作用彈性膜 片1時，彈性膜片1發(fā)生變形，帶動光纖2在傳感器體6的盲孔9中滑動，從而改變光纖2 的端面3與傳感器體6的平面4之間的距離，即法布里-珀羅腔腔長。從而將壓力信息轉 化為腔長傳感信息。本發(fā)明的光纖法布里_珀羅壓力傳感器中1.彈性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金屬膜片；2.傳感器體也可以采用熔融石英材料；3.光纖也可以采用標準多模光纖，或其它大芯徑光纖。實施例2 另一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器的
具體實施例方式另一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器如圖2所示，它由彈性膜片1，傳感器體6，光 纖2和傳輸光纖7組成。彈性膜片1采用單晶硅片由激光加工而成，光纖2采用單模光纖切 割而成，光纖2通過環(huán)氧樹脂膠固定在彈性膜片1上。傳感器體6采用Pyrex玻璃加工，在 其上鉆出通孔12，再在圖中傳感器體6左側加工一個500 μ m淺坑10，作為彈性膜片1的支 撐。光纖2由傳感器體6的左側插入到通孔12中，然后將彈性膜片1用膠固定在傳感器體 6上。傳輸光纖7經切割形成端面11，從傳感器體6的右側插入，此時光纖2的端面3與光 纖7的端面11構成法布里-珀羅腔，腔長的長度通過光譜掃描或低相干干涉條紋實時測量 確定，當腔長達到設計長度后，將光纖7用膠固定在傳感器體6上。光纖7同時也用于信號 光的輸入輸出。當壓力作用彈性膜片1時，彈性膜片1發(fā)生變形，帶動光纖2在傳感器體6 的通孔12中滑動，從而改變光纖2的端面3與光纖7的端面11之間的距離，即法布里-珀 羅腔腔長。從而將壓力信息轉化為腔長傳感信息。本發(fā)明的光纖法布里_珀羅壓力傳感器中1.彈性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金屬膜片；2.傳感器體也可以采用熔融石英材料或陶瓷材料；3.光纖也可以采用標準多模光纖，或其它大芯徑光纖。實施例3 光纖法布里_珀羅壓力傳感器的腔長解調光纖法布里-珀羅壓力傳感器的傳感系統(tǒng)如圖3所示，腔長解調寬帶光源13發(fā) 出的光通過光纖耦合器14分成兩束光，其中一路直接被光纖法拉第旋光鏡15反射，另外 一路先經過光纖時延線17再被光纖法拉第旋光鏡16反射，兩路反射光再經光纖耦合器14 合束，經環(huán)形器21入射到光纖法布里-珀羅壓力傳感器20，光纖法布里-珀羅壓力傳感器 20反射回的光信號經環(huán)形器21到達探測器19，由測控系統(tǒng)18進行模數轉換和數據處理。 測控系統(tǒng)在18控制光纖時延線17進行光程差掃描，從而獲得低相干干涉條紋，通過測取零 級干涉條紋包絡和1級干涉條紋包絡的峰值距離，即可獲得光纖法布里_珀羅壓力傳感器 的腔長信息，進而可轉化為壓力信息。圖4是采用厚為30 μ m硅膜片和單模光纖的光纖法 布里_珀羅壓力傳感器在加壓和減壓過程時的氣體壓力測量結果，有較好的線性度和重復 性。
權利要求
一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于該傳感器包括如下三部分傳感器體光纖法布里-珀羅壓力傳感器體是傳感器的支撐結構和光纖滑動時的引導結構，其形狀為圓柱形或長方體形，傳感器體的兩端相對位置各開有一個盲孔，其中一個盲孔的外端開有一個凹坑形成階梯孔；彈性膜片用來感受壓力的變化，彈性膜片的一側粘接有一段光纖，該光纖的端面作為法布里-珀羅腔所需的反射面，粘接有光纖的彈性膜片置入傳感器體一端的凹坑中并固定，光纖的端面與盲孔孔底面不接觸構成法布里-珀羅腔；傳輸光纖放置于傳感器體另一端的盲孔中并固定，該傳輸光纖端面與盲孔孔底面緊密接觸。
2.一種光纖法布里_珀羅壓力傳感器，其特征在于該傳感器包括如下三部分傳感器體光纖法布里_珀羅壓力傳感器體是傳感器的支撐結構和光纖滑動時的引導 結構，其形狀為圓柱形或長方體形，傳感器體中間開有一個貫通孔，貫通孔的一端開有一個 凹坑形成階梯孔；彈性膜片用來感受壓力的變化，彈性膜片的一側粘接有一段光纖，光纖的端面作為法 布里_珀羅腔所需的反射面，粘接有光纖的彈性膜片置入傳感器體一端的凹坑中并固定；傳輸光纖從傳感器體另一端放置于貫通孔中并固定，該傳輸光纖端面與彈性膜片上 粘接的光纖的端面之間不接觸以構成法布里_珀羅腔。
3.根據權利要求1或2所述的光纖法布里_珀羅壓力傳感器，其特征在于所述的彈性 膜片的材料為單晶硅片，石英薄片，聚合物薄片或金屬膜片；彈性膜片的兩面制作有微小條 紋，以破壞掉該面的反射。
4.根據權利要求1或2所述的光纖法布里_珀羅壓力傳感器，其特征在于所述的傳感 器體的材料為Pyrex玻璃或熔融石英材料。
5.根據權利要求1或2所述的光纖法布里_珀羅壓力傳感器，其特征在于所述的傳輸 光纖和彈性膜片上粘接的光纖為單模光纖或多模光纖，光纖端面可以是切割后直接使用， 也可以鍍上反射膜。
6.一種權利要求1所述的光纖法布里_珀羅壓力傳感器的制作方法，其特征在于該方 法包括如下步驟第1、彈性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制作 微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度根據壓力測量范圍，為10 y m 300 y m ；第2、利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切取 光纖至所需長度，將該小段光纖利用環(huán)氧樹脂膠垂直固定在彈性膜片上；第3、傳感器體的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，首先將傳感 器體制成外徑為1mm 5mm、長度為5 15mm的圓柱體，分別從傳感器體兩頭鉆出直徑為 127 u m的盲孔，隨后進一步將盲孔端面加工平整，在傳感器體一頭加工深度為500 y m，直 徑為0. 6 4. 5mm的淺坑，作為彈性膜片的受力支撐；第4、將粘有小段光纖的彈性膜片從帶淺坑的傳感器體一頭插入盲孔中，此時光纖端面 和盲孔孔底端面不接觸，構成法布里_珀羅腔，另一根光纖作為傳輸光纖從傳感器體的另 一頭插入，與傳感器體內孔端面緊密接觸后利用環(huán)氧樹脂膠固定，以便輸入輸出信號光通 過，利用光譜儀或低相干干涉儀實時控制粘在彈性膜片上的光纖插入深度，當該段光纖的光纖端面距傳感器體上的盲孔底面20 400 y m處的設計位置時，通過膠粘合的方式將彈 性膜片固定在傳感器體的淺坑上；在電熱箱中60°C的溫度下固化一小時，或常溫下固化24 小時，即制作完成光纖法布里_珀羅壓力傳感器。
7. —種權利要求2所述的光纖法布里_珀羅壓力傳感器的制作方法，其特征在于該方 法包括如下步驟第1、彈性膜片制作利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制作 微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度根據壓力測量范圍，為10 y m 300 y m ；第2、利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切取 光纖至所需長度，將該小段光纖利用環(huán)氧樹脂膠垂直固定在彈性膜片上；第3、傳感器體的制作利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，首先將傳感器 體制成外徑為1mm 5mm、長度為5 15mm的圓柱體，在傳感器體上鉆出直徑為127 y m的 通孔，然后在傳感器體一頭加工深度為500 u m，直徑為0. 6 4. 5mm的淺坑，作為彈性膜片 的受力支撐；第4、將粘有小段光纖的彈性膜片從帶淺坑的傳感器體一頭插入通孔中，通過膠粘合或 陽極鍵合的方式將彈性膜片固定在傳感器體的淺坑上；然后將另一根光纖作為傳輸光纖從 傳感器體的另一頭孔中插入，兩段光纖的光纖端面不接觸以構成法布里-珀羅腔，利用光 譜儀或低相干干涉儀實時控制光纖的插入深度，當兩段光纖端面距離達到20 400 y m的 設計位置時，利用環(huán)氧樹脂膠固定，在電熱箱中60°C的溫度下固化一小時，或常溫下固化 24小時，即制作完成光纖法布里_珀羅壓力傳感器。
全文摘要
一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制作方法。傳感器可以用于檢測液體、氣體的相對壓力和絕對壓力，也可用于探測聲波，超聲波信號等。本結構主要由光纖、彈性膜片、傳感器體三部分組成。可以采用兩種方式來形成法珀腔。彈性膜片直接與光纖連接，光纖插入傳感器體上的孔中，當外界壓力變化致使彈性膜片變形時，光纖就會在傳感器體中做軸向移動，從而改變了光纖法珀腔的長度，當接入寬帶光源后，通過對通過光纖法布里-珀羅壓力傳感器中的光的光譜掃描或者低相干干涉條紋的提取，可提取出腔長變化，從而獲取壓力信息。本結構可以避免傳統(tǒng)光纖法布里-珀羅傳感器膜片變形不能過大的缺陷，可得到更高的測量精度。
文檔編號G01L1/24GK101832832SQ20101018546
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者劉宇, 劉琨, 劉鐵根, 姜麗娟, 江俊峰 申請人:天津大學