CN107063554A - 一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法，包括传感单元、玻璃毛细管、传感器体、焊接点、外壳和法布里‑珀罗腔；传感单元由感压膜片、玻璃基底和传输光纤构成；玻璃基底的上表面中部腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里‑珀罗腔的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里‑珀罗腔的初始长度；玻璃基底与传感器体间通过阳极键合的方式连接为一体；玻璃毛细管贴合在玻璃基底底面；传感器体与外壳连接成一体为传感单元提供保护；传输光纤从玻璃毛细管底端孔插入并固定，传输光纤的上端面与玻璃基底底面贴合。本发明传感器可以避免传统光纤法布里‑珀罗传感器有胶封装的缺点，具有更宽的量程，也可测量更高的压力。

Description

一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体的说，是涉及一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力。

背景技术

光纤法布里-珀罗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布里-珀罗微谐振腔，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，从而实现传感。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等(DonC.Abeysinghe，Samhita Dasgupta，Joseph T.Boyd，Howard E.Jackson，A Novel MEMSpressure sensor fabricated on an optical fiber,IEEE Photonics TechnologyLetters,2001,13(9):993-995)在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年Juncheng Xu等(Juncheng Xu,Xingwei Wang,Kristie L.Cooper,Anbo Wang,Miniatureall-silica fiber optic pressure and 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布里-珀罗压力传感器；2006年Xiaodong Wang等(Xiaodong Wang，Baoqing Li，Onofrio L.Russo,et.al.,Diaphragm design guidelines and an optical pressure sensor based onMEMS technique,Journal of microelectronics,2006,37:50-56)在500微米厚的Pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-珀罗腔；2006年王鸣等(王鸣，陈绪兴，葛益娴等，法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法，专利申请号：200610096596.5)利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-珀罗腔。但是，目前大部分膜片光纤法布里-珀罗传感器量程较窄，能测量的极限压力范围也较低，市场上尚无能用于80Mpa以上压力测量的光纤法布里-珀罗压力传感器。同时，目前大部分膜片光纤法布里-珀罗传感器采用石英、Pyrex玻璃、硅片等多种材料，各种材料间的连接方式多为胶粘连接，这对传感器的精度、温度和湿度特性不利。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器有胶封装的缺点，同时具有更宽的量程，也可以测量更高的压力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种一体化光纤大压力传感器，包括传感单元、玻璃毛细管、传感器体、焊接点、外壳和法布里-珀罗腔；所述传感单元由感压膜片、玻璃基底和传输光纤构成；其中感压膜片底面经过抛光处理，作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔的第二个反射面；玻璃基底的上表面中部腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里-珀罗腔的初始长度；

所述玻璃基底与传感器体间通过阳极键合的方式连接为一体；玻璃毛细管贴合在玻璃基底底面，并通过激光焊接的方式连接；传感器体与外壳连接成一体为传感单元提供保护；

所述传输光纤从玻璃毛细管底端孔插入并固定，传输光纤的上端面与玻璃基底底面贴合。

所述玻璃基底和玻璃毛细管的材质包括Pyrex玻璃、熔融石英材料或蓝宝石材料。

所述感压膜片和传感器体的材质为金属材料。

所述传输光纤由单模光纤或多模光纤构成。

一种一体化光纤大压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)制作感压膜片与传感器体：设计感压膜片的材料、直径与厚度；选取材料与感压膜片材料相同的金属圆柱；在所选取的金属圆柱上加工圆孔并使圆孔直径等于感压膜片直径，圆孔深度等于金属圆柱高度减去感压膜片的厚度；对金属圆柱未加工孔的底面进行抛光处理，并在金属圆柱外部加工用于连接和夹持的螺纹、凸台结构得到传感器体；

(2)制作传感单元：在圆柱形的玻璃中部腐蚀微腔制成玻璃基底；将步骤(1)中制作好的传感器体与玻璃基底清洗、干燥后放入阳极键合机，使玻璃基底上表面与感压膜片底面同心贴合并进行阳极键合；键合完成后将其置于激光焊接设备中，令玻璃毛细管上端面与玻璃基底下表面同心贴合，利用激光将两者焊为一体；将切割好的传输光纤从玻璃毛细管底端插入，使传输光纤上端面与玻璃基底下表面贴合；微调传输光纤位置并通过光谱仪观测干涉信号，待信号最强时通过胶粘剂固定光纤位置；

(3)将外壳与传感器体焊接为一体，完成所述一体化光纤大压力传感器的制作。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1、本发明传感器中，传感器体与感压膜片为一体结构，提高了传感器的耐压强度、稳定性，减少了不同材料间因热膨胀系数不同而造成的温度漂移现象；同时本传感器的一体化结构显著提高了传感器的压力探测范围，使得本传感器可以用于高压甚至超高压环境的压力测量。

2、本发明传感器中，通过玻璃-玻璃激光焊接、玻璃-金属阳极键合、金属-金属氩弧焊接，做到了一体化无胶封装，提高了传感器的测量精度和重复性，降低了传感器的温度响应。

3、本发明整个传感器中，只有一体化的传感器体和感压膜片接触被测压力介质，可以通过选择合适的材料来适应不同介质环境的压力测量需求。

附图说明

图1是本发明传感器的结构示意图；

图2是本发明中法布里-珀罗腔结构示意图；

图3是本发明的具体实施例中的传感系统示意图；

图4是本发明传感器的反射光谱图；

附图标记：1、感压膜片，2、玻璃基底，3、玻璃毛细管，4、传感器体，5、焊接点，6、传输光纤，7、外壳，8、法布里-珀罗腔，9、一体化光纤大压力传感器，10、白光光源，11、3dB耦合器，12、压力罐，13、光谱仪

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1和图2所示，该一体化光纤大压力传感器由传感器体4、传感单元和外壳7组成。传感器体4和感压膜片1为一体化制作，在同一个金属圆柱体上精密加工圆形孔，并使孔的直径等于设计的感压膜片1直径，孔的深度等于圆柱高度减去设计的感压膜片1厚度，即完成了带有感压膜片1的传感器体4制作。

感压膜片1、玻璃基底2和传输光纤6构成传感器的传感单元；其中感压膜片1底面经过抛光处理，作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔8的第二个反射面；玻璃基底2上表面中心腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔8的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里-珀罗腔8的初始长度；玻璃基底2与传感器体4间通过阳极键合的方式连接为一体；玻璃毛细管3贴合在玻璃基底2底面，并通过激光焊接的方式连接，作为传输光纤6的固定与对中装置；传输光纤6从玻璃毛细管3底端孔插入并固定，且其端面与玻璃基底2底面紧密贴合。传感器体4与外壳7间焊接为一体，为传感单元提供保护。

当压力作用在感压膜片1的上表面时，感压膜片1发生变形，从而改变感压膜片1的下表面和玻璃基底腐蚀微腔底面之间的距离，即法布里-珀罗腔8的腔长，实现压力信息转化为腔长传感信息。

本实施例中：传感器体和感压膜片材料范围包括不锈钢、钛合金等各种金属材料；玻璃基底和玻璃毛细管材料范围包括Pyrex玻璃或熔融石英材料，以及蓝宝石等耐高温材料；传输光纤包括单模光纤、多模光纤或其他大芯径光纤。

本实施例中对一体化光纤大压力传感器的腔长解调如下：

由一体化光纤大压力传感器组成的传感系统如图3所示，白光光源10发出的光耦合到光纤，经过一个3dB耦合器11后，进入一体化光纤大压力传感器9并入射到传感单元；经上下膜片反射后，带有腔长信息的反射光重新返回3dB耦合器11，之后进入光谱仪13。通过光谱仪13扫描得到传感器返回的光谱，图4是光谱仪测取的本传感器的输出光谱；通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得光纤法布里-珀罗腔8的腔长信息，法布里-珀罗腔长与其干涉光谱之间的关系式为：其中，d表示法布里-珀罗腔长λ₁,λ₂分别表示光谱包络的两个峰值位置。

一体化光纤大压力传感器9安装在压力罐12的压力出口上。压力罐12施加的压力通过传压介质作用于感压膜片1上时，感压膜片1发生变形，从而改变感压膜片1的下表面和玻璃基底腐蚀微腔底面之间的距离即法布里-珀罗腔8的腔长，法布里-珀罗腔长与压力的关系式为：Δd为法布里-珀罗腔长变化量，P表示压力，E为感压膜片1的杨氏模量，ν为感压膜片1的泊松比，B为腐蚀微腔的直径，C为感压膜片1的厚度。

以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一体化光纤大压力传感器，其特征在于，包括传感单元、玻璃毛细管(3)、传感器体(4)、焊接点(5)、外壳(7)和法布里-珀罗腔(8)；所述传感单元由感压膜片(1)、玻璃基底(2)和传输光纤(6)构成；其中感压膜片(1)底面经过抛光处理，作为弹性膜片感受压力，同时作为法布里-珀罗腔(8)的第二个反射面；玻璃基底(2)的上表面中部腐蚀有微腔，微腔底部作为法布里-珀罗腔(8)的第一个反射面，微腔的腐蚀深度决定法布里-珀罗腔(8)的初始长度；

所述玻璃基底(2)与传感器体(4)间通过阳极键合的方式连接为一体；玻璃毛细管(3)贴合在玻璃基底(2)底面，并通过激光焊接的方式连接；传感器体(4)与外壳(7)连接成一体为传感单元提供保护；

所述传输光纤(6)从玻璃毛细管(3)底端孔插入并固定，传输光纤(6)的上端面与玻璃基底(2)底面贴合。

2.根据权利要求1所述的一种一体化光纤大压力传感器，其特征在于，所述玻璃基底(2)和玻璃毛细管(3)的材质包括Pyrex玻璃、熔融石英材料或蓝宝石材料。

3.根据权利要求1所述的一种一体化光纤大压力传感器，其特征在于，所述感压膜片(1)和传感器体(4)的材质为金属材料。

4.根据权利要求1所述的一种一体化光纤大压力传感器，其特征在于，所述传输光纤(6)由单模光纤或多模光纤构成。

5.根据权利要求1所述的一种一体化光纤大压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作感压膜片(1)与传感器体(4)：设计感压膜片(1)的材料、直径与厚度；选取材料与感压膜片(1)材料相同的金属圆柱；在所选取的金属圆柱上加工圆孔并使圆孔直径等于感压膜片(1)直径，圆孔深度等于金属圆柱高度减去感压膜片(1)的厚度；对金属圆柱未加工孔的底面进行抛光处理，并在金属圆柱外部加工用于连接和夹持的螺纹、凸台结构得到传感器体(4)；

(2)制作传感单元：在圆柱形的玻璃中部腐蚀微腔制成玻璃基底(2)；将步骤(1)中制作好的传感器体(4)与玻璃基底(2)清洗、干燥后放入阳极键合机，使玻璃基底(2)上表面与感压膜片(1)底面同心贴合并进行阳极键合；键合完成后将其置于激光焊接设备中，令玻璃毛细管(3)上端面与玻璃基底(2)下表面同心贴合，利用激光将两者焊为一体；将切割好的传输光纤(6)从玻璃毛细管(3)底端插入，使传输光纤(6)上端面与玻璃基底(2)下表面贴合；微调传输光纤(6)位置并通过光谱仪观测干涉信号，待信号最强时通过胶粘剂固定光纤位置；

(3)将外壳(7)与传感器体(4)焊接为一体，完成所述一体化光纤大压力传感器的制作。