1、光纖F-P腔壓力傳感器的研究進展韓冰,高超(中航工業北京長城計量測試技術研究所,北京100095摘要:光纖F-P腔壓力傳感器因其獨有的優點廣泛應用于軍事、民用領域。國內外諸多高校、科研院所都在對其進行研究。本文介紹了光纖F-P腔壓力傳感器的研究進展,對全光纖結構F-P壓力傳感器、激光加工微型光纖壓力傳感器、二氧化硅膜片壓力傳感器的結構和制作過程進行了總結,并對利用MEMS制作壓力傳感器的工藝進行了詳述,對比分析了不同加工工藝下傳感器的性能及其優缺點。關鍵詞:光纖壓力傳感器;Fabry-perot腔;MEMS工藝中圖分類號:TP212文獻標識碼:A文章編號:16745795(2012020005

2、06Research Progress of Optical Fiber Type Fabry-perot Pressure SensorHAN Bing,GAO Chao(Changcheng Institute of MetrologyMeasurement,Beijing100095,ChinaAbstract:The Fabry-perot(F-Pcavity pressure sensor has been widely used in military and civil fields.It is researched by many domes-tic or foreign un

3、iversities and research institutes.The research progress of the optical fiber type F-P pressure sensor is introduced,and the struc-tures and manufacturing processes of F-P pressure sensor,the laser processing miniature fibre-optical pressure sensor and the full optical fiber structure silicon diaphr

4、agm pressure sensor are summarized.The technology of using MEMS to produce pressure sensor is described in detail.The sensor performance and its advantages and disadvantages in different processing technology are compared and analyzed.Key words:optical fiber pressure sensor;Fabry-perot cavity;MEMS t

5、echnology0引言光纖傳感器技術起步于上世紀70年代末,是伴隨著光纖通訊技術的發展而發展起來的,由于其具有信號不受電磁場干擾、絕緣性高、防爆性好等諸多優點12,目前在民用和軍事領域都有著越來越廣泛的應用前景。例如,在醫學領域,利用光纖壓力傳感器進行顱壓、胸壓、腹壓等的測量可以最大限度地減小患者手術的風險;而在進行斷層掃描(CT及核磁共振(NMR時,它依舊可以準確地測量病患部位的壓力,突出了其抗電磁干擾的特性。本文以傳感器的加工工藝、結構為重點,綜述了幾種常用的F-P腔光纖壓力傳感器結構及其制作技術。1光纖F-P腔壓力傳感器原理光纖F-P腔壓力傳感器的基本結構示意圖如圖1所示,將兩根光纖的

6、端面作為反射面,使兩光纖端面嚴格平行、同軸,與中空光纖形成一個腔長為l的密封收稿日期:20120109;收修改稿日期:20120116作者簡介:韓冰(1983,助理工程師,碩士,從事與計量、測試相關的工作。光纖F-P腔,這樣就形成了光纖F-P腔傳感器 。圖1光纖F-P腔壓力傳感器結構示意圖當傳感頭受到外界均勻分布的壓力時,其腔體軸向變形表達式1為l=Plr2oE(r1or2i(12(1式中:P為腔體內外壓強差;l是腔體長度;r i,r o分別是腔體內、外半徑;E為腔體材料的楊氏模量;為泊松比。當腔體長度l一定時,其變形量與所受的壓強成正比,而腔體長度的變化影響到光纖內入射光與反射光的光程差,利

7、用光電探測器等即可實現對光信號的解調,并最終實現對壓力的測量。2常用光纖F-P腔壓力傳感器結構及制作工藝國內外諸多科研機構(例如:南京師范大學物理科學與技術學院;美國的弗吉尼亞理工學院、斯坦福大學應用物理系;英國愛丁堡的赫瑞瓦特大學;斯洛文尼亞的馬里博爾大學等基于傳感器材料、制作方法等的不同,已經研制出多種光纖F-P腔壓力傳感器。2.1全光纖結構F-P壓力傳感器全光纖結構F-P壓力傳感器3為毛細管結構,是基于非本征型法布里珀羅干涉儀(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI結構的光纖傳感器。此類傳感器由單模及多模光纖通過焊接而成,如圖2所示 。圖2全光

8、纖結構壓力傳感器全光纖結構F-P光纖壓力傳感器首先將刻蝕得到的中空光纖與單模光纖熔接在一起,然后對單模光纖(SMF-28與多模光纖進行刻蝕或拉伸,使其外徑相同,并利用電弧熱熔技術進行熔接,將熔接好的單模光纖(SMF-28與多模光纖插入中空光纖,如圖2所示。導光光纖(單模光纖與多模光纖端面間即形成F-P腔體,利用白光干涉儀和微調機構監測并調整F-P 腔的長度,當F-P長度達到設計要求后,固定單模光纖和多模光纖插入的位置,并與中空光纖焊接在一起,即可完成傳感器的制作。全光纖結構壓力傳感器的主要技術指標如下:壓力分辨力為689.5Pa(0.1psi,溫漂為179.14Pa/(0.026psi/,壓力

9、量程可以做到103.4MPa,靈敏度可以做到0.2175nm/kPa (1.5nm/psi,外徑125m。制作過程中存在的難點是控制敏感部分即中空光纖的長度、所用材料物理性能的一致性;控制中空光纖的制備質量;各個光纖段的焊接以及端面反射率的控制等。由于全光纖結構F-P光纖壓力傳感器的主體部分全部采用光纖材料,因此其主要特點是具有很好的熱穩定性能。全光纖結構F-P腔壓力傳感器具有不受溫度影響、不受電磁場影響、耐腐蝕、耐高溫等優點;與光纖頂端振動膜式傳感器相比具有更容易制造、抗摩擦、擁有更大的量程等優點。由于制造原因的限制,全光纖結構F-P腔壓力傳感器的尺寸略大于一般的微型F-P腔壓力傳感器,這是

10、這種傳感器最大的缺點。全光纖結構壓力傳感器技術成熟,制作工藝相對簡單,通過選擇適當的光纖、中空管材料和F-P腔結構參數,使得在壓力測量中能夠對大范圍溫度變化影響作自動補償,即具有較小的應變溫度交叉靈敏度。目前該類光纖傳感器被廣泛應用于不同領域的應力、應變、壓力、溫度等物理量的測量,主要為介入式血壓測量、植入材料內部進行的應力監測、油井內的壓力監測等。2.2激光加工微型光纖壓力傳感器激光微加工技術及納米加工合成膜技術為研究新一代光通信器件和光纖傳感器等提供了新的技術手段。激光微加工技術一般有兩種方案:一種是減小激光脈沖寬度,如飛秒激光;另一種是采用短波長激光,如準分子激光46。利用激光加工的微型

11、光纖壓力傳感器主體結構為全石英材料,其典型結構示意圖如圖3所示 。圖3激光加工微型壓力傳感器激光加工微型光纖壓力傳感器首先利用激光對單模光纖端面刻蝕,再對刻蝕進行覆膜形成F-P腔體。激光加工裝置如圖4所示,使用柱面鏡將準分子激光器輸出光束準直、整形為3cm3cm的光斑,然后進入6cm6cm聚焦矩陣透鏡,再進入空間濾波器,再次進入6cm6cm聚焦矩陣透鏡,最終得到光強在1cm 長度范圍內均勻分布且形狀為方形的光束。將待刻蝕的光纖固定在玻璃毛細管中,利用三維坐標裝置夾持移動,使通過模板的激光在每個光纖表面完成刻蝕,得到直徑30m或70m的凹孔。F-P腔的覆膜利用聚碳酸酯制成,將聚碳酸酯薄片拉伸成直

12、徑為25cm 的餅狀,同時將一環狀圈緊套在聚碳酸酯薄片上,以保持其拉緊狀態,然后將更小的圓環涂抹上環氧膠粘在薄片上,通過重力拉緊薄片,并在膠固化后剪下,為更好的控制端面反射,在薄片上陽極化100nm 的鋁。將光纖一端靠近薄片,涂抹紫外固化膠,通過機械控制和顯微鏡觀察控制頂緊薄片,最終固化、穿破得到傳感器。在整個傳感器制作過程中,激光強度及三維夾持裝置的穩定性都可以利用計算機進行實時反饋控制,其難點主要是如何消除光纖的底面影響反射和紫外固化膠的涂抹 。圖4激光加工裝置激光加工微型光纖壓力傳感器的壓力響應時間可以達到3s ,振動膜材料采用鋁覆蓋的聚碳酸脂薄片壓力可以達到2kg ,其最大的優點是響應

13、時間快。所以,激光加工微型光纖壓力傳感器主要應用領域為生物醫藥、壓氣機內部壓力監測、油井內的壓力監測等。自上世紀80年代以來,國內的重慶大學、清華大學、上海光機所、復旦大學等多家科研單位在激光微加工技術方面取得了一批成果,近十年來發展較快。國內目前已有數個激光微加工平臺,大致分為兩類:飛秒激光微加工和紫外激光微加工。其中以飛秒激光加工居多,中國科大、西安光機所、上海光機所、復旦大學、天津大學等都有此類加工平臺,但在加工精度和激光器性能等方面不太理想。就紫外加工平臺而言,清華、上海交大等國內高校已有光纖光柵制作平臺,但功率較低還不能用于微加工。就國外激光微加工平臺發展狀況來看,像日本東京大學、德

14、國漢堡大學以及LZH 研究所、加拿大多倫多大學及國家光學研究院等都具有飛秒激光和紫外激光加工中心,具有很強的加工能力,可以加工金屬、半導體、聚合物、寶石等材料,且加工精度高,但這些科研機構主要著眼于材料加工,在光電子器件方面開展的研究工作較少。從激光微加工平臺整體發展水平來說,國內與國際先進水平仍有一定差距,核心關鍵技術仍以引進和模仿發達國家為主,缺乏創新,沒有自主知識產權。2.3二氧化硅膜片壓力傳感器上世紀七八十年代,國外已經提出基于膜片設計的光纖F-P 壓力傳感器結構,光學反射平面采用的是對壓力敏感的膜片,當膜片隨著壓力的變化產生位移時,F-P 腔的腔長也隨之發生變化,全光纖結構二氧化硅膜

15、片壓力傳感器結構如圖5所示 。圖5全光纖結構二氧化硅膜片壓力傳感器全光纖結構二氧化硅膜片壓力傳感器制作流程如圖6(a ,(b ,(c ,(d 所示。將外徑相同的單模光纖和多模光纖熔接在一起,然后切割多模光纖至40m ,對多模光纖的另一個端面進行刻蝕,刻蝕完成后,與另一單模光纖熔接。熔接后,先利用比長儀切割單模光纖,使其厚度不大于20m ;然后再利用氫氟酸腐蝕減薄膜片。在進行膜片刻蝕的時候使用如圖7所示的壓力容器裝置進行實時監測,以便得到設計的靈敏度。完成傳感器主體部分的加工后,將光纖插入金屬套,分別用3m ,0.5m 砂紙對膜片進行研磨,直至膜片厚度為3 5m 。全光纖結構二氧化硅膜片壓力傳感

16、器量程為0 40kPa ,0 1MPa ;最大靈敏度為1.1rad /kPa ;分辨力為300Pa ;直徑為125m 。腔內刻蝕控制和打磨SiO 2膜片的控制是此類傳感器制作的難點710 。圖6全光纖結構二氧化硅膜片壓力傳感器制作流程圖全光纖結構二氧化硅膜片壓力傳感器具有分辨力高、全硅結構、動態監測膜片厚度有利于靈敏度控制等優點,但同時存在適用量程范圍較小等缺點。膜片式壓力傳感器與毛細管結構的壓力傳感器相比,具有 圖7膜片厚度(靈敏度控制圖更高的壓力敏感度,適合低壓測量,同時該種傳感器進一步消除了傳統EFPI腔結構中光纖自由端受環境影響帶來的溫度交叉敏感性,并且通過調節膜片厚度可以實現壓力測量

17、靈敏度可調、測量范圍可調等。由于在工業和醫療領域,尤其是醫學領域低壓范圍的測量有著廣泛的應用前景,膜片式微型壓力傳感器越來越成為研究的焦點。但目前能夠在光纖端面制作高靈敏膜片的技術仍存在工藝復雜、材料溫度和力學特性差等諸多缺陷,國內外已經有科研機構使用新型材料如新型聚合物材料等制作壓強敏感膜片。3F-P光纖MEMS壓力傳感器進入21世紀以來,微電子機械系統(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS技術在光領域中的應用非常引人注目,將光纖傳感技術和MEMS技術相結合制作新型光纖MEMS傳感器已經成為光纖傳感器制作領域的新熱點。MEMS技術的引入,使得F-P壓力傳

18、感器的可靠性、抗電磁干擾以及抗腐蝕性都有提高,而且F-P 腔MEMS光纖壓力傳感器還具有尺寸小、準確度高、動態范圍大等諸多優點,同時,由于MEMS器件適合于大規模集成化生產,一旦技術成熟,產品定型,可以大大降低傳感器的成本。隨著技術的不斷成熟,出現了很多種不同結構的F-P光纖MEMS壓力傳感器。3.1國外F-P光纖MEMS壓力傳感器研究現狀隨著MEMS技術的不斷成熟完善,國外多家高校及研究機構都進行了F-P光纖MEMS壓力傳感器的研究工作,并且出現了不同結構的F-P光纖MEMS壓力傳感器。其中一部分傳感器的壓力敏感膜是運用體硅工藝和表面犧牲層工藝制作的,還有一部分的傳感器是利用光纖腐蝕熔接工藝

19、制作的。運用MEMS工藝制作F-P光纖MEMS壓力傳感器的有:美國Cincinnati大學的Jie Zhou等人用體硅工藝制作的F-P光纖MEMS壓力傳感器;Jaeheon小組運用表面犧牲層工藝與體硅工藝結合制作得到平面膜形和波紋膜形兩種膜形的光纖法布里珀羅干涉型MEMS 壓力傳感器;Don C.Abeysinghe等人提出了一種微型的光纖MEMS傳感器;日本Tohoku大學的Kentaro Tot-su等人開發了一種采用白光干涉的微型光纖壓力傳感器;馬里波大學的Edvard Clbula等人也提出了一種制作在光纖端面上的法布里珀羅傳感器;弗吉尼亞大學的Juncheng Xu小組設計了一系列制

20、作在光纖上面的傳感器等。以Hill G C,Melamud R,Declercq F E等人11為代表研制的SU-8復合材料壓力傳感器在MEMS中應用得越來越廣泛。SU-8是一種紫外敏感的負性厚光刻膠,其光敏性較好,同時吸收系數也較小,在短時間內即可達到曝光劑量的要求;這種材料比硅容易制造,成本低,制作周期短;SU-8復合材料彈性模量低于硅,使用這種材料相對提高了壓力靈敏度,而且厚膠內的曝光劑量也比較均勻,憑借著優秀的化學、熱學以及機械穩定性在MEMS中越來越廣泛的應用。SU-8復合材料壓力傳感器的模型及結構如圖8所示,其中,模型圖中給出了光的進出情況 。圖8SU-8材料微型壓力傳感器SU-8

21、復合材料壓力傳感器制作過程如圖9(a, (b,(c,(d,(e,(f所示。首先硅晶片上依次制作基底膜和2m厚的SU-8層作為橫振膜;然后在此基礎上,制作孔徑100m,厚50m的環狀SU-8材料腔以及孔徑125m,厚100m的SU-8套管;為控制端面反射率,在上述結構件的表層進行金屬鍍膜,再將光纖插入,光纖端面與SU-8橫振膜的金屬鍍層之間就形成了F-P腔體;拔出光纖,用氰基丙烯酸鹽粘合劑在大氣壓力下粘結,形成最終的傳感器結構。SU-8復合材料結構壓力傳感器的主要技術指標如下:外徑為300m ,測量范圍可達0 125mmHg ,分辨力為1 2mmHg 。鍍膜厚度的控制及傳感器頂端加工的控制是此類

22、傳感器制作的難點 。圖9SU-8材料微型壓力傳感器制作流程SU 8復合材料壓力傳感器是國外一種比較成熟的壓力傳感器,在介入式生物醫學已經有了廣泛的應用。但是由于SU 8復合材料不是密封材料,在微系統中會引入其它誤差源,同時材料還具有遲滯及漂移等問題,對傳感器的性能有一定的影響。膜片遲滯、密封問題、反射層分層也有可能使這種傳感器穩定性較差。3.2國內F-P 光纖MEMS 壓力傳感器研究現狀國內先后有廈門大學、南京師范大學、燕山大學等多家高校利用MEMS 技術在光纖傳感器制作中的應用進行了研究,并已經研制出一些壓力傳感器以及加速度傳感器。南京師范大學研制出的一種F-P 光纖MEMS 壓力傳感器結構

23、1213如圖10所示 。圖10F-P 光纖MEMS 壓力傳感器結構示意圖首先利用MEMS 技術,將鍍鋁的硅膜與玻璃圓管通過陽極鍵合技術緊密的結合在一起;然后將玻璃管安裝在光纖法蘭盤上,該法蘭盤是FOCI 型光纖法蘭盤的一半;最后將光纖插頭旋到法蘭盤上,光纖插頭的陶瓷插針端面與硅膜的下表面間形成F-P 腔,硅膜在壓力的作用下發生形變從而改變了F-P 腔腔長,通過測量反射譜的相位變化可以得出作用在硅膜上的壓力。硅膜中心撓度與壓力p 的關系為p r 4Eh 4=163(12(y h+73(1(yh3(2式中:p 為施加的壓力;r 為敏感膜半徑;E 為單晶硅楊氏模量;h 為敏感膜厚度;為泊松比;y 為

24、敏感膜中心撓度。目前這種F-P 光纖MEMS 壓力傳感器的測量范圍為0 3MPa ,測量范圍較廣;線性度達到0.0041%,重復性為0.79%,靈敏度較高。F-P 光纖MEMS 壓力傳感器是目前光纖領域的研究熱點。光纖F-P 壓力傳感器如何進一步引入MEMS 技術,如何使MEMS 在微型化、產業化等方面的優勢得到進一步發揮,仍是目前和未來一段時間研究的熱點和難點。4光纖F-P 腔壓力傳感器的應用現狀大多數光纖F-P 腔壓力傳感器仍處于實驗室研制階段,不能投入批量生產和工程化應用14。但在實驗室研究的基礎上,也有一些研究機構和公司積極介入該領域,應用相關技術,研究開發了一些適用于實際生產的產品。

25、大連理工大學物理系和中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院針對高溫、高壓油井的測量環境,設計研制了基于光纖非本征型F-P 腔的波長解調型光纖壓力傳感器系統,解決了高溫高壓交叉敏感性、高溫高壓傳感器的密封、傳輸光纖的保護等關鍵技術問題。該傳感器已成功地應用于遼河油田曙光采油場油井下的壓力實時監測15。由山東省科學院激光研究所承擔的“光纖高溫高壓井筒測試技術”課題于2010年通過科技部驗收。該課題組根據高溫高壓油井的特殊應用環境,在國內首次自主研制出了可在220和100MPa 壓力下長期使用的固定式高準確度光纖溫度壓力傳感器,在國內首次建立了第一個固定式光纖溫度壓力監測油井示范工程。利用這一技術,可

26、對油井狀態在線實時監測,及時探測到井內諸如漏水等狀態變化。這標志著中國光纖測井技術已經打破歐美等國家的技術壟斷,將為中國油氣井的開采發揮重要作用。除油井監測應用外,這一光纖溫度壓力傳感器在電力、化工、礦山等許多·10· 綜合評述 30 （ 16 ） ： 20712073. 2012 年第 32 卷第 2 期 16 17 。 領域都將有著廣闊的應用前景 P 腔壓力傳感器由高校實驗室正逐漸延伸到 光纖 F- 8 Cibula E， Donlagic D. Inline short cavity FabryPerot strain sensor for quasi distrib

27、uted measurement utilizing standard OTDR J . Optics Express，2007 ，30 （ 14 ） ： 87198730. 9 Ping Xu P， Pang F F， Chen N. FabryPerot Temperature Sensor for QuasiDistributed Measurement Utilizing OTDR J Journal of Electronic Science and Technology of China，2008 ， 6 （ 4 ） ： 393395. 10 于 清 旭，賈 春 艷 . 膜 片 式

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