[发明专利]一种太极型结构的光纤平面应力传感器

说明书

本发明公开一种太极型结构的光纤平面应力传感器，整个装置由宽带光源、太极型结构光纤传感器、光谱仪构成；所述的太极型结构光纤传感器由两个回音壁并联组成，用硅酮胶体进行片状封装；当被测物体发生形变时，贴附于其表面的太极型结构光纤传感器会发生相应的形变，导致传感器输出的光谱发生漂移，通过监测光谱变化情况可以感知被测物体的平面应力。该发明具有结构简单紧凑、机械强度高、可测量平面应力等优点。

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及到一种太极型结构的光纤平面应力传感器。

背景技术

在薄形器件的镀膜加工过程中，由于工艺原因以及各种材料的尺寸和性能存在差异，器件会因为平面应力等原因发生变形、弯曲现象，对器件的可靠性产生不利影响。例如，在半导体器件的制造中，由于基底材料和镀膜材料的热膨胀系数不同，带来各自平面应力的不同，使得器件产生翘曲，发生翘曲的芯片会影响半导体器件的性能，甚至导致报废。因此，对平面应力导致的薄型器件形变的检测至关重要。

常见的光纤应力传感器，如光纤布拉格光栅、法布里-珀罗腔、马赫-曾德尔干涉仪等，虽然存在一定程度的温度交叉影响因素，但可以较好地实现沿光纤轴向的应力测量，即一维的应力测量。对于平面应力导致的薄型器件的形变检测，往往需要对平面应力的大小和方向进行测量和判断，因此，开发一种结构简单、受环境温度变化影响小的光纤平面应力传感器用于平面应力导致的薄型器件形变的检测，具有很高的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种太极型结构的光纤平面应力传感器，利用光纤传感器中的回音壁结构产生的干涉光谱变化来感知待测平面应力的变化。同时使用硅酮胶体对传感器进行片状封装，一方面增大了传感器的机械强度，另一方面硅酮胶体的绝热特征降低了温度的交叉影响，较好地实现平面应力传感测量。

本发明采用的技术方案为：

一种太极型结构的光纤平面应力传感器，其特征包括宽带光源(1)、太极型结构光纤传感器(2)、光谱仪(3)；宽带光源(1)输出端与太极型结构光纤传感器(2)的输入端相连，太极型结构光纤传感器(2)的输出端与光谱仪(3)的输入端相连。

所述的太极型结构光纤传感器(2)由回音壁(6)和回音壁(7)并联组成，两个回音壁的内径大小均为7mm，通过玻璃套管(4)和玻璃套管(5)固定，玻璃套管的尺寸均为长0.5cm，内径0.5mm。

所述的太极型光纤结构传感器(2)通过硅酮胶体(8)对进行片状封装，封装厚度不超过4mm，面积可根据被测物体的情况决定。

本发明的工作原理是：

当宽带光源从单模光纤引入到回音壁结构时，一部分光会脱离纤芯透射到包层，如果外界折射率小于包层的折射率且回音壁结构的半径合适，在外界和包层的界面处会发生全反射，形成回音壁模式。传输光通过回音壁结构后，透射到包层的光耦合回纤芯，与纤芯的光产生干涉。峰值波长λ_m可以表示为：

式中：L_eff表示回音壁结构的有效弯曲长度，Δn_eff表示纤芯和包层有效折射率的差值，m表示一个正整数，等于0，1，2…。

由公式(1)可知，当回音壁结构有效弯曲长度变化时，干涉光谱峰值波长会发生漂移。当被测物体发生形变时，贴附于其表面的太极型结构光纤传感器会发生形变，导致回音壁结构有效弯曲长度发生变化，峰值波长相应发生漂移，并且会在不同应力方向上表现出不同的灵敏度，可以通过波长的漂移量和灵敏度反推出被测物体平面应力的大小和方向。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用两个回音壁并联组成，结构简单紧凑，成本低，不仅能实现较低的应力检测限，还能够检测平面内的应力作用区域。

2、与现有的同类型光纤传感器比较，本发明的机械强度更高。