光纤F_P腔压力传感器的研究进展

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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: 1674 － 5795 ( 2012) 02 － 0005 － 06

Research Progress of Optical Fiber Type Fabry-perot Pressure Sensor

HAN Bing ，GAO Chao

( Changcheng Institute of Metrology ＆ Measurement ，Beijing 100095，China)

A b s t r a c t : T he Fabr y -per o t ( F -P ) ca v it y pressure sens o r has been w idel y used in m ilitar y and ci v il f ields. It is researched b y m an y d o m es - tic o r f o rei g n uni v ersities and research institutes. T he research pr og ress o f the o ptical f iber t y pe F -P pressure sens o r is intr o duced ，and the struc - tures and m anu f acturin g pr o cesses o f F -P pressure sens o r ，the laser pr o cessin g m iniature f ibre -o ptical pressure sens o r and the f ull o ptical f iber structure silic o n diaphra g m pressure sens o r are su mm ari z ed. T he techn o l ogy o f usin g M E M S t o pr o duce pressure sens o r is described in detail. T he sens o r per f o r m ance and its ad v anta g es and disad v anta g es in di ff erent pr o cessin g techn o l ogy are c o m pared and anal yz ed.

Key words : optical fiber pressure sensor; Fabry-perot cavity; MEMS technology

0 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

［1 － 2］

，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，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

ΔPlr

2 Δl = o

E ( r 1 － r 2 ) ( 1 －

2μ) ( 1)

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: 2012 － 01 － 09; 收修改稿日期: 2012 － 01 － 16 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。

式中: ΔP 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; μ 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( S M F-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( S M F-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/℃)，压力量程可以做到103.4M Pa，灵敏度可以做到0.2175n m/kPa (1.5n m/psi)，外径125μm。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［4 －6］。

利用激光加工的微型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3 cm × 3 cm的光斑，然后进入6 cm ×6 cm 聚焦矩阵透镜，再进入空间滤波器，再次进入6 cm × 6 cm 聚焦矩阵透镜，最终得到光强在1 cm 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30 μm 或70 μm 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径为25 cm 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