CN104359587A - 一种光纤法布里-珀罗温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤法布里-珀罗温度传感器，包括传导光纤和第一、第二金属膜片，所述传导光纤在端部形成凹槽，第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，凹槽与第二金属膜片形成法布里-珀罗腔，所述第二金属膜片的外侧设有第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜；所述第一和第二金属膜片分别采用单晶硅和铝。所述光纤法布里-珀罗温度传感器可提高光纤温度传感器测温的稳定性和精确性。

Description

一种光纤法布里-珀罗温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤法布里-珀罗温度传感器及其制作方法，属于光纤温度传感器。

背景技术

光纤法布里-珀罗（F-P）温度传感器结构简单，较易实现，是目前最常用的干涉型光纤温度传感器。它通常由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗腔，当温度改变时，法布里-珀罗腔发生变化，从而实现传感。国内外对于光纤F-P温度传感器做了很多报道，比较典型的比如：美国R.A.Wolthuis等人设计的光纤温度传感器（Wolthuis R A, Mitchell G L, Saaski E, et al. Development of Medical Pressure and Temperature Sensors Employing Optical Spectrum Modulation. Biomed Engineering, 1991, 38:974-980.），其基于硅材料的热光效应，当温度改变时，硅的折射率发生改变，从而导致反射光信号变化，测温范围10℃到60℃，分辨率达到2℃，但这种方案测量温度范围较小，灵敏度和精度都偏低。国内，中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所张慧君等（张慧君，张力，段玉培，黄彩霞，一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，专利申请号：201310606371.X），其利用透过半导体硅的光透射率随温度变化而变化这一特性，通过检测光信号的强弱，达到检测温度的目的。另外，中国计量学院张少君等（张少君，刘月明，具有双金属膜和法布里-珀罗干涉结构的光纤温度传感器，传感技术学报，2010,23（9）：1242-1246）采用铟钢双金属结构和由陶瓷插针固接的光纤端面形成F-P腔，当被测温度发生变化，铟钢双金属膜片将带动陶瓷插针移动，进而改变反射光强。采用宽带光源预测试技术进行初始法布里-珀罗腔长的定位，存在一定的复杂性和不易控制性。此类光强度调制的光纤温度传感器，同时存在稳定性差、易受周围环境影响等缺点。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种光纤法布里-珀罗温度传感器及其制作方法，可提高光纤温度传感器测温的稳定性和精确性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种光纤法布里-珀罗温度传感器，包括传导光纤和第一、第二金属膜片，所述传导光纤在端部形成凹槽，第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，凹槽与第二金属膜片形成法布里-珀罗腔，所述第二金属膜片的外侧设有第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜；所述第一和第二金属膜片分别采用单晶硅和铝。 

进一步的，所述传导光纤采用硼硅酸盐光纤。

进一步的，所述凹槽是传导光纤通过湿法腐蚀工艺腐蚀出的凹槽。

进一步的，所述传导光纤通过静电键合工艺与第二金属膜片结合在一起。

进一步的，第一金属膜片通过溅射或镀膜形成于第二金属膜片的外侧。

本发明还提供一种光纤法布里-珀罗温度传感器的制作方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在传导光纤的端部通过湿法腐蚀工艺腐蚀出凹槽；

步骤二：通过静电键合工艺将第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，使第二金属膜片与凹槽形成法布里-珀罗腔；

步骤三：在第二金属膜片的外侧溅射或镀膜形成第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜。

采用上述方案后，本发明的传导光纤通过湿法腐蚀出凹槽，利用微机电加工静电键合工艺，与硅进行连接，并在硅上淀积一层铝，形成双金属膜。当外界温度改变时，由于热膨胀系数的差异产生不同膨胀和收缩，导致双金属膜产生弯曲变形，从而引起法布里-珀罗腔的腔长发生改变，使反射光信号发生变化。

附图说明

图1是本发明光纤法布里-珀罗温度传感器的结构示意图。

图2是本发明光纤法布里-珀罗温度传感器的解调系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示为本发明的一种光纤法布里-珀罗温度传感器，包括传导光纤3和第一、第二金属膜片1、2。所述传导光纤3在端部通过湿法腐蚀工艺腐蚀出凹槽8，再通过静电键合工艺与第二金属膜片2结合在一起，第二金属膜片2设于传导光纤3的该端部表面，第二金属膜片2与凹槽8之间形成法布里-珀罗（F-P）腔；第二金属膜片2外侧采用溅射或镀膜有第一金属膜片1，第一金属膜片1和第二金属膜片2构成双金属膜。

第一金属膜片1采用单晶硅，其厚度可以根据温度测量范围和灵敏度决定。第二金属膜片2采用铝，因其热膨胀系数与单晶硅相比差异较大，可通过镀膜工艺形成。传导光纤3采用硼硅酸盐光纤，利用湿法腐蚀工艺，通过控制腐蚀速率，可方便制作初始F-P腔长。另外，初始F-P腔长还有采双波长解调法的精度来决定。

本发明还提供一种光纤法布里-珀罗温度传感器的制作方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在传导光纤的端部通过湿法腐蚀工艺腐蚀出凹槽；

步骤二：通过静电键合工艺将第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，使第二金属膜片与凹槽形成法布里-珀罗腔；

步骤三：在第二金属膜片的外侧溅射或镀膜形成第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜。

当外界温度改变时，由于热膨胀系数的差异产生不同膨胀和收缩，导致双金属膜产生弯曲变形，从而引起F-P腔的腔长发生改变，使反射光信号发生变化。具体光纤法布里-珀罗温度传感器的解调系统如图2所示，由光纤传感分析仪4扫描激光光源发出的光经过耦合器5，进入光纤法布里-珀罗温度传感器6，所述光纤法布里-珀罗温度传感器6的反射光接入光纤传感分析仪4，光纤传感分析仪4扫描采光谱信号，传输到计算机7，经过数据处理部分实现信号的解调。

本发明的优点：1、本发明提出的光纤法布里-珀罗温度传感器，利用双膜热挠曲效应，实现温度传感。与利用硅的热光效应制作的传感器相比，测温范围广。采用双波长法解调反射光信号，精度高。2、本发明结构小巧，传感器采用硅膜与光纤静电键合加工，外部尺寸与光纤外径一致。整个金属膜片加工过程采用微机电工艺，适合批量生产，F-P腔的腔长可根据腐蚀速率，控制腐蚀时间，得以加工制作。

因此，借助本发明可以实现制作简便，精度高，灵敏度高，可靠性好的光纤法布里-珀罗温度传感器，并可应用于油田、煤矿等恶劣环境中。本发明的光纤法布里-珀罗温度传感器还可以对制作硅基的压力或其他物理量的传感器起到良好的温度补偿作用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤法布里-珀罗温度传感器，包括传导光纤和第一、第二金属膜片，所述传导光纤在端部形成凹槽，第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，使凹槽与第二金属膜片形成法布里-珀罗腔，所述第二金属膜片的外侧设有第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜；其特征在于：所述第一和第二金属膜片分别采用单晶硅和铝。

2.如权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述传导光纤采用硼硅酸盐光纤。

3.如权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述凹槽是传导光纤通过湿法腐蚀工艺腐蚀出的凹槽。

4.如权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：所述传导光纤通过静电键合工艺与第二金属膜片结合在一起。

5.如权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗温度传感器，其特征在于：第一金属膜片通过溅射或镀膜形成于第二金属膜片的外侧。

6.一种光纤法布里-珀罗温度传感器的制作方法，包括以下几个步骤：

步骤一：在传导光纤的端部通过湿法腐蚀工艺腐蚀出凹槽；

步骤二：通过静电键合工艺将第二金属膜片设于传导光纤的该端部表面，使第二金属膜片与凹槽形成法布里-珀罗腔；

步骤三：在第二金属膜片的外侧溅射或镀膜形成第一金属膜片，第一和第二金属膜片构成双金属膜。