CN101858809A - 一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

新型的法布里-珀罗传感器及其制作方法。用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于探测声波，超声波信号等。本结构主要由光纤、弹性膜片、传感器体和微型弹簧组成。可以采用两种方式及一种变通方法来形成法珀腔和制作传感器。弹性膜片与传感光纤通过平面—球形的点接触方式紧密接触，当外界压力变化致使弹性膜片变形时，膜片会带动光纤在传感器体中轴向移动，从而改变了光纤法珀腔的长度，当接入宽带光源后，通过对通过光纤法布里-珀罗压力传感器中的光的光谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。本结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器膜片变形不能过大的缺陷，可得到更高的测量精度。

Description

一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法

【技术领域】：

本发明涉及光纤压力传感器领域，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于声波，超声波信号等的探测。

【背景技术】：

光纤法布里-珀罗压力传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，而使得法珀腔长发生变化，从而实现传感。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等(DonC.Abeysinghe，Samhita Dasgupta，Joseph T.Boyd，Howard E.Jackson，A Novel MEMSpressure sensor fabricated on an optical fiber，IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(9)：993-995)在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；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)利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤端面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-珀罗压力传感器；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玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-珀罗腔；2006年王鸣等(王鸣，陈绪兴，葛益娴等，法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法，专利申请号：200610096596.5)利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-珀罗腔。但是作为压力膜片的硅片变形过大时，硅片将不能保持平面，而造成较大的光能损失，影响到法布里-珀罗腔的性能；同时由于制作压力传感器的材料所限，环境温度对传感器稳定性影响很大。因此在实际使用时，法布里-珀罗腔限制在较小范围，硅片变形往往不允许过大，例如不能大于厚度的25％。为了提高测量满量程的测量精度、改善传感器应用限制，我们需要在同样的压力范围下，膜片变形范围比较大，这就使得膜片非平面变形问题必须考虑和克服；并且，为尽量减小其受应用环境温度的影响，则应采用其他方式连接传感器各部件。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术中存在的上述一系列问题，提供一种新型结构的光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。本发明是在对传统的光纤法布里-珀罗传感器存在问题的分析与研究的基础上提出的，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器膜片变形不能过大的缺陷，可得到更高的测量精度。

本发明中的光纤法布里-珀罗压力传感器包括：

传感器体：光纤法布里-珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的引导结构，其形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个通孔，通孔的一端开有一个凹坑；制作材料可以是Pyrex玻璃或熔融石英材料；

弹性膜片：用来感受压力的变化，放置于传感器体的凹坑中并固定；膜片的材料可以是单晶硅片，石英薄片，聚合物薄片或金属膜片。

传感光纤：传感光纤的一端为法布里-珀罗腔所需的反射面，另一端为球形，该传感光纤放置于传感器体中间的通孔内，球形一端与弹性膜片紧密接触；

传输光纤：该光纤放置于传感器体中间通孔内的另一端，用来提供法布里-珀罗腔所需的另一反射面，与传感光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔；

传感光纤与传输光纤可以是单模光纤，也可以是多模光纤。光纤端面可以是切割后直接使用，也可以镀上反射膜。

微型弹簧：放置于传感光纤与传输光纤之间，用来提供弹性回复力使传感光纤与弹性膜片始终保持紧密接触，材料可以是聚合物或是金属，形状可以是螺旋形或是管状。

对于尺寸稍大(螺旋形弹簧外径大于通孔)的微型弹簧，本发明传感器体可以由相互固定在一起的两部分构成，两部分衔接处的孔中用于放置微型弹簧，该处的孔径大于通孔的孔径。

本发明提供的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，法包括：

第1、弹性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度为10μm～300μm；

第2、传感光纤的制作：利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取光纤至所需长度(约1～3mm)，对传感光纤的非反射端加热熔化并利用表面张力形成球形；

第3、微型弹簧的制作：

1)管状微型弹簧的制作：将一小滴聚合物注入内经为126μm的玻璃管内，通过高速离心旋转方法，在玻璃管内形成厚度为5～10μm的均匀薄膜，固化后并从玻璃管内取下即制作成弹性软管，其长度为20～400μm；

2)螺旋形微型弹簧的制作：用直径为25～35μm的金属弹簧丝，制成弹簧外径约126μm，长度为400μm的螺旋形金属微型弹簧；

第4、传感器体的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔，随后进一步将端面加工平整，在传感器体一头加工出深度约为500μm，直径为0.6～4.5mm的凹坑，作为压力膜片的受力支撑；

第5、将带有球形尾端的传感光纤从带有凹坑的传感器体的一头***通孔中，球形尾端朝外，之后将第1步制成的弹性膜片采用阳极键合的方式固定在传感器体的凹坑上；然后在传感器体的另一头放入微型弹簧，再***另一根传输光纤，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔，利用光谱仪或低相干干涉仪实时控制该传输光纤的***深度，当到达设计位置，即该传输光纤将微型弹簧压紧，微型弹簧在弹性膜片变形的范围内均能令传感光纤的球形尾端与弹性膜片紧密接触，利用环氧树脂胶将传输光纤固定，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。

本发明同时提供了一种适用于尺寸稍大(螺旋形弹簧外径大于通孔)的微型弹簧的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，具体包括：

第1、弹性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度为10μm～300μm；

第2、传感光纤的制作：利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取光纤至所需长度，对传感光纤的非反射端加热熔化并利用表面张力形成球形；

第3、大尺寸螺旋形微型弹簧的制作：用直径为35～40μm的金属弹簧丝，制成弹簧外径约150μm，长度为500μm的大尺寸螺旋形金属微型弹簧；

第4、传感器体的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，此时传感器体分成两部分制作，第一部分长度3～9mm，先在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔，并将端面加工平整，在传感器体一头加工出深度为500μm，直径为0.6～4.5mm的凹坑，作为弹性膜片的受力支撑，另一头加工出深度为480μm，直径为155μm的沉孔；第二部分长度2～6mm，也在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；

第5、传感器的组装：将带有球形尾端的传感光纤从传感器体第一部分带有直径为0.6～4.5mm的凹坑的传感器体的一头***传感器体的通孔中，球形尾端朝外，之后将弹性膜片采用阳极键合的方式固定在传感器体的凹坑上，再将第3步制作的微型弹簧***另一头沉孔中，将装好的第一部分和第二部分传感器体熔接在一起；然后将另一根传输光纤***传感器体第二部分的通孔中，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔，当到达设计位置即传输光纤与微型弹簧紧密接触时，利用环氧树脂胶将传输光纤固定，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。

光纤法布里-珀罗压力传感器的工作过程如下：

当压力作用时，弹性膜片(如硅片)发生变形，弹性膜片将带动顶在其上的传感光纤在传感器体通孔中滑动，从而改变了与固定的传输光纤端面的距离，即法布里-珀罗腔的腔长。当接入宽带光源后，通过对通过光纤法布里-珀罗压力传感器的光谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。

本发明的优点和积极效果：

1.提出的光纤法布里-珀罗传感器允许弹性膜片具有较大的变形而不影响法布里-珀罗腔的性能。对于传统的法布里-珀罗腔，当弹性膜片感受到的压力变化不均匀或变形较大时，膜片的变形就会破坏平面法布里-珀罗腔，从而影响传感精度。本发明中弹性膜片不起反射面作用，反射面由与之相接在一起的一小段光纤提供，因此在整个的膜片弹性变形过程中，光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，大大减小了由于法布里-珀罗腔性能下降引起的测量误差。

2.弹性膜片与小段光纤采用平面—球形的点接触模式，使得膜片变形不规则时仍能保证膜片与小段光纤紧密接触和光纤平滑移动，也避免了将小段光纤粘贴于膜片时因膜片变形不规则造成两者粘连处断裂的危险。

3.本发明结构小巧灵活，传感器外部直径尺寸可小至1mm，而且由于光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，在不镀反射膜的情况下，允许的法布里-珀罗腔也可长达550μm，这就使得传感器制作容易。

【附图说明】：

图1是本发明中第一种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；

图2是本发明中第二种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；

图3是本发明中第二种光纤法布里-珀罗压力传感器的另一种实现方法示意图；

图4是光纤法布里-珀罗压力传感器的光谱解调***示意；

图5是获取的传感器反射谱图。

【具体实施方式】：

实施例1：第一种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式

如图1所示，该光纤法布里-珀罗压力传感器由弹性膜片1，传感器体6，带尾端10的传感光纤2，传输光纤7和管状微型弹簧(弹性软管)4组成。弹性膜片1采用单晶硅片由激光加工而成，传感光纤2采用单模光纤切割而成，尾端11为球形。传感器体6采用Pyrex玻璃加工，在其上钻出通孔8后，在图中传感器体6左侧加工出凹坑9，作为弹性膜片1的支撑。将带有球形尾端10的传感光纤2从通孔8中***，然后将弹性膜片1用阳极键合的方式固定在传感器体6上。弹性软管4由传感器体6的通孔8***，之后再***传输光纤7到设计位置后利用环氧树脂胶固定，传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5构成法布里-珀罗腔。传输光纤7用于信号光的输入输出。当压力作用弹性膜片1时，弹性膜片1发生变形，带动有尾端10的传感光纤2在传感器体6的通孔8中滑动，从而改变传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。从而将压力信息转化为腔长传感信息。

本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中

1.弹性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金属膜片；

2.传感器体也可以采用熔融石英材料；

3.光纤也可以采用标准多模光纤，或其它大芯径光纤。

实施例2：第二种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式

如图2所示，传感器由弹性膜片1，传感器体6，带尾端10的传感光纤2，传输光纤7和微型弹簧11组成。弹性膜片1采用单晶硅片由激光加工而成，传感光纤2采用单模光纤切割而成，尾端10为球形。传感器体6采用Pyrex玻璃加工，在其上钻出通孔8后，在图中传感器体6左侧加工出凹坑9，作为弹性膜片1的支撑。传感光纤2由传感器体6的左侧***到通孔8中，然后将弹性膜片1用阳极键合的方式固定在传感器体6上。从传感器通孔8另一端放入微型金属弹簧11，再放入传输光纤7，传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5构成法布里-珀罗腔，传输光纤7用于信号光的输入输出。当压力作用弹性膜片1时，弹性膜片1发生变形，带动传感光纤2在传感器体6的通孔8中滑动，从而改变传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。从而将压力信息转化为腔长传感信息。

本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中

1.弹性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金属膜片；

2.传感器体也可以采用熔融石英材料；

3.光纤也可以采用标准多模光纤，或其它大芯径光纤；

4.微型弹簧也可以采用聚合物材料。

实施例3：针对实例2的一种光纤法布里-珀罗压力传感器的替代实施方式

如图3所示，传感器由弹性膜片1，传感器体第一部分18，传感器体第二部分12，带尾端10的传感光纤2，传输光纤7和微型弹簧15组成。弹性膜片1采用单晶硅片由激光加工而成，传感光纤2采用单模光纤切割而成，尾端10为球形。传感器体第一部分18和第二部分12采用Pyrex玻璃加工，在玻璃柱第一部分18中部钻出通孔17，一头加工出凹坑9，作为压力膜片的受力支撑，另一头加工出沉孔16，在传感器体第二部分12玻璃柱中部钻出通孔13，组装传感器时，将带有球形尾端10的传感光纤2从通孔17中***，球形尾端10朝外，之后将弹性膜片1采用阳极键合的方式固定在第一部分18的凹坑10上，再将选用的金属微型弹簧15***沉孔16中，然后将装好的第一部分18和第二部分12在平面14处熔接在一起，组成完整的传感器体。从通孔13放入传输光纤7，传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5构成法布里-珀罗腔，传输光纤7用于信号光的输入输出。当压力作用弹性膜片1时，弹性膜片1发生变形，带动传感光纤2在传感器体第一部分18的通孔17中滑动，从而改变传感光纤2的端面3与传输光纤7的端面5之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。从而将压力信息转化为腔长传感信息。

本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中

1.弹性膜片也可以采用石英薄片，聚合物薄片，或金属膜片；

2.传感器体也可以采用熔融石英材料；

3.光纤也可以采用标准多模光纤，或其它大芯径光纤；

4.微型弹簧也可以采用聚合物材料。

实施例4：光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长解调

光纤法布里-珀罗压力传感器的传感***如图4所示，腔长解调宽带光源19发出的光通过环行器22进入传感器21，经过传感器的法布里-珀罗腔之后，再经环行器22进入光谱仪20。通过光谱仪扫描得到传感器返回的光谱，通过求取光谱的峰值位置，即可获得光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长信息，进而可转化为压力信息。图5是采用厚为30μm硅膜片和单模光纤的光纤法布里-珀罗压力传感器经过光谱仪测取的光谱。

Claims (7)

1.一种光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于该传感器包括：

传感器体：光纤法布里-珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的引导结构，其形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个通孔，通孔的一端开有一个凹坑；

弹性膜片：用来感受压力的变化，放置于传感器体的凹坑中并固定；

传感光纤：传感光纤的一端为法布里-珀罗腔所需的反射面，另一端为球形，该传感光纤放置于传感器体中间的通孔内，球形一端与弹性膜片紧密接触；

传输光纤：该光纤放置于传感器体中间通孔内的另一端，用来提供法布里-珀罗腔所需的另一反射面，与传感光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔；

微型弹簧：放置于传感光纤与传输光纤之间，用来提供弹性回复力使传感光纤与弹性膜片始终保持紧密接触。

2.根据权利要求1所述的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于传感器体为一整体或者由相互固定在一起的两部分构成；整体式的传感器体中用于放置直径小于通孔的微型弹簧，由两部分构成的传感器体的两部分衔接处的孔径大于通孔的孔径，适用于放置直径大于通孔的微型弹簧。

3.根据权利要求1或2所述的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于传感器体的制作材料为Pyrex玻璃或熔融石英材料；弹性膜片的材料为单晶硅片、石英薄片、聚合物薄片或金属膜片。

4.根据权利要求1或2所述的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于所述的传感光纤和传输光纤为单模光纤或多模光纤；用作反射面的光纤端面可以是切割后直接使用，也可以镀上反射膜。

5.根据权利要求1或2所述的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于所述的微型弹簧的材料为聚合物或金属，形状为螺旋形或是管状。

6.一种权利要求1所述的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：

第1、弹性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度为10μm～300μm；

第2、传感光纤的制作：利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取光纤至所需长度，对传感光纤的非反射端加热熔化并利用表面张力形成球形；

第3、传输光纤的制作：截取1m～1.5m长度的光纤后，利用光纤切割刀切割光纤一端获得好的光纤端面作为传输光纤的反射面；

第4、微型弹簧的制作：

1)管状微型弹簧的制作：将一小滴聚合物注入内经为126μm的玻璃管内，通过高速离心旋转方法，在玻璃管内形成厚度为5～10μm的均匀薄膜，固化后并从玻璃管内取下即制作成弹性软管，其长度为20～400μm；

2)螺旋形微型弹簧的制作：用直径为25～35μm的金属弹簧丝，制成弹簧外径为126μm，长度为400μm的螺旋形金属微型弹簧；

第5、传感器体的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔，随后进一步将端面加工平整，在传感器体一头加工出深度约为500μm，直径为0.6～4.5mm的凹坑，作为压力膜片的受力支撑；

第6、将带有球形尾端的传感光纤从带有凹坑的传感器体的一头***通孔中，球形尾端朝外，之后将第1步制成的弹性膜片采用阳极键合的方式固定在传感器体的凹坑上；然后在传感器体的另一头放入微型弹簧，再***传输光纤，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔，利用光谱仪或低相干干涉仪实时控制传输光纤的***深度，当到达设计位置，即该传输光纤将微型弹簧压紧，微型弹簧在弹性膜片变形的范围内均能令传感光纤的球形尾端与弹性膜片紧密接触，利用环氧树脂胶将传输光纤固定，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。

7.一种权利要求2所述的由两部分构成的传感器体的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：

第1、弹性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片两面制作微小条纹，以破坏掉该面的反射，膜片厚度为10μm～300μm；

第2、传感光纤的制作：利用光纤切割刀切割光纤获得好的光纤端面，然后用笔式切割刀在显微镜下切取光纤至所需长度，对传感光纤的非反射端加热熔化并利用表面张力形成球形；

第3、传输光纤的制作：截取长度为1m～1.5m的光纤后，利用光纤切割刀切割光纤一端获得好的光纤端面作为传输光纤的反射面；

第4、大尺寸螺旋形微型弹簧的制作：用直径为35～40μm的金属弹簧丝，制成弹簧外径约150μm，长度为500μm的大尺寸螺旋形金属微型弹簧；

第5、传感器体的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，此时传感器体分成两部分制作，第一部分长度3～9mm，先在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔，并将端面加工平整，在传感器体一头加工出深度为500μm，直径为0.6～4.5mm的凹坑，作为弹性膜片的受力支撑，另一头加工出深度为480μm，直径为155μm的沉孔；第二部分长度2～6mm，也在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；

第6、传感器的组装：将带有球形尾端的传感光纤从传感器体第一部分带有直径为0.6～4.5mm的凹坑的传感器体的一头***传感器体的通孔中，球形尾端朝外，之后将弹性膜片采用阳极键合的方式固定在传感器体的凹坑上，再将第3步制作的微型弹簧***另一头沉孔中，将装好的第一部分和第二部分传感器体熔接在一起；然后将传输光纤***传感器体第二部分的通孔中，两段光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔，当到达设计位置即传输光纤与微型弹簧紧密接触时，利用环氧树脂胶将传输光纤固定，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。

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