专利名称：具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤压力传感器技术领域，特别是涉及一种光纤法珀压力传感器及其制作方法。
背景技术：
随着光纤传感器技术的发展，高精度光纤压力传感器的研究越来越深入。光纤压力传感器作为一种新型的传感器，具有电无源、不受电磁干扰，体积小、重量轻的优点。利用压力调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态等，并通过对这些变化的监测实现对压力的测量。光纤法珀压力传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常由光纤端面和膜片端面构成法珀微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，而使得法珀腔长发生变化，实现传感。近年来，在光纤法珀压力传感器研究方面，国内外研究人员对于制作法珀腔结构提出了多种方案，主要有光纤端面直接刻蚀微腔、采用毛细管封装微腔和基片蚀刻微腔等，如 2001 年 Don C. Abeysinghe 等(Don C. Abeysinghe, Samhita Dasgupta,Joseph T. Boyd, Howard E. Jackson，A Novel MEMS pressure sensor fabricated onan optical fiber, IEEE Photonics Technology Letters，2001，139:993-995)在包层直径分别为200um和400um，芯径为190um和360 u m的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上娃片构成传感器；2005年Juncheng Xu等(Juncheng Xu, XingweiWang, Kristie L.Cooper, Anbo Wang, Miniature all-silica fiber optic pressureand acoustic sensors, Optics Letters, 2005, 30 (24) : 3269-3271)利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤端面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法珀压力传感器；2006年Yizheng Zhu等(Yizheng Zhu, Kristie L. Cooper, GaryR. Pickrell, et. al. , High-Tempreture Fiber-TipPressure Sensor, Journal of Lightwave Technology, 2006, 24 (2) :861-869.)研究了适用于高温环境下的光纤压力传感器，其利用50%HF腐蚀芯层掺杂Ge而包层未掺杂的62. 5/125 u m多模光纤端面，而后再与105/125 u m多模光纤熔接，形成法珀微腔；2008年，Hae Young Choi 等(Hae Young Choi, Kwan Seob Park, Seong Jun Park et. al. , Miniaturefiber-optic high temperature sensor based on a hybrid structured Fabry-Perotinterferometer, Optics Letters, 2008, 33 (21) :2455-2457.)利用光子晶体光纤、中空光纤和多模光纤熔接构成法珀微腔传感器进行传感，并利用光谱法实现解调。以上的传感器中都没有温度补偿的相关设计，因此，在传感器实际测量过程中，由于传感器组成材料热胀冷缩效应影响，导致法珀腔腔长的微小改变。同时温度对传感器敏感元件(弹性膜片)的弹性模量、泊松比等参数的影响，也将导致传感器压力响应特性的变化。因此，不能达到高精度的传感器设备要求。 发明内容
基于上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器及其制作方法，在光纤法珀压力传感器中加入温度传感元件，根据检测光纤法珀压力传感器的温度特性，并采取温度补偿措施，进行不同温度环境的压力测量与补偿，实现高精度的光纤法珀压力传感器。本发明提出了一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，包括双芯玻璃传感器体9和多模光纤8，其特征在于，该装置还包括法珀微腔、温度传感元件FBG 7，法珀微腔位于传感器的前端，双芯玻璃传感器体9中设 置有圆形通孔，将多模光纤8和温度传感元件FBG7以贯穿形式设置于该圆形通孔，并封装在双芯玻璃传感器体后端，所述温度传感元件FBG7上靠近法珀微腔的一段具有FBG栅区6。所述双芯玻璃传感器体9采用同孔双芯传感器体。所述同孔双芯传感器体，采用以下两种结构第一种法珀微腔结构所述法珀微腔中，第一单晶硅晶圆片I、第一 Pyrex玻璃晶圆片2、第二单晶硅晶圆片3、第二 Pyrex玻璃晶圆片4从传感器前端向后依序同心叠放设置；第一单晶娃晶圆片I、第一 Pyrex玻璃晶圆片2、第二单晶娃晶圆片3构成同心第一圆形通孔12,第二单晶娃晶圆片3、第二 Pyrex玻璃晶圆片4构成同心的第二圆形通孔13、所述第二圆形通孔13与双芯玻璃传感器体9中设置的圆形通孔相通，双芯玻璃传感器体9形成同孔双芯，同时容纳多模光纤8和温度传感元件FBG 7，多模光纤8和FBG 7相邻；第二种法珀微腔结构所述法珀微腔中，单晶硅晶圆片26，Pyrex玻璃晶圆片27，从传感器前端向后依序同心叠放设置；单晶娃晶圆片26, Pyrex玻璃晶圆片27构成第一圆形浅坑30，并且所述第一圆形浅坑30的下表面贴有反射膜29，Pyrex玻璃晶圆片27中心设置第二圆形浅坑31，所述第二圆形通孔13与双芯玻璃传感器体9中设置的圆形通孔相通，容纳多模光纤8和温度传感元件FBG 7，双芯玻璃传感器体9形成同孔双芯，同时容纳多模光纤8和温度传感元件FBG 7，多模光纤8和FBG 7相邻。所述双芯玻璃传感器体9采用异孔双芯传感器体。所述异孔双芯传感器体的结构为法珀微腔中，所述第二圆形浅坑31，与所述第二圆形浅坑31相通设置一圆形通孔，另外，在双芯玻璃传感器体9中偏心设置另一圆形通孔，与第二圆形浅坑31相通设置的圆形通孔用于容纳多模光纤8，双芯玻璃传感器体9中偏心设置另一圆形通孔用于容纳温度传感元件FBG 7，双芯玻璃传感器体9形成异孔双芯。所述法珀微腔腔才长的计算公式为h = L0-Ymax
rr 3(I — LI' ) /-4,臟=~^~.7./，L0表示法珀腔原始腔长，P表示压强，U、E分别表示单晶硅晶圆片3的泊松比和杨氏弹性模量，t表示单晶硅晶圆片3的厚度，r表示第一圆形浅坑或第一圆形通孔的半径。所述其中，位于传感器前端的法珀微腔与温度传感元件FBG 7的间距小于7mm。另外，本发明也公开了具有温度补偿的光纤法珀压力传感器制作方法，该方法包括以下步骤一、法珀微腔结构的制作(I)第一种法珀微腔结构的制作方法
第I、对Pyrex玻璃晶圆片27双面抛光，同时在其上下表面分别腐蚀出第一圆形浅坑30和第二圆形浅坑31 ；
第2、第一圆形浅坑30的底部镀反射膜29 ；第3、将单晶硅晶圆片26清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片26与Pyrex玻璃晶圆片27。至此，完成了第一种法珀微腔的制作。(2)第二种法珀微腔结构的制作方法第I、对第一 Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光，在其上腐蚀出第一圆形通孔12 ；第2、将第一单晶硅晶圆片I清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合第一单晶娃晶圆片I与第一 Pyrex玻璃晶圆片2 ；第3、第二 Pyrex玻璃晶圆片4清洗之后，在其上腐蚀出第二圆形通孔13 ；第4、将第二单晶硅晶圆片3清洗之后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，将第二单晶硅晶圆片3双面分别与第一 Pyrex玻璃晶圆片2和第二 Pyrex玻璃晶圆片4键合。至此，完成了第二种法珀微腔的制作。二、双芯玻璃传感器体9的制作方法利用Pyrex玻璃或者熔融石英材料制作双芯玻璃传感器体9，首先制出外径或边长为2. 5mnT4mm,长度为5mm 15mm的圆柱体形或长方体形玻璃体；(I)第一种同孔双芯结构，在玻璃体中轴钻出直径为254 iim的通孔，并在双芯玻璃传感器体9的一端钻一个锥度为10° 20°、深度为2mnT3mm的喇叭口 ；(2)第二种异孔双芯结构，在玻璃体中轴钻出直径为127 iim的通孔，同时在离中轴500 u nT700 y m处，再钻出另一个直径为127 u m的通孔，并在两个通孔的末端均钻锥度为10。 20°、深度为2mnT3mm的喇叭口。三、传感器的封装(I)环氧树脂封装，第I、将多模光纤8和FBG 7端面切平后，从双芯玻璃传感器体9喇叭口一端伸入，并在双芯玻璃传感器体9另一端涂环氧树脂胶5，将法珀微腔与环氧树脂胶5接触，使第二圆形通孔13与双芯玻璃传感器体9通孔对中，推动多模光纤8和FBG7向前伸入第二圆形通孔13，并与第二单晶硅晶圆片3的下表面顶紧，利用高倍显微镜观察和精密二维位移平台微调法珀微腔与多模光纤8的相对位置，使得多模光纤8与法珀微腔的中心重合；第2、在双芯玻璃传感器体9尾部喇口八口涂环氧树脂胶5,用于固定多模光纤8和FBG 7，并在电热箱中60°C温度下固化I小时，或者在常温下固化24小时，完成传感器制作。(2)激光热熔无胶封装，第I、将多模光纤8和FBG端面切平后，从双芯玻璃传感器体9喇口入口一端伸入，并将多模光纤8接通可见光光源；第2、将法拍微腔置于双芯玻璃传感器体9前端，采用高倍显微镜观察多模光纤8输出光斑位置，利用精密二维位移平台调节法珀微腔位置，使光斑位于法珀微腔中心位置;第3、采用激光热熔法，将法珀微腔与双芯玻璃传感器体9熔接；第4、采用激光热熔法，将双芯玻璃传感器体9与多模光纤8和FBG 7熔接，且确保熔接点位置非FBG栅区6处，完成传感器的制作。


图I是本发明中具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器第一种结构示意图；图2是本发明中具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器第二种结构示意图；图3是本发明中具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器第三种结构示意图； 图4是本发明中双光源传感与解调系统原理示意图；图5是本发明可见光波段宽带光源下法珀微腔解调系统输出的低相干干涉条纹；图6是本发明中单光源传感与解调系统原理示意图；图7是本发明红外光波段宽带光源下法珀微腔解调系统输出的光谱扫描结果；图8是本发明FBG解调温度-波长曲线；图9是本发明可见光波段宽带光源，1(T70°C温度条件下，低相干干涉条纹解调相位-压强曲线；图10是本发明法珀微腔低相干干涉条纹解调相位-压强拟合曲线系数-温度拟合曲线；图11是本发明传感器温度校正之前，1(T70°C温度条件下，测量压强-实际压强曲线.图12是本发明传感器温度校正之后，1(T70°C温度条件下，测量压强-实际压强曲线。附图标记为1、第一单晶硅晶圆片，2、第一 Pyrex玻璃晶圆片，3、第二单晶硅晶圆片，4、第二 Pyrex玻璃晶圆片，5、环氧树脂胶，6、FBG栅区，7、FBG，8、多模光纤，9、双芯玻璃传感器体，10、第一单晶硅晶圆片下表面，11、第二单晶硅晶圆片上表面，12、第一圆形通孔，13、第二圆形通孔，14、红外光波段宽带光源，15、传输光纤，16、第一 2 X 13dB稱合器，17、第
二2 X 13dB耦合器，18、第三2 X 13dB耦合器，19、传感器，20,FBG温度解调系统，21、法珀腔光谱扫描法解调系统，22、FBG温度解调数据预处理模块，23、法珀腔解调数据预处理模块，24、数据处理与分析模块，25、显示器，26、单晶硅晶圆片，27、Pyrex玻璃晶圆片，28、单晶硅晶圆片下表面，29、反射膜，30、第一圆形浅坑，31、第二圆形浅坑，32、可见光波段宽带光源，33、法珀腔低相干干涉条纹提取法解调系统。与现有技术相比，本发明利用FBG测量温度结果对压力测量结果进行补偿，实现对传感器压力测量结果的实时校正，提高传感器的测量精度，达到高精度的压力测量传感器。
具体实施例方式以下结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案。本发明的光纤法珀压力传感器具有集压力传感与温度监测于一体的优点。传感器前端法珀微腔是压力传感元件，用于感受压力，而利用FBG作为温度传感元件进行温度监测，温度测量结果作为温度参考，以通过后期补偿的方式减轻或消除温度对法珀微腔腔长变化量的影响。FBG与法珀微腔的距离小于7mm，保证法珀微腔与FBG处于相同的温度条件下。最后综合传感器的温度响应特性与环境温度，利用FBG测量温度结果对压力测量结果进行补偿，实现对传感器压力测量结果的实时校正，提高传感器的测量精度。
实施例I :温度对高精度光纤法珀压力传感器压力测量结果影响分析光纤法珀压力传感器利用弹性膜片感受压力作用。当压力作用时，弹性膜片中心
最大形变量Ymax满足以下公式
权利要求
1.一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，包括双芯玻璃传感器体(9)和多模光纤(8)，其特征在于，该装置还包括法珀微腔、温度传感元件FBG(7)，法珀微腔位于传感器的前端，双芯玻璃传感器体(9)中设置有圆形通孔，将多模光纤(8)和温度传感元件FBG (7)以贯穿形式设置于该圆形通孔，并封装在双芯玻璃传感器体后端，所述温度传感元件FBG (7)上靠近法珀微腔的一段具有FBG栅区(6)。
2.如权利要求I所述的具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，其特征在于，所述双芯玻璃传感器体(9)采用同孔双芯传感器体。
3.如权利要求2所述的具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，其特征在于，所述同孔双芯传感器体，采用以下两种结构 第一种法珀微腔结构、所述法珀微腔中，第一单晶硅晶圆片(I)、第一 Pyrex玻璃晶圆片(2 )、第二单晶硅晶圆片(3 )、第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)从传感器前端向后依序同心叠放设置；第一单晶硅晶圆片(I)、第一 Pyrex玻璃晶圆片(2)、第二单晶硅晶圆片(3)构成同心 第一圆形通孔(12)、第二单晶娃晶圆片(3)、第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)构成同心的第二圆形通孔(13)、所述第二圆形通孔(13)与双芯玻璃传感器体(9)中设置的圆形通孔相通，双芯玻璃传感器体(9)形成同孔双芯，同时容纳多模光纤(8)和温度传感元件FBG (7)，多模光纤(8)和FBG (7)相邻； 第二种法珀微腔结构、所述法珀微腔中，单晶硅晶圆片(26)，Pyrex玻璃晶圆片(27)，从传感器前端向后依序同心叠放设置；单晶硅晶圆片(26)，Pyrex玻璃晶圆片(27)构成第一圆形浅坑(30)，并且所述第一圆形浅坑(30)的下表面贴有反射膜(29)，Pyrex玻璃晶圆片(27)中心设置第二圆形浅坑(31)，所述第二圆形通孔(13)与双芯玻璃传感器体(9)中设置的圆形通孔相通，容纳多模光纤(8)和温度传感元件FBG (7),双芯玻璃传感器体(9)形成同孔双芯，同时容纳多模光纤(8)和温度传感元件FBG (7)，多模光纤(8)和FBG (7)相邻。
4.如权利要求I所述的具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，其特征在于，所述双芯玻璃传感器体(9)采用异孔双芯传感器体。
5.如权利要求4所述的具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，其特征在于，所述异孔双芯传感器体的结构为法珀微腔中，所述第二圆形浅坑(31)，与所述第二圆形浅坑(31)相通设置一圆形通孔，另外，在双芯玻璃传感器体(9)中偏心设置另一圆形通孔，与第二圆形浅坑(31)相通设置的圆形通孔用于容纳多模光纤(8)，双芯玻璃传感器体(9)中偏心设置另一圆形通孔用于容纳温度传感元件FBG (7)，双芯玻璃传感器体(9)形成异孔双芯。
6.一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器制作方法，该传感器中包括同芯双芯玻璃传感器体，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一，制作法珀微腔 第一种法珀微腔结构的制作，包括以下步骤 对第一 Pyrex玻璃晶圆片(2 )双面抛光，在其上腐蚀出第一圆形通孔(12 );将第一单晶硅晶圆片(I)清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合第一单晶硅晶圆片(I)与第一 Pyrex玻璃晶圆片(2)； 第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)清洗之后，在其上腐蚀出第二圆形通孔(13);将第二单晶硅晶圆片(3)清洗之后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，将第二单晶硅晶圆片(3)双面分别与第一 Pyrex玻璃晶圆片(2)和第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)键合，至此，完成了第一种法珀微腔的制作； 第二种法珀微腔结构的制作，包括以下步骤 对Pyrex玻璃晶圆片(27)双面抛光，同时在其上下表面分别腐蚀出第一圆形浅坑(30)和第二圆形浅坑(31)； 第一圆形浅坑(30)的底部镀反射膜(29);将单晶硅晶圆片(26)清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片(26)与Pyrex玻璃晶圆片(27); 至此，完成了第二种法珀微腔的制作； 步骤二、双芯玻璃传感器体(9)的制作，包括以下步骤 利用Pyrex玻璃或者熔融石英材料制作双芯玻璃传感器体(9)，首先制出外径或边长为2. 5mnT4mm,长度为5mm 15mm的圆柱体形或长方体形玻璃体； 对于同孔双芯玻璃传感器体，在玻璃体中轴钻出直径为254 u m的通孔，并在双芯玻璃传感器体(9)的一端钻一个锥度为10° 20°、深度为2mnT3mm的喇叭口 ； 步骤三，传感器的封装。
7.一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器制作方法，该传感器中包括异孔双芯玻璃传感器体，其特征在于，该方法包括以下步骤 步骤一，制作法珀微腔，包括以下步骤 对Pyrex玻璃晶圆片(27)双面抛光，同时在其上下表面分别腐蚀出第一圆形浅坑(30)和第二圆形浅坑(31);第一圆形浅坑(30)的底部镀反射膜(29);将单晶硅晶圆片(26)清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片(26)与Pyrex玻璃晶圆片(27)至此，完成了法珀微腔的制作； 第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)清洗之后，在其上腐蚀出第二圆形通孔(13 ;将第二单、晶硅晶圆片(3)清洗之后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，将第二单晶硅晶圆片(3)双面分别与第一 Pyrex玻璃晶圆片(2)和第二 Pyrex玻璃晶圆片(4)键合， 至此，完成了第一种法珀微腔的制作； 步骤二、双芯玻璃传感器体9的制作，包括以下步骤 利用Pyrex玻璃或者熔融石英材料制作双芯玻璃传感器体(9)，首先制出外径或边长为2. 5mnT4mm,长度为5mm 15mm的圆柱体形或长方体形玻璃体； 对于异孔双芯玻璃传感器体，，在玻璃体中轴钻出直径为127 u m的通孔，同时在离中轴500 u nT700 y m处，再钻出另一个直径为127 u m的通孔，并在两个通孔的末端均钻锥度为10° 20°、深度为2mnT3mm的喇叭口 ； 步骤三、传感器的封装，包括以下步骤
8.如权利要求6或7所述的具有温度补偿的光纤法珀压力传感器制作方法，所述传感器的封装步骤，又包括两种方法，具体步骤如下 环氧树脂封装方法第I、将多模光纤(8)和FBG (7)端面切平后，从双芯玻璃传感器体(9)喇叭口一端伸入，并在双芯玻璃传感器体(9)另一端涂环氧树脂胶(5，将法珀微腔与环氧树脂胶(5)接触，使第二圆形通孔(13)与双芯玻璃传感器体(9通孔对中，推动多模光纤(8)和FBG9 (7)向前伸入第二圆形通孔(13)，并与第二单晶硅晶圆片(3)的下表面顶紧，利用高倍显微镜观察和精密二维位移平台微调法珀微腔与多模光纤(8)的相对位置，使得多模光纤(8)与法珀微腔的中心重合；第2、在双芯玻璃传感器体(9)尾部喇叭口涂环氧树脂胶(5)，用于固定多模光纤(8)和FBG (7)，并在电热箱中60°C温度下固化I小时，或者在常温下固化24小时，完成传感器制作；激光热熔无胶封装方法第I、将多模光纤(8)和FBG端面切平后，从双芯玻璃传感器体(9)喇口入口一端伸入，并将多模光纤8接通可见光光源；第2、将法拍微腔置于双芯玻璃传感器体(9)前端，采用高倍显微镜观察多模光纤(8)输出光斑位置，利用精密二维位移平台调节法珀微腔位置，使光斑位于法珀微腔中心位置;第3、采用激光热熔法，将法珀微腔与双 芯玻璃传感器体(9)熔接；第4、采用激光热熔法，将双芯玻璃传感器体(9)与多模光纤(8)和FBG (7)熔接，且确保熔接点位置非FBG栅区(6)处，完成传感器的制作。
全文摘要
本发明公开了一种具有温度补偿的光纤法珀压力传感器，包括双芯玻璃传感器体9和多模光纤8，其特征在于，该装置还包括法珀微腔、温度传感元件FBG 7，法珀微腔位于传感器的前端，双芯玻璃传感器体9中设置有圆形通孔，将多模光纤8和温度传感元件FBG 7以贯穿形式设置于该圆形通孔，并封装在双芯玻璃传感器体后端，所述温度传感元件FBG 7上靠近法珀微腔的一段具有FBG栅区6，与现有技术相比，本发明利用FBG测量温度结果对压力测量结果进行补偿，实现对传感器压力测量结果的实时校正，提高传感器的测量精度，达到高精度的压力测量传感器。
文档编号G01L1/24GK102721492SQ201210176339
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者刘琨, 刘铁根, 吴凡, 孟祥娥, 尹金德, 张以谟, 江俊峰, 王双, 王少华, 秦尊琪 申请人:天津大学