CN1047662C - 基于法布里－珀罗共振腔的光学压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种测力传感器。它包括主体部件15，弹性装在部件15上的感测元件27、37，作为受力元件，其相对于部件15的变位来计算加在元件上的力致动的感测元件；和决定感测元件的变位的光测组件1，2，3，5，6。按本发明所述部件和元件组成反射模式的短光法布里珀罗共振器21，23。光测组件包括宽谱光源，把其光束导向共振器33并导回感测元件的光导体2，3和把共振器的光谱分辨成波段的色散元件5，以及检测色散光谱中最大吸收值波长的检测元件6。

Description

基于法布里－珀罗共振腔的光学压力传感器

本发明涉及一种测力传感器，更具体地涉及包括：主体部分，弹性地安装在所述主体部分上的感应元件，作为一个受力元件的致动后感应元件可利用其相对于主体部分的弯曲度计算施加在所述感应元件上的力，和决定感应元件弯曲度的光学检测装置的光学压力传感器。

本发明主要用于测量绝对压力、压差和加速度。它同时适用于测量力。

温度和压力是工业过程中最普通的测量变量，压力传感器已经迅速地朝着更小型、和高性能的方向发展。这主要归功于把微电子技术的硅技术应用到以硅为基础的传感器上。

硅有着极佳的力学性质，它遵循胡克定律直至达到致断应力并且在600℃以下是无磁滞的。硅上可生成一层氧化物或氮化物使之耐化学腐蚀。

传感器以固定结构和振动结构为基础。传统做法是，压力变化是借助压阻效应，电容变化或光强变化以固定结构形式测得。压阻传感器是利用硅的电特性和力学性质；而电容或光学传感器则只利用硅的力学特性。

电容传感器的灵敏度对温度的依赖和残留误差漂移(offsetdrift)明显地比压阻传感器小。而且电容传感器在低温范围内保有优越的性能。

B.Cnlshaw′已发现一种以硅技术为基础的光敏压力传感器。所述传感器的内部包括有一个机械的震动桥，其张应力与所施加的力有关。该桥的共振频率是张应力的一个函数。由传感器输出的信号正是桥的共振频率。

该传感元件的输出频率可以被高精度地测得。该结构的另一优点是传感元件的操作本身无需接电。将传感元件以真空密封，以获得振动元件的足够高的品质因数，但是这一性能带来的缺点是该传感器不适于压差测量。因为应用时必须在传感器内部施加所需的参考压力。这样的传感器对撞击也敏感，即撞击也能够改变该传感应元件的振荡模式。

使振动传感器工作的激励功率越小，振动元件的品质因数就越高。一般地，品质因数通过使传感器的内部变为真空而得到提高。其推论是那些先有技术中的传感器不能用于压差测量是因为该传感器允许振动元件处于参考气压的包围之中，从而使该元件的品质因数降到一个不可接受的低值。

I.A.Dziuban等人已发现一种以硅技术为基础的光敏压力传感器。该传感器的一条光学纤维的末端附着在由单晶硅制成的振动膜上。随着施加压力的变化，振动膜和附着的纤维下垂变弯。纤维末端位于探测元件附近，因而使落在探测元件上的光强取决于纤维末端相对于探测元件的位置。当由于光照射到探测元件上产生了电压或电流时才能得到该传感器的输出信号。

以上实施例因输出信号的灵敏度受到光源强度变化的损害，因此需要利用一个参考通道作为补偿。以往作者们的著作没有揭示任何一种实现这种补偿的方法。另外一个缺点是探测元件输出信号对温度的高度灵敏性，因此必需检测传感器内部温度以供补偿之用。

本发明的一个目的在于克服上述先有技术中的缺点，以获得一种完全新颖的光学压力传感器。

本发明公开一种能用于测量压力和加速度的压力传感器。所述传感器结合了不同长度的法布里-珀罗共振器和适用于测量由所述共振器发射的反射光谱的摄谱仅。

本发明的基础在于把一个法布里-珀罗共振器组成传感器的一个完整部分，用所述共振器测量感应元件在施加压力时产生的变位。

更确切地说，依本发明该传感器的特征如权利要求1中特征部分所述，即所述传感器的所述主体部分和所述感应元件组成一短的，在反射状态下工作的光学法布里珀罗共振器；所述光学检测装置包括：宽频谱光源；把一束光从所述光源导向所述共振器并导回到检测元件的光导体；把所述共振器接收到的光谱分辨成若干波段的色散元件；检测色散光谱中吸收最大值的波长的检测元件；借此可利用光强最小值的位置计算出与施加在感应元件上的外力成比例的共振器的光程。

本发明有明显的好处。

也就是说，依本发明该传感器具有作为传感器的感应元件的一般特性，包含分析光谱的色散元件和线性排列的传感元件，它对于全部所需被测压力范围可为相同的，共振器内可移动的感测反射元件的刚性可由(例如)改变其厚度而选定尺度，以使可移动的反射元件的变位在外力为某一相对值时保持相同，而与测量范围内的最大值无关。之后，该线性排列的传感元件在相同的光谱范围内，对所有设计的变量执行检测。

依照本发明的传感器不带有任何可由撞击致损的振动元件，因而具有极佳的防震特性。传统的传感器也会随周围环境的振动特别是那些近似于传统传感器内部振动元件的共振频率的振动而发生共振。相反，依照本发明的传感器可把振动膜在压力下的共振频率设计得很高，因此任何外界振动的可能影响只能通过加宽线性排列传感元件上光敏区域的光谱谱线才能表现出来，但这并不妨碍检测光谱中的最小值。

依据本发明的传感器中传感部分的电子仪器外壳不易被感应部分遭受的正常撞击所破坏。

依据本发明的传感器利用一种宽频谱光源，例如小型白炽灯泡或发光二极管。它们是较廉价的标准元件，由于温度变化而引起它们波长光谱的任何变化都不会降低传感器的功能。

由于白光不能形成强光干涉最大值，因此利用宽光谱光源还可以在测量时把与纤维有关的干扰影响减到最小。

按本发明的传感器可以承受光源输出强度的变化而不损害传感器的测量精度。这是因为线性排列的感应元件只用来检测强度最小值，而不是实际的强度值。

依据本发明的实施例只需简单地在共振器内部加上参考压力便同样适于压差测量。

先有技术的传感器除带有振动元件的类型之外，均适于测量加速度。振动元件只在张应力下可工作，因此不适于测量在元件上可产生压缩应力的力。这种传感器其内部为其空，因此不能装有感应振动膜，因为振动膜必须得经得起环境压力。本发明不受这个限制，因如果光学共振器的可移动反射元件振动膜的两面都在同一压力作用下则可制得极其灵活。当需要一个特别灵敏的加速度传感器时，则最好在共振器的反射元件振动膜上装备一个附加质量。

下面结合实施例的附图详细说明本发明。

图1图解地表示本发明的传感器。

图2表示本发明传感器的纵剖面的侧视图。

图3表示在本发明传感器中探测元件上测得信号的形状。

图4为图2所示传感器结构的另一个可供选择的实施例。

参照图1，从光源1发射的一束白光经过分支耦合器2进入光学纤维3，并沿着纤维把光送到感应结构4。这一结构反射除一个或多个窄带波长以外的全部光。反射后的光谱沿着纤维3发射到或者是光栅格或是棱镜的色散元件5上。利用完整的光学技术可使光栅格和线性阵列检测元件6(光电二极管阵列或线性排列电荷耦合器件检测元件)充当检测元件，感应共振器4的另一个反射镜在外力，如压力的影响下可以移动，因此使共振器的光程(optical length)能发生变化。

线性阵列的感应元件6检测由白光中宽带谱上的感应共振器所引起的最大吸收值，而所述最大值的位置和互波长间隔取决于感应共振器的光程而该光程被设置成(例如)比例于所施加的压力或加速度。参照图2，一束光沿光学纤维3组成的光路进入传感器结构4。传感器结构4包括由单晶硅制成的主体15和很薄的成一体致动的感应振动膜27。当外力F施加在该振动膜上时，可在所述振动膜27和传感器结构的主体部分之间的距离上产生一个可测量的变化。所以，致动的感应振动膜27可被认为是弹性附着在传感器主体部分15上的一个元件。主体部分15的材料对波长大于1.1μm的光是可穿透的。由光学纤维3发出的一束光穿过主体部分15的透光段从而照射到与主体部分15结成一体的部分透光的反射元件21上。一部分光通过该反射元件进入共振空间33，并穿过该空间照射到致动感应振动膜上的反射元件表面23。当共振器的光程d等于半波长的整数倍时，则那些宽频谱光中的波长组分就衰减得多，因此从光学纤维3接收到的返回信号可以检测出该波长为最小值。当一个更大的力F′施加在致动振动膜27上，振动膜27和传感器主体部分之间的距离减到值为d′时，就可检测出新的光强最小值。

如图2所示的共振器33可以定义为在反射状态下工作的短的光学法布里一珀罗共振器。必须理解“短的”一词是指共振器的长度为一半或整个被测波长的长度。实际上，这意味着共振器33的长度范围为0.6-1.5μm。

如图2所示，在工业生产中，传感器结构4是利用传统的薄膜淀积工艺制造的。在该过程中，单晶硅的基片15上被涂敷一层部分透光的金属镀层21。接着，在金属镀层21上生成二氧化硅层25，其厚度决定了共振空间33的基本高度。在二氧化硅涂层25上再淀积第二金属镀层23，其作用是作为共振器33的另一个反射元件。在金属镀层23上淀积一层多晶硅层27其厚度决定传感器4的机械灵敏度。运用适当的方法，刻蚀二氧化硅涂层25以形成共振器空间33。最后由单晶硅制成保护元件30。利用(例如)玻璃的中间涂层29把保护元件30附着在由多晶硅制成的感应振动膜27上。保护元件30有一适当的进气口，以便在压差测量时把被测压力引入传感器内部。参考压力经通道31引入共振器，但在绝对压力传感器中则省略这一步骤。

下表给出传感器元件的典型尺寸：

	典型值	最小值/最大值
			H1	380μm	360…520μm
H2	380μm	360…520μm
			H4	760μm	720…1040μm
W	2mm	1…3mm
			d	1μm	0.6…1.5μm
感应膜27的厚度	1μm	0.7…10μm

参照图3，根据法布里-珀罗共振器的工作原理，当共振器光程d或d′等于半波长的整数倍时，频谱中的波长组分几乎全部从频谱取出而被反射回光学纤维3。由此，力F产生光强最小值A1和A2同时力F′相应产生光强最小值A1′和A2′。如图1所示，利用棱镜5分辨光谱，或者另外可选用栅格，然后用线性阵列感应元件6检测出最小值A1和A2(或者相应的A1′和A2′)的位置，从而可决定共振器的光程d，并且由传感器结构的机械性能算出力F的值。事实上，只要一个光强最小值的位置就足以确定力的大小。

参照图4，感应振动膜27可配备一附加物37，从而使传感器极适于测量加速度。

在生产过程中，传感器结构中的基片既可以是主体部分15，也可以是保护元件30。

图2示出一标准传感器结构的实施例。对于那些本领域的技术人员来说，很明显为制造这一结构可以采用多种不同的技术方法。本发明的特性在于形成一个带有在外力作用下(如压力)可移动的反射元件的法布里珀罗共振器。

本发明参考文献为：1.B.Culshaw，“Micromachined Silicon·A Synergistic Approach to Optical FibreSensing？”，Proc.7th Optical Fibre Sensors Conlerence，Dec.2-6,1990，Sydney，New South Wales.2.I.A.Dziuban et al.，“Silicon Optical Pressure Sensor”，Eurosensors V，Book ofAbstracts，30 Sept.-20ct.1991，Rome.

Claims (10)

1.一种用于测力的法布里-珀罗传感器，所述传感器包括：

主体部分(15)；

弹性地安装在所述主体部分(15)上的感应元件(27,37)，作为一个受力元件的致动后感应元件可利用其相对于主体部分(15)的弯曲度计算施加在所述感应元件(27,37)上的力，从而使所述主体部分(15)和所述感应元件(27,37)形成一个工作在弯曲状态下的光学法布里-珀罗传感器；

决定感应元件(27,37)弯曲度的光学检测装置(1,2,3,5,6)；

所述光学检测装置(1,2,3,5,6)包括：

宽频谱光源(1)；

把一束光从所述光源(1)导向所述共振器(33)并导回到检测元件的光导体(2,3)；

把所述共振器(33)接收到的光谱分辨成若干波段的色散元件(5)；

检测色散光谱中吸收最大值(A1,A2)的波长的检测元件(6)；

借此可利用光强最小值的位置计算出与施加在感应元件(27,37)上的外力(F,F′)成比例的共振器(33)的光程；

其特征在于：

该法布里-珀罗共振器的主体部分(15)是单晶硅的，以及

该光学法布里-珀罗共振器是短共振器(21,23)，其间隙长度(d)为0.6-1.5μm。

2.如权利要求1中所述的传感器，其特征在于所述检测元件(6)为一线性阵列传感器。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述光源(1)为白炽灯泡。

4.如权利要求1中所述的传感器，其特征在于所述光源(1)为一发光二极管。

5.如权利要求1中所述的传感器，其特征在于所述色散元件(5)为一小型棱镜。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述色散元件(5)为一光学栅格。

7.如权利要求6中所述的传感器，其特征在于所述光学栅格(5)是利用类似的集成光学加工技术在线性阵列感应元件所在基片上制成。

8.如前述任一权利要求中所述的传感器，其特征在于所述主体部分(15)用作整个传感器的基片。

9.如权利要求1-7中任一权利要求所述的传感器，其特征在于所述保护元件(30)用作整个传感器的基片。

10.如权利要求8所述的传感器，其特征在于所述保护元件(30)用作整个传感器的基片。

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