光纤F_P腔压力传感器的研究进展

1、光纤F-P腔压力传感器的研究进展韩冰,高超(中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095摘要:光纤F-P腔压力传感器因其独有的优点广泛应用于军事、民用领域。国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究。本文介绍了光纤F-P腔压力传感器的研究进展,对全光纤结构F-P压力传感器、激光加工微型光纤压力传感器、二氧化硅膜片压力传感器的结构和制作过程进行了总结,并对利用MEMS制作压力传感器的工艺进行了详述,对比分析了不同加工工艺下传感器的性能及其优缺点。关键词:光纤压力传感器;Fabry-perot腔;MEMS工艺中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号: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引言光纤传感器技术起步于上世纪70年代末,是伴随着光纤通讯技术的发展而发展起来的,由于其具有信号不受电磁场干扰、绝缘性高、防爆性好等诸多优点12,目前在民用和军事领域都有着越来越广泛的应用前景。例如,在医学领域,利用光纤压力传感器进行颅压、胸压、腹压等的测量可以最大限度地减小患者手术的风险;而在进行断层扫描(CT及核磁共振(NMR时,它依旧可以准确地测量病患部位的压力,突出了其抗电磁干扰的特性。本文以传感器的加工工艺、结构为重点,综述了几种常用的F-P腔光纤压力传感器结构及其制作技术。1光纤F-P腔压力传感器原理光纤F-P腔压力传感器的基本结构示意图如图1所示,将两根光纤的

6、端面作为反射面,使两光纤端面严格平行、同轴,与中空光纤形成一个腔长为l的密封收稿日期:20120109;收修改稿日期:20120116作者简介:韩冰(1983,助理工程师,硕士,从事与计量、测试相关的工作。光纤F-P腔,这样就形成了光纤F-P腔传感器 。图1光纤F-P腔压力传感器结构示意图当传感头受到外界均匀分布的压力时,其腔体轴向变形表达式1为l=Plr2oE(r1or2i(12(1式中:P为腔体内外压强差;l是腔体长度;r i,r o分别是腔体内、外半径;E为腔体材料的杨氏模量;为泊松比。当腔体长度l一定时,其变形量与所受的压强成正比,而腔体长度的变化影响到光纤内入射光与反射光的光程差,利

7、用光电探测器等即可实现对光信号的解调,并最终实现对压力的测量。2常用光纤F-P腔压力传感器结构及制作工艺国内外诸多科研机构(例如:南京师范大学物理科学与技术学院;美国的弗吉尼亚理工学院、斯坦福大学应用物理系;英国爱丁堡的赫瑞瓦特大学;斯洛文尼亚的马里博尔大学等基于传感器材料、制作方法等的不同,已经研制出多种光纤F-P腔压力传感器。2.1全光纤结构F-P压力传感器全光纤结构F-P压力传感器3为毛细管结构,是基于非本征型法布里珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer,EFPI结构的光纤传感器。此类传感器由单模及多模光纤通过焊接而成,如图2所示 。图2全光

8、纤结构压力传感器全光纤结构F-P光纤压力传感器首先将刻蚀得到的中空光纤与单模光纤熔接在一起,然后对单模光纤(SMF-28与多模光纤进行刻蚀或拉伸,使其外径相同,并利用电弧热熔技术进行熔接,将熔接好的单模光纤(SMF-28与多模光纤插入中空光纤,如图2所示。导光光纤(单模光纤与多模光纤端面间即形成F-P腔体,利用白光干涉仪和微调机构监测并调整F-P 腔的长度,当F-P长度达到设计要求后,固定单模光纤和多模光纤插入的位置,并与中空光纤焊接在一起,即可完成传感器的制作。全光纤结构压力传感器的主要技术指标如下:压力分辨力为689.5Pa(0.1psi,温漂为179.14Pa/(0.026psi/,压力

9、量程可以做到103.4MPa,灵敏度可以做到0.2175nm/kPa (1.5nm/psi,外径125m。制作过程中存在的难点是控制敏感部分即中空光纤的长度、所用材料物理性能的一致性;控制中空光纤的制备质量;各个光纤段的焊接以及端面反射率的控制等。由于全光纤结构F-P光纤压力传感器的主体部分全部采用光纤材料,因此其主要特点是具有很好的热稳定性能。全光纤结构F-P腔压力传感器具有不受温度影响、不受电磁场影响、耐腐蚀、耐高温等优点;与光纤顶端振动膜式传感器相比具有更容易制造、抗摩擦、拥有更大的量程等优点。由于制造原因的限制,全光纤结构F-P腔压力传感器的尺寸略大于一般的微型F-P腔压力传感器,这是

10、这种传感器最大的缺点。全光纤结构压力传感器技术成熟,制作工艺相对简单,通过选择适当的光纤、中空管材料和F-P腔结构参数,使得在压力测量中能够对大范围温度变化影响作自动补偿,即具有较小的应变温度交叉灵敏度。目前该类光纤传感器被广泛应用于不同领域的应力、应变、压力、温度等物理量的测量,主要为介入式血压测量、植入材料内部进行的应力监测、油井内的压力监测等。2.2激光加工微型光纤压力传感器激光微加工技术及纳米加工合成膜技术为研究新一代光通信器件和光纤传感器等提供了新的技术手段。激光微加工技术一般有两种方案:一种是减小激光脉冲宽度,如飞秒激光;另一种是采用短波长激光,如准分子激光46。利用激光加工的微型

11、光纤压力传感器主体结构为全石英材料,其典型结构示意图如图3所示 。图3激光加工微型压力传感器激光加工微型光纤压力传感器首先利用激光对单模光纤端面刻蚀,再对刻蚀进行覆膜形成F-P腔体。激光加工装置如图4所示,使用柱面镜将准分子激光器输出光束准直、整形为3cm3cm的光斑,然后进入6cm6cm聚焦矩阵透镜,再进入空间滤波器,再次进入6cm6cm聚焦矩阵透镜,最终得到光强在1cm 长度范围内均匀分布且形状为方形的光束。将待刻蚀的光纤固定在玻璃毛细管中,利用三维坐标装置夹持移动,使通过模板的激光在每个光纤表面完成刻蚀,得到直径30m或70m的凹孔。F-P腔的覆膜利用聚碳酸酯制成,将聚碳酸酯薄片拉伸成直

12、径为25cm 的饼状,同时将一环状圈紧套在聚碳酸酯薄片上,以保持其拉紧状态,然后将更小的圆环涂抹上环氧胶粘在薄片上,通过重力拉紧薄片,并在胶固化后剪下,为更好的控制端面反射,在薄片上阳极化100nm 的铝。将光纤一端靠近薄片,涂抹紫外固化胶,通过机械控制和显微镜观察控制顶紧薄片,最终固化、穿破得到传感器。在整个传感器制作过程中,激光强度及三维夹持装置的稳定性都可以利用计算机进行实时反馈控制,其难点主要是如何消除光纤的底面影响反射和紫外固化胶的涂抹 。图4激光加工装置激光加工微型光纤压力传感器的压力响应时间可以达到3s ,振动膜材料采用铝覆盖的聚碳酸脂薄片压力可以达到2kg ,其最大的优点是响应

13、时间快。所以,激光加工微型光纤压力传感器主要应用领域为生物医药、压气机内部压力监测、油井内的压力监测等。自上世纪80年代以来,国内的重庆大学、清华大学、上海光机所、复旦大学等多家科研单位在激光微加工技术方面取得了一批成果,近十年来发展较快。国内目前已有数个激光微加工平台,大致分为两类:飞秒激光微加工和紫外激光微加工。其中以飞秒激光加工居多,中国科大、西安光机所、上海光机所、复旦大学、天津大学等都有此类加工平台,但在加工精度和激光器性能等方面不太理想。就紫外加工平台而言,清华、上海交大等国内高校已有光纤光栅制作平台,但功率较低还不能用于微加工。就国外激光微加工平台发展状况来看,像日本东京大学、德

14、国汉堡大学以及LZH 研究所、加拿大多伦多大学及国家光学研究院等都具有飞秒激光和紫外激光加工中心,具有很强的加工能力,可以加工金属、半导体、聚合物、宝石等材料,且加工精度高,但这些科研机构主要着眼于材料加工,在光电子器件方面开展的研究工作较少。从激光微加工平台整体发展水平来说,国内与国际先进水平仍有一定差距,核心关键技术仍以引进和模仿发达国家为主,缺乏创新,没有自主知识产权。2.3二氧化硅膜片压力传感器上世纪七八十年代,国外已经提出基于膜片设计的光纤F-P 压力传感器结构,光学反射平面采用的是对压力敏感的膜片,当膜片随着压力的变化产生位移时,F-P 腔的腔长也随之发生变化,全光纤结构二氧化硅膜

15、片压力传感器结构如图5所示 。图5全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器制作流程如图6(a ,(b ,(c ,(d 所示。将外径相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起,然后切割多模光纤至40m ,对多模光纤的另一个端面进行刻蚀,刻蚀完成后,与另一单模光纤熔接。熔接后,先利用比长仪切割单模光纤,使其厚度不大于20m ;然后再利用氢氟酸腐蚀减薄膜片。在进行膜片刻蚀的时候使用如图7所示的压力容器装置进行实时监测,以便得到设计的灵敏度。完成传感器主体部分的加工后,将光纤插入金属套,分别用3m ,0.5m 砂纸对膜片进行研磨,直至膜片厚度为3 5m 。全光纤结构二氧化硅膜片压力传感

16、器量程为0 40kPa ,0 1MPa ;最大灵敏度为1.1rad /kPa ;分辨力为300Pa ;直径为125m 。腔内刻蚀控制和打磨SiO 2膜片的控制是此类传感器制作的难点710 。图6全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器制作流程图全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器具有分辨力高、全硅结构、动态监测膜片厚度有利于灵敏度控制等优点,但同时存在适用量程范围较小等缺点。膜片式压力传感器与毛细管结构的压力传感器相比,具有 图7膜片厚度(灵敏度控制图更高的压力敏感度,适合低压测量,同时该种传感器进一步消除了传统EFPI腔结构中光纤自由端受环境影响带来的温度交叉敏感性,并且通过调节膜片厚度可以实现压力测量

17、灵敏度可调、测量范围可调等。由于在工业和医疗领域,尤其是医学领域低压范围的测量有着广泛的应用前景,膜片式微型压力传感器越来越成为研究的焦点。但目前能够在光纤端面制作高灵敏膜片的技术仍存在工艺复杂、材料温度和力学特性差等诸多缺陷,国内外已经有科研机构使用新型材料如新型聚合物材料等制作压强敏感膜片。3F-P光纤MEMS压力传感器进入21世纪以来,微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS技术在光领域中的应用非常引人注目,将光纤传感技术和MEMS技术相结合制作新型光纤MEMS传感器已经成为光纤传感器制作领域的新热点。MEMS技术的引入,使得F-P压力传

18、感器的可靠性、抗电磁干扰以及抗腐蚀性都有提高,而且F-P 腔MEMS光纤压力传感器还具有尺寸小、准确度高、动态范围大等诸多优点,同时,由于MEMS器件适合于大规模集成化生产,一旦技术成熟,产品定型,可以大大降低传感器的成本。随着技术的不断成熟,出现了很多种不同结构的F-P光纤MEMS压力传感器。3.1国外F-P光纤MEMS压力传感器研究现状随着MEMS技术的不断成熟完善,国外多家高校及研究机构都进行了F-P光纤MEMS压力传感器的研究工作,并且出现了不同结构的F-P光纤MEMS压力传感器。其中一部分传感器的压力敏感膜是运用体硅工艺和表面牺牲层工艺制作的,还有一部分的传感器是利用光纤腐蚀熔接工艺

19、制作的。运用MEMS工艺制作F-P光纤MEMS压力传感器的有:美国Cincinnati大学的Jie Zhou等人用体硅工艺制作的F-P光纤MEMS压力传感器;Jaeheon小组运用表面牺牲层工艺与体硅工艺结合制作得到平面膜形和波纹膜形两种膜形的光纤法布里珀罗干涉型MEMS 压力传感器;Don C.Abeysinghe等人提出了一种微型的光纤MEMS传感器;日本Tohoku大学的Kentaro Tot-su等人开发了一种采用白光干涉的微型光纤压力传感器;马里波大学的Edvard Clbula等人也提出了一种制作在光纤端面上的法布里珀罗传感器;弗吉尼亚大学的Juncheng Xu小组设计了一系列制

20、作在光纤上面的传感器等。以Hill G C,Melamud R,Declercq F E等人11为代表研制的SU-8复合材料压力传感器在MEMS中应用得越来越广泛。SU-8是一种紫外敏感的负性厚光刻胶,其光敏性较好,同时吸收系数也较小,在短时间内即可达到曝光剂量的要求;这种材料比硅容易制造,成本低,制作周期短;SU-8复合材料弹性模量低于硅,使用这种材料相对提高了压力灵敏度,而且厚胶内的曝光剂量也比较均匀,凭借着优秀的化学、热学以及机械稳定性在MEMS中越来越广泛的应用。SU-8复合材料压力传感器的模型及结构如图8所示,其中,模型图中给出了光的进出情况 。图8SU-8材料微型压力传感器SU-8

21、复合材料压力传感器制作过程如图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层作为横振膜;然后在此基础上,制作孔径100m,厚50m的环状SU-8材料腔以及孔径125m,厚100m的SU-8套管;为控制端面反射率,在上述结构件的表层进行金属镀膜,再将光纤插入,光纤端面与SU-8横振膜的金属镀层之间就形成了F-P腔体;拔出光纤,用氰基丙烯酸盐粘合剂在大气压力下粘结,形成最终的传感器结构。SU-8复合材料结构压力传感器的主要技术指标如下:外径为300m ,测量范围可达0 125mmHg ,分辨力为1 2mmHg 。镀膜厚度的控制及传感器顶端加工的控制是此类

22、传感器制作的难点 。图9SU-8材料微型压力传感器制作流程SU 8复合材料压力传感器是国外一种比较成熟的压力传感器,在介入式生物医学已经有了广泛的应用。但是由于SU 8复合材料不是密封材料,在微系统中会引入其它误差源,同时材料还具有迟滞及漂移等问题,对传感器的性能有一定的影响。膜片迟滞、密封问题、反射层分层也有可能使这种传感器稳定性较差。3.2国内F-P 光纤MEMS 压力传感器研究现状国内先后有厦门大学、南京师范大学、燕山大学等多家高校利用MEMS 技术在光纤传感器制作中的应用进行了研究,并已经研制出一些压力传感器以及加速度传感器。南京师范大学研制出的一种F-P 光纤MEMS 压力传感器结构

23、1213如图10所示 。图10F-P 光纤MEMS 压力传感器结构示意图首先利用MEMS 技术,将镀铝的硅膜与玻璃圆管通过阳极键合技术紧密的结合在一起;然后将玻璃管安装在光纤法兰盘上,该法兰盘是FOCI 型光纤法兰盘的一半;最后将光纤插头旋到法兰盘上,光纤插头的陶瓷插针端面与硅膜的下表面间形成F-P 腔,硅膜在压力的作用下发生形变从而改变了F-P 腔腔长,通过测量反射谱的相位变化可以得出作用在硅膜上的压力。硅膜中心挠度与压力p 的关系为p r 4Eh 4=163(12(y h+73(1(yh3(2式中:p 为施加的压力;r 为敏感膜半径;E 为单晶硅杨氏模量;h 为敏感膜厚度;为泊松比;y 为

24、敏感膜中心挠度。目前这种F-P 光纤MEMS 压力传感器的测量范围为0 3MPa ,测量范围较广;线性度达到0.0041%,重复性为0.79%,灵敏度较高。F-P 光纤MEMS 压力传感器是目前光纤领域的研究热点。光纤F-P 压力传感器如何进一步引入MEMS 技术,如何使MEMS 在微型化、产业化等方面的优势得到进一步发挥,仍是目前和未来一段时间研究的热点和难点。4光纤F-P 腔压力传感器的应用现状大多数光纤F-P 腔压力传感器仍处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用14。但在实验室研究的基础上,也有一些研究机构和公司积极介入该领域,应用相关技术,研究开发了一些适用于实际生产的产品。

25、大连理工大学物理系和中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院针对高温、高压油井的测量环境,设计研制了基于光纤非本征型F-P 腔的波长解调型光纤压力传感器系统,解决了高温高压交叉敏感性、高温高压传感器的密封、传输光纤的保护等关键技术问题。该传感器已成功地应用于辽河油田曙光采油场油井下的压力实时监测15。由山东省科学院激光研究所承担的“光纤高温高压井筒测试技术”课题于2010年通过科技部验收。该课题组根据高温高压油井的特殊应用环境,在国内首次自主研制出了可在220和100MPa 压力下长期使用的固定式高准确度光纤温度压力传感器,在国内首次建立了第一个固定式光纤温度压力监测油井示范工程。利用这一技术,可

26、对油井状态在线实时监测,及时探测到井内诸如漏水等状态变化。这标志着中国光纤测井技术已经打破欧美等国家的技术垄断,将为中国油气井的开采发挥重要作用。除油井监测应用外,这一光纤温度压力传感器在电力、化工、矿山等许多·10· 综合评述 30 （ 16 ） ： 20712073. 2012 年第 32 卷第 2 期 16 17 。 领域都将有着广阔的应用前景 P 腔压力传感器由高校实验室正逐渐延伸到 光纤 F- 8 Cibula E， Donlagic D. Inline short cavity FabryPerot strain sensor for quasi distrib

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