CN214893787U - 光纤法珀压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型描述一种光纤法珀压力传感器，其包括敏感单元和光学组件，敏感单元包括层叠设置的具有第一光学表面的第一膜片以及具有第二光学表面的第二膜片，第一光学表面与第二光学表面相对且平行地设置并且在第一光学表面与第二光学表面之间形成有空腔，第一膜片具有与空腔连通的通孔，光学组件嵌设于通孔中，经由光学组件而进入空腔的光线能够在光学组件嵌入于通孔中的一端的端面与第二光学表面之间进行反射并生成包括第一光学表面与第二光学表面的间距信息的光学信号，其中，第二膜片配置为受到压力作用而发生形变以使第一光学表面与第二光学表面的间距发生改变，通过感测光学信号以感测压力。根据本实用新型，能够在高温环境中感测压力。

Description

光纤法珀压力传感器

技术领域

本实用新型大体涉及压力传感器领域，具体涉及一种光纤法珀压力传感器。

背景技术

近些年来，随着航空航天、化工和能源等领域的迅速发展，对压力传感器在高温环境下的可靠性提出了越来越高的要求，传统的压阻式或压电式压力传感器由于例如制作材料不耐高温以及信号线热传导对解调系统的不良影响等问题，难以被应用在上述领域中进行高精度地压力测量。

光纤式压力传感器例如光纤法珀式压力传感器通常由敏感单元基于光学原理对压力进行感测，而且具有体积小，灵敏度高，耐腐蚀，抗电磁干扰等优点。其中，敏感单元可选用耐高温的材料进行制作并且高温不易对上述光学原理的应用产生影响，因此光纤法珀式压力传感器适用于上述高温环境下的压力测量。近年来，用于制造光纤法珀压力传感器的技术主要由MEMS技术、化学腐蚀技术、电弧放电技术和激光加工技术等。然而，利用化学腐蚀技术，电弧放电技术和激光加工技术制造的传感器其一致性相对较差，例如由于不同敏感单元其敏感膜片的厚度和有效半径不一致从而造成各敏感单元的一致性较低，并且难以实现传感器的低成本批量化制造。

相反，利用MEMS技术制造的传感器具有敏感单元一致性高及批量化制造的优点。目前已经报道国一种压力传感器，其利用Pyrex玻璃圆片和硅片实现光纤法珀压力传感器的批量化制造且该种传感器能在350℃高温环境下进行压力测量，然而由于材料自身特性的限制，使得该种传感器难以实现更高温度环境下的压力测试。而且，由于使用了两种不同热膨胀系数的材料进行传感器制作，当传感器在高温环境下工作时由于不同材料间的热膨胀系数不匹配将会影响传感器的使用性能，这也是限制该种传感器在高温下应用的原因之一。并且在光纤与敏感单元连接方法上，目前比较常用的方法是利用紫外环氧树脂或耐高温粘接剂，在需要工作于高温环境的传感器中引入粘结材料将会进一步影响传感器在高温下的稳定性及使用寿命。

熔融石英玻璃材料其软化点高达1730℃左右，且耐酸碱腐蚀，相比于目前常用的用于制造光纤法珀压力传感器的材料，例如金属、Pyrex玻璃、硅、蓝宝石、SiC等来说，石英材料具有更低的热膨胀系数，这使其成为制造高温压力传感器的良好材料。在本发明中，我们利用高温热压键合技术及微机械加工技术制造并验证了一种可批量化制造的全石英光纤法珀压力传感器，且利用CO₂激光熔接技术实现了传感器全石英敏感单元与信号传输光纤的无胶化密封集成，使得该种传感器能在高温环境下稳定工作。

发明内容

本实用新型是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种能够在高温环境中感测压力的光纤法珀压力传感器。

为此本实用新型提供一种光纤法珀压力传感器，其包括敏感单元和光学组件，所述敏感单元包括层叠设置的具有第一光学表面的第一膜片以及具有第二光学表面的第二膜片，所述第一光学表面与所述第二光学表面相对且平行地设置并且在所述第一光学表面与所述第二光学表面之间形成有空腔，所述第一膜片具有与所述空腔连通的通孔，并且所述通孔的轴线正交于所述第一光学表面，所述光学组件嵌设于所述通孔中并且所述光学组件嵌入于所述通孔中的一端的端面与所述第二光学表面平行，经由所述光学组件而进入所述空腔的光线能够在所述光学组件嵌入于所述通孔中的一端的端面与所述第二光学表面之间进行反射并生成包括所述第一光学表面与所述第二光学表面的间距信息的光学信号，其中，所述第二膜片配置为受到压力作用而发生形变以使所述第一光学表面与所述第二光学表面的间距发生改变，通过感测所述光学信号以感测压力。

在本实用新型中，在具有第一光学表面的第一膜片与具有第二光学表面且配置为可受压而发生形变的第二膜片之间形成空腔，向空腔中引入光线在第一光学表面与第二光学表面之间进行反射，通过感测光学信号以获得第一光学表面与第二光学表面的间距，从而获得第二膜片所受到的压力。由此，能够提供一种能够在高温环境中感测压力的光纤法珀压力传感器。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述第二膜片具有与所述空腔连通的多个气孔。在这种情况下，通过多个气孔以平衡空腔内外的气压，由此能够提供一种适用于感测声压的敏感单元。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，在所述第一膜片背离所述空腔的一侧还设置有与所述通孔共轴的凸台，所述凸台呈圆柱状，且所述凸台的直径小于2.5mm。在这种情况下，通过凸台能够有利于将光学组件焊接于敏感单元。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述通孔的直径为50μm至2.4mm。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，各个气孔的轴线正交于所述第一光学表面。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述通孔的轴线不经过所述多个气孔中的任一个。由此，能够有利于进入空腔的光线在第一光学表面与第二光学表面之间进行反射。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述多个气孔围绕所述通孔的轴线均匀布置。在这种情况下，当感测声压时，能够有利于减小气压的影响。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述通孔的轴线穿过所述第一光学表面的中央。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述光学组件包括光纤以及具有中空部的玻璃管，所述玻璃管的尺寸与所述通孔的尺寸相匹配并且所述玻璃管嵌设于所述通孔中，所述光纤的尺寸与所述中空部的尺寸相匹配并且所述光纤嵌设于所述中空部中，所述中空部的轴线正交于所述第一光学表面且所述光纤嵌入于所述中空部中的一端的端面与所述第二光学表面平行。

另外，在本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器中，可选地，所述气孔包括形成为L状的第一部分和第二部分，所述第一部分的轴线正交于所述第一光学表面并且所述第二部分的轴线平行于所述第一光学表面。由此，能够减少气孔对第二膜片的形变产生影响。

根据本实用新型所涉及的光纤法珀压力传感器，能够在高温环境中感测压力。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本实用新型，其中：

图1是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器的第一种实施例的立体结构示意图。

图2是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器的第一种实施例的敏感单元的剖面示意图。

图3是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器的第二种实施例的敏感单元的立体结构示意图。

图4是示出了沿着图3中AA'的剖面示意图。

图5是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器的第三种实施例中敏感单元的立体结构示意图。

图6是示出了沿着图5中BB'的剖面示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本实用新型的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本实用新型中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，在本实用新型的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本实用新型的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。

本实用新型的实施方式涉及一种光纤法珀压力传感器的敏感单元的批量化制备方法。在本实施方式中，光纤法珀压力传感器可以简称为压力传感器，批量化制备方法可以简称为制备方法。通过本实施方式的制备方法，能够提高压力传感器的敏感单元的一致性，从而能够提高压力传感器的一致性。

图1是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器1的第一种实施例的立体结构示意图。图2是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器1的第一种实施例的敏感单元10的剖面示意图。

在本实施方式中，压力传感器1可以包括敏感单元10和光学组件20(参见图1)。敏感单元10与光学组件20配合可以形成法珀腔，敏感单元10可以对压力进行感应，光纤20与敏感单元10配合可以获得对压力的感应信号。

在本实施方式中，法珀腔是指由相对设置、相互平行并且具有预定间距的两个导光面组成的光学谐振腔，光线可以在法珀腔的两个导光面之间进行反射从而提供光反馈。在法珀腔中，光线在两个导光面之间进行反射时的光反馈与两个导光面之间的间距具有对应关系。

在本实施方式中，敏感单元10可以包括第一膜片11和第二膜片12(参见1)。第一膜片11具有第一光学表面，第二膜片12具有第二光学表面。第一光学表面相对且平行地设置并且在第一光学表面与第二光学表面之间形成有空腔101(参见图2)。

在本实施方式中，在第一膜片11上设有与空腔101连通的通孔102(参见图2)。通孔102的轴线可以正交于第一光学表面，光学组件20嵌设于通孔102中并且光学组件20嵌入于通孔中的一端的端面可以与第二光学表面平行，经由光学组件20而进入空腔102的光线能够在光学组件20嵌入于通孔中的一端的端面与第二光学表面之间进行反射并生成包括第一光学表面与第二光学表面的间距信息的光学信号，其中，第二膜片12配置为受到压力作用而发生形变以使第一光学表面与第二光学表面的间距发生改变，通过感测光学信号以感测压力。

在一些示例中，通过在第一膜片11的第一光学表面所在的一侧开设凹槽结构，并以第二膜片12的第二光学表面覆盖第一膜片11的凹槽结构的方式将第二膜片12与第一膜片11结合，由此能够形成空腔101(参见图2)。在另一些示例中，通过在第二膜片12的第二光学表面所在的一侧开设凹槽结构，并以第一膜片11的第一光学表面覆盖第二膜片12的凹槽结构的方式将第一膜片11与第二膜片12结合，由此也能够形成空腔101。以下，以在第一膜片11上开设凹槽结构为例，进行说明。

在一些示例中，光学组件20可以为光纤21。在另一些示例中，光学组件20可以由光纤21和具有中空部(未图示)的玻璃管22组成(参见图1)。在一些示例中，光纤21的一端可以切平，并且该端可以置入于通孔结构102。在这种情况下，光纤21靠近第二膜片12的端面可以作为第一导光面、第二膜片12的第二光学表面(即，第二膜片12靠近空腔101的表面)可以作为第二导光面，空腔101、第一导光面以及第二导光面可以形成法珀腔。

在一些示例中，光学组件20包括光纤21以及具有中空部(未图示)的玻璃管22，玻璃管22的尺寸与通孔102的尺寸相匹配并且玻璃管22嵌设于通孔102中，光纤21的尺寸与中空部的尺寸相匹配并且光纤21嵌设于中空部中，中空部的轴线正交于第一光学表面且光纤21嵌入于中空部中的一端的端面与第二光学表面平行。

使用本实施方式所涉及的压力传感器1对压力进行测量时，第二膜片12可以因压力而产生形变，从而改变第一导光面与第二导光面之间的距离，由此能够改变光线在第一导光面与第二导光面之间进行反射时的光反馈。解调设备可以基于改变后的光反馈获得第一导光面与第二导光面之间的间距，以获得第二膜片12所产生的形变，从而能够获得压力传感器1对压力的测量结果。

在一些示例中，空腔101可以呈圆柱状、椭圆柱状或棱柱状例如四棱柱状等形状。在一些示例中，通孔102可以为圆柱形通孔。在一些示例中，凸台103(稍后描述)可以呈圆柱状、椭圆柱状或棱柱状例如四棱柱状等形状。另外，在一些示例中，空腔101、通孔102与凸台103可以共轴。在一些示例中，通孔102的轴线可以穿过第一光学表面的中央。

在一些示例中，在敏感单元10中，通孔102可以垂直于第二膜片12靠近空腔101的表面(即，第二光学表面)。在这种情况下，通过垂直于第二膜片12的通孔102能够对光纤21进行准直，从而有助于使压力传感器1的第一导光面与第二导光面平行。

在一些示例中，压力传感器1的光学组件20还可以包括玻璃管22，玻璃管22可以用于将光纤21连接至敏感单元10(参见图1)。具体而言，通孔102可以具有与玻璃管22的外径相匹配的内径，玻璃管22可以具有与光纤21的外径相匹配的内径。光纤21可以置入于玻璃管22中，并经由例如高温焊接等而固定于玻璃管22中，然后，玻璃管22可以置入于通孔102中，并经由例如高温焊接等而固定于凸台结构103(参见图1)。在这种情况下，通过使用玻璃管22而将光纤21连接至敏感单元10，由此能够对光纤21进行准直，从而能够更好地使压力传感器1的第一导光面与第二导光面平行。

在一些示例中，玻璃管22可以经由高温焊接而与敏感单元10结合。另外，在一些示例中，光纤21可以经由高温焊接而与玻璃管22结合。

如上所述，在压力传感器1中，通过第二膜片12对压力进行感应而产生形变，能够改变法珀腔中两个导光面之间的间距，通过光线在两个导光面之间进行反射时的光反馈，能够获得两个导光面之间的间距。由此，能够获得第二膜片12因压力而产生的形变，从而能够获得对压力的测量结果。

在一些示例中，第一膜片11和第二膜片12可以石英片材。在一些示例中，第一膜片11的厚度可以大于第二膜片12的厚度。在一些示例中，第一膜片11和第二膜片12可以为圆饼形石英片。在另一些示例中，第一膜片11的厚度也可以等于或小于第二膜片12的厚度。

在一些示例中，第一膜片11可以为厚度一致的圆形石英片。在一些示例中，第一膜片11的厚度可以为1mm至2mm。在一些示例中，第二膜片12可以为厚度一致的圆形石英片。在一些示例中，第二膜片12的厚度可以为10μm至500μm。

在一些示例中，如上所述，通过在第一膜片11或第二膜片12上制作凹槽结构，能够有助于在第一膜片11与第二膜片12之间形成空腔。在一些示例中，凹槽结构的直径可以为80μm至10mm。在一些示例中，凹槽结构的深度可以为3μm至1000μm。也就是说，在一些示例中，空腔101的直径可以为80μm至10mm，并且空腔101的深度可以为3μm至1000μm。

在一些示例中，在第一膜片11的第一光学表面所在的一侧、或者在第二膜片12的第二光学表面所在的一侧可以通过微机械加工制作凹槽结构。

如上所述，在本实施方式中，在第一膜片11上可以制作通孔102。在一些示例中，通孔102可以与空腔101连通。在一些示例中，通孔102可以为圆柱形通孔或棱柱形通孔。在一些示例中，通孔102可以与空腔101共轴。在一些示例中，通孔102的孔径可以为50μm至2.4mm。

在一些示例中，空腔101的轴线可以垂直于第二膜片12的第二光学表面，并且通孔102的轴线可以垂直于第二膜片12的第二光学表面。

在一些示例中，在第一膜片11背离空腔101的一侧还设置有与通孔102共轴的凸台103(参见图2)。凸台103可以呈圆柱状，且凸台103的直径可以小于2.5mm。

在一些示例中，凸台103可以为圆柱形凸台或棱柱形凸台。在一些示例中，凸台103可以与通孔102共轴。在一些示例中，凸台103的高度可以为0.5mm至1.5mm。在一些示例中，凸台103的直径可以小于空腔101的直径。在一些示例中，凸台103的直径可以为100μm分别至2.5mm。通孔102贯通凸台103并与空腔101连通。

图3是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器1的第二种实施例的敏感单元10的立体结构示意图。图4是示出了沿着图3中AA'的剖面示意图。

在一些示例中，在敏感单元10的第二膜片12上可以制作与空腔101连通的多个气孔(参见图3)。在这种情况下，通过多个气孔连通空腔能够降低气压对第二膜片102的影响，并且第二膜片102仍能够感测声压。由此，能够提供一种用于感测声压的敏感单元10，并且能够提高敏感单元10感测声压的准确性。

在一些示例中，多个气孔的数量可以为2至12，例如多个气孔的数量可以为2、3、4、5、6、8、9、10或12。在图3和图5所示的实施例中，多个气孔可以为第一气孔104a、第二气孔104b、第三气孔104c和第四气孔104d(参见图3)。在一些示例中，第一气孔104a、第二气孔104b、第三气孔104c和第四气孔104d可以围绕通孔102的轴线均匀分布。由此，能够更有效地降低气压或液压对第二膜片12的影响。

在一些示例中，多个气孔可以贯穿第二膜片12。在一些示例中，多个气孔的轴线可以正交于敏感膜片112或与敏感膜片112呈预定夹角。在一些示例中，通孔102的轴线可以不经过多个气孔中的任一个。

图5是示出了本实用新型实施方式所涉及的光纤法珀压力传感器1的第三种实施例中敏感单元10的立体结构示意图。图6是示出了沿着图5中BB'的剖面示意图。

在另一些示例中，多个气孔也可以由第二膜片12的边缘处贯通至第二膜片12的第二光学表面，并且在第一膜片11的第一光学表面所在的一侧，设置有与第二膜片12的多个气孔连通的垄沟状凹槽，从而整体上形成呈L状的连通于空腔101的气孔(参见图6)。也就是说，在图5和图6所示的实施例中，气孔104a(以气孔104a为例)可以包括设置于第二膜片12上的孔、以及设置于第一膜片11上且与空腔101连通的槽，当第一膜片11与第二膜片12结合时使设置于第二膜片12上的孔与设置于第一膜片11上的槽对准以彼此连通，从而使气孔104a连通外部与空腔101。

也就是说，在一些示例中，气孔104a可以包括形成为L状的第一部分(即，形成在第二膜片12上的孔)和第二部分(即，形成在第一膜片11上的槽)，并且第一部分的轴线可以正交于第一光学表面，第二部分的轴线可以平行于第一光学表面。在这种情况下，能够使空腔101与外部连通，从而能够提供一种能够感测声压的压力传感器1。

虽然以上结合附图和示例对本实用新型进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本实用新型。本领域技术人员在不偏离本实用新型的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本实用新型进行变形和变化，这些变形和变化均落入本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤法珀压力传感器，其特征在于，

包括敏感单元和光学组件，所述敏感单元包括层叠设置的具有第一光学表面的第一膜片以及具有第二光学表面的第二膜片，所述第一光学表面与所述第二光学表面相对且平行地设置并且在所述第一光学表面与所述第二光学表面之间形成有空腔，所述第一膜片具有与所述空腔连通的通孔，并且所述通孔的轴线正交于所述第一光学表面，所述光学组件嵌设于所述通孔中并且所述光学组件嵌入于所述通孔中的一端的端面与所述第二光学表面平行，经由所述光学组件而进入所述空腔的光线能够在所述光学组件嵌入于所述通孔中的一端的端面与所述第二光学表面之间进行反射并生成包括所述第一光学表面与所述第二光学表面的间距信息的光学信号，其中，所述第二膜片配置为受到压力作用而发生形变以使所述第一光学表面与所述第二光学表面的间距发生改变，通过感测所述光学信号以感测压力。

2.根据权利要求1所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述第二膜片具有与所述空腔连通的多个气孔。

3.根据权利要求1所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

在所述第一膜片背离所述空腔的一侧还设置有与所述通孔共轴的凸台，所述凸台呈圆柱状，且所述凸台的直径小于2.5mm。

4.根据权利要求1所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述通孔的直径为50μm至2.4mm。

5.根据权利要求2所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

各个气孔的轴线正交于所述第一光学表面。

6.根据权利要求2所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述通孔的轴线不经过所述多个气孔中的任一个。

7.根据权利要求2所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述多个气孔围绕所述通孔的轴线均匀布置。

8.根据权利要求1所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述通孔的轴线穿过所述第一光学表面的中央。

9.根据权利要求1所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述光学组件包括光纤以及具有中空部的玻璃管，所述玻璃管的尺寸与所述通孔的尺寸相匹配并且所述玻璃管嵌设于所述通孔中，所述光纤的尺寸与所述中空部的尺寸相匹配并且所述光纤嵌设于所述中空部中，所述中空部的轴线正交于所述第一光学表面且所述光纤嵌入于所述中空部中的一端的端面与所述第二光学表面平行。

10.根据权利要求2所述的光纤法珀压力传感器，其特征在于，

所述气孔包括形成为L状的第一部分和第二部分，所述第一部分的轴线正交于所述第一光学表面并且所述第二部分的轴线平行于所述第一光学表面。

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