[发明专利]带有复合介质薄膜的F-P压力传感器

说明书

本发明公开的一种带有复合介质薄膜的F‑P压力传感器，包括制有F‑P谐振腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F‑P谐振腔端口的压力膜片。在所述的压力膜片背面以及所述F‑P谐振腔凹槽底部硅片上生长有至少一层复合介质膜，所述复合介质膜为SiO₂/Ta₂O₅薄膜、Si₃N₄/Ta₂O₅薄膜或SiO₂/Ta₂O₅/Si₃N₄中的至少一种组合形态的多层薄膜。本发明结构简单，制作方便快捷，成本低，有较高的热稳定性。本发明在压力膜片背面和上插芯凹槽底面生长复合介质膜，通过压力膜片与上插芯连接形成F‑P谐振腔，匹配系统的反射率，这种组合复合介质膜不但热稳定性好，同时可以根据设计要求组合得到满足系统要求的反射率。

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于温度、应变、振动和压力等物理量测量的光纤法珀(F-P)传感器，特别是涉及一种带有复合介质薄膜的F-P压力传感器。

背景技术

光纤传感器以光作为信息载体，以光纤作为信传输介质，对被测参量进行传感测量。它具有好的电绝缘性，强的抗电磁干扰能力，同时还具有耐高温、高压，耐腐蚀特性，并且能在易燃易爆等恶劣环境下使用。光纤法布里-法珀(F-P)传感器是光纤传感器中的一个重要的分支。光纤F-P谐振腔压力传感器的敏感部件是光纤F-P谐振腔，当光进入光纤F-P腔后，将会在两反射端面间多次反射，形成多光束干涉光谱。当在进行压力测试时，外界压力的变化引起光纤F-P谐振腔长的变化，从而引起多光束干涉光谱变化，利用外部解调设备可以计算出压力值。光纤F-P传感器具有结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，响应时间短，单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，同时还在石油化工、航空航天及桥梁等建筑物的健康监测中有广泛的应用前景，是目前的研究热点之一。

绝大部分F-P传感器的基本测量原理都是以压力(压强)测量为基础的,比如超声测量就是测量由声信号所引起的一种动态压强的变化;磁场测量也是先由磁致伸缩材料将磁场转化为应力来测量等等。光纤F-P压力传感器的通常由石英管和单模光纤构成。单模光纤的外径为125m,石英管的内径为126m.用两段单模光纤(SMF1 和SMF2)插入石英管中,两光纤端面根据需要相距可以在几十到几百微米的范围, 中间为空气隙,在石英管中形成一个外腔式F-P干涉腔,两反射光束分别来自于SMF1和SMF2的端面,在SMF1中形成干涉条纹。在石英管两端将石英管与光纤粘接在一起,如果有外力作用,石英管会发生形变,相当于腔长S有一个微小的变化。对于F-P光纤压力传感器,根据其测量范围和分辨率的要求,需要控制传感器的温度系数.在几个影响因素中,以粘接胶的影响最大,通过控制涂胶方式,可以大幅度改善其温度敏感性,但如果通过控制涂胶方式不能满足要求,则应考虑用熔接方式将光纤和石英管焊接在一起,但此种方法要求工艺较高;第二个因素是腔中的空气热胀冷缩,在干涉腔中产生一定的压强,会部分抵消或加强外界压强,解决方法是采用开放腔,可以将只起反射作用的光纤换成带孔光纤,并延长到外界空气中,可以保持腔内空气压强恒定。

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。

目前，光纤传感器正在朝微型化、低成本、耐恶劣环境和实用化方向发展。我国的研究水平与国际领先水平还有不小的差距，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。