KR20150079286A - Pressure Sensor Using Fabry-Perot interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 의료용 소형 광섬유 페브리-페롯 간섭계를 사용한 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체 삽입형 광섬유 기반의 압력 측정을 수행하는 압력센서 및 압력센서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor using a small-sized optical fiber Fabry-Perot interferometer for medical use, and more particularly, to a pressure sensor for performing pressure measurement based on a human-body-inserted optical fiber and a method for manufacturing a pressure sensor.
페브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot interferometer)는 일반적으로 반사율이 높은 평행하는 2면 간에서 빛을 다중 반사시켜 다중 간섭을 이용하는 간섭계로서, 다중 반사되기 때문에 일반 간섭계보다 민감도가 높은 특징을 가지고 있어 온도, 압력, 스트레인, 굴절률, 가스 감지 센서 등 많은 분야에서 이용되고 있다.The Fabry-Perot interferometer is an interferometer that uses multiple interferences by multiply reflecting light between two parallel planes with high reflectivity, and has a characteristic of being more sensitive than a general interferometer due to multiple reflection, , Pressure, strain, refractive index, gas detection sensor and so on.
특히 의료분야에서는 카테터와 결합되어 인체 내 압력을 측정하는데 이용되며, 동정맥 혈압측정, 관상동맥, 폐 혹은 두개내압(Intracranial pressure-ICP)등을 측정하기 위해 이용될 수 있다.In particular, it is used in the medical field to measure pressure in the body in combination with a catheter. It can be used to measure arteriovenous blood pressure, coronary artery, lung or intracranial pressure (ICP).
종래의 광섬유 기반의 페브리-페롯 간섭계 압력 센서는 광섬유의 절단면과 다른 절단면으로 형성되며 각각의 절단면에서 반사되는 광이 광섬유로 다시 전달되어 간섭이 일어난다. 이때 광섬유에서 나오는 광은 평행한 빛이 아니기에 퍼져 나간다. 이러한 광의 퍼짐 현상으로 인해 절단면에 반사되어 되돌아오는 광은 두 반사면 사이의 길이가 길어질수록 광손실율이 증가하여 효과적으로 광섬유로 전달되지 못한다. 이 때문에 종래 광섬유 페브리-페롯 간섭계의 두 반사면 사이의 길이가 수 마이크로 내외로 형성된다. The conventional fiber-based Fabry-Perot interferometer pressure sensor is formed of a cut surface different from the cut surface of the optical fiber, and the light reflected from each cut surface is transmitted back to the optical fiber and interference occurs. At this time, the light emitted from the optical fiber is not parallel light and spreads out. As the length between the two reflecting surfaces increases, the light loss rate increases and the light that is reflected back to the cut surface due to the spreading of light is not effectively transmitted to the optical fiber. Therefore, the length between the two reflection surfaces of the conventional optical fiber Fabry-Perot interferometer is formed to be several micrometers or less.
상기와 같이 두 반사면 사이의 길이가 수마이크로 내외로 형성되면, 페브리-페롯 간섭계 압력 센서에 압력이 가해질 때 다이아프램의 휘는 범위의 최대한계가 축소되며, 압력의 측정 범위 또한 다이아프램의 휘는 범위에 따라 감소된다. As described above, when the length between the two reflection surfaces is formed to be several micrometers or less, the maximum limit of the diaphragm bending range is reduced when pressure is applied to the Fabry-Perot interferometer pressure sensor, And is reduced according to the range.
또한, 종래의 광섬유 기반 페브리-페롯 간섭계를 사용한 압력센서에서 제작된 다이아프램의 재질은 강성을 가진 물질로 구성되어, 센서로서의 민감도가 떨어질 우려가 있다. 그리고, 표면에서의 반사율을 높이기 위해 사용되는 금속 코팅은 외부 압력에 의해 발생되는 다이아프램의 변형에 의해 크랙이 발생되어 반사율을 감소시켜 광손실이 발생하고 전달되는 간섭광의 세기가 약해지는 문제점이 있다. In addition, the material of the diaphragm fabricated in the pressure sensor using the conventional optical fiber-based Fabry-Perot interferometer is made of a material having rigidity, which may lower the sensitivity of the sensor. The metal coating used for increasing the reflectivity at the surface is cracked due to the deformation of the diaphragm caused by the external pressure, thereby reducing the reflectance, resulting in optical loss and weakening the intensity of the transmitted interference light .
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 페브리-페롯 압력센서의 다이아프램 면에 가해지는 압력에 의한 신호의 손실을 줄이면서, 측정되는 간섭신호의 세기를 향상시킬 수 있는 페브리-페롯 압력센서를 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to reduce the loss of signal due to the pressure applied to the diaphragm surface of the Petri- - The purpose of providing a perrot pressure sensor.
본 발명은 인체 내로 삽입이 용이하면서, 보다 미세한 압력을 측정할 수 있고, 다이아프램이 휘어질 때 발생하는 금속 표면의 크랙 문제를 방지할 수 있는 페브리-페룻 압력센서를 제공하는데 그 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a Pebri-Perett pressure sensor which is easy to insert into a human body, can measure a finer pressure, and can prevent a cracking problem of a metal surface that occurs when the diaphragm is bent .
본 발명은 압력을 측정하기 위한 페브리-페롯 광간섭계를 사용하는 장치로서, 광원을 통해 전달되는 광의 경로를 제공하는 광섬유; 상기 광섬유의 일단에 절단면이 형성되고, 상기 절단면에 부착되어 제1 반사면을 형성하는 렌즈; 상기 광섬유와 렌즈를 둘러싸는 유리 페룰; 및 상기 유리 페룰 상면에 부착되며, 외부 압력에 따라 변형되며 제2 반사면을 제공하는 다이아프램;을 포함하고, 상기 유리 페룰 내부에는 상기 제1 반사면과 제2 반사면을 소정의 거리로 이격시키는 공기층으로 이루어진 관통부가 형성되고, 상기 제1 반사면과 제2 반사면에서 광이 반사되면, 상기 제2 반사면에서 반사된 광은 상기 렌즈에 의해 제1 반사면으로 집광(focusing)된다. The present invention relates to an apparatus using a Fabry-Perot optical interferometer for measuring pressure, comprising: an optical fiber for providing a path of light transmitted through a light source; A lens having a cut surface at one end of the optical fiber and attached to the cut surface to form a first reflection surface; A glass ferrule surrounding the optical fiber and the lens; And a diaphragm attached to an upper surface of the glass ferrule and deformed according to external pressure to provide a second reflecting surface, wherein the first reflecting surface and the second reflecting surface are spaced apart from each other by a predetermined distance When light is reflected by the first and second reflection surfaces, the light reflected by the second reflection surface is focused by the lens onto the first reflection surface.
그리고, 상기 렌즈는 소정의 곡률을 가지는 구면으로 이루어질 수 있고, 상기 렌즈는 광이 집속되는 중심부의 소정 영역이 평평한 면으로 형성될 수 있다.The lens may have a spherical surface having a predetermined curvature, and the lens may have a flat surface at a predetermined region of the central portion where light is focused.
본 발명의 실시예에 따르면, 광섬유의 일단에 렌즈를 형성함으로써 상기 광섬유의 반사면을 통과한 후 재반사되어 돌아오는 광신호가 렌즈에 의해 포커싱되기 때문에, 광손실의 로스가 감소하여 보다 정밀한 압력을 측정할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, since a lens is formed at one end of the optical fiber, the optical signal passing through the reflection surface of the optical fiber after being reflected and reflected again is focused by the lens. Therefore, loss of optical loss is reduced, Can be measured.
실시예에 따르면 페브리-페롯 압력센서의 압력이 감지되는 다이아프램의 압력 동적 범위를 종래보다 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 측정 압력 범위를 증가시킬 수 있다. According to the embodiment, the pressure dynamic range of the diaphragm in which the pressure of the Petri-Perot pressure sensor is sensed can be increased as compared with the prior art, thereby increasing the measurement pressure range.
또한, 실시예에 따른 페브리-페롯 압력센서는 인체에 삽입 가능한 연성의 재질로 제작되어 미세한 압력을 측정할 수 있으며, 폴리머 형태의 페를린 막을 다이아프램에 코팅함으로써 다이아프램이 휘어질 시 발생하는 금속 표면의 크랙 문제를 방지할 수 있다. In addition, the Fabry-Perot pressure sensor according to the embodiment is made of a flexible material that can be inserted into the human body, and can measure minute pressure. When a diaphragm is bent, a polymer-type perylene membrane is coated on the diaphragm It is possible to prevent cracking of the metal surface.
또한, 실시예에 따른 페브리-페롯 압력센서는 센서의 직경이 작아 인체 내로 삽입이 용이하며, 인체 내에서 발생되는 두개내압 등의 압력을 정밀하고 높은 민감도를 가지고 측정할 수 있다. In addition, the Petri-petrot pressure sensor according to the embodiment can be easily inserted into the human body because the diameter of the sensor is small, and the pressure such as the intracoronary pressure generated in the human body can be measured with high sensitivity.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 페브리-페롯 압력센서를 나타낸 단면도
도 2는 도 1의 점선 부분을 확대하여 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이아프램을 나타낸 도면
도 4은 도 3의 평면도이며, (a)는 상부에서 바라면 평면도이고 (b)는 하부에서 바라본 평면도
도 5는 본 발명의 다이아프램의 제조방법을 나타낸 도면
도 6은 종래와 본 발명의 페브리-페롯 압력센서에 의한 간섭광의 스펙트럼을 비교한 데이터를 나타낸 그래프
도 7은 종래와 본 발명의 페브리-페롯 압력센서의 두 반사면 사이거리에 따른 집광 정도를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 페브리-페롯 압력센서를 이용한 압력에 따른 제1 반사면과 제2 반사면 사이의 거리(L)를 측정한 그래프
도 9는 본 발명의 페브리-페롯 압력센서를 이용한 압력과 두 반사면의 거리의 상관관계를 나타내는 그래프1 is a cross-sectional view of a Fabry-Perot pressure sensor according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is an enlarged view of a portion indicated by a dotted line in Fig. 1
3 is a view of a diaphragm according to an embodiment of the present invention;
Fig. 4 is a plan view of Fig. 3, wherein (a) is a plan view when viewed from above and (b) is a plan view
5 is a view showing a manufacturing method of the diaphragm of the present invention
6 is a graph showing data obtained by comparing spectra of the interference light by the conventional and the Petri-petrot pressure sensor of the present invention
7 is a graph showing the degree of condensation according to the distance between two reflection surfaces of the conventional and the Petri-petrot pressure sensor of the present invention
8 is a graph showing a distance L between a first reflection surface and a second reflection surface according to pressure using the Petri-Petrot pressure sensor of the present invention
9 is a graph showing a correlation between the pressure and the distance between two reflecting surfaces using the Fabry-Perot pressure sensor of the present invention
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.The embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. In describing the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions may be omitted for the sake of clarity of the present invention.
본 발명은 의료용 소형 광섬유 페브리-페롯 간섭계 압력센서에 관한 것으로, 광섬유에 부착된 렌즈의 표면과 압력이 가해지는 다이아프램의 반사면에 의한 페브리-페롯 간섭을 형성하는 인체 삽입형 광섬유 기반의 압력 측정 장치를 제공하는 것이다. [0001] The present invention relates to a small-sized fiber-optic Fiber-Perot interferometer pressure sensor for medical use, and more particularly, to a pressure-based optical fiber-based pressure sensor which forms a Fabry-Perot interference by a surface of a lens attached to an optical fiber and a reflective surface of a diaphragm And to provide a measuring device.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 페브리-페롯 압력센서를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실시 예의 페브리-페롯 압력센서(10)는 소정의 직경을 갖는 광섬유(12), 광섬유(12) 일단에 부착된 렌즈(13), 광섬유(12)를 둘러싸는 페룰(ferrule, 11) 및 페룰(11)의 일단과 부착되는 다이아프램(Diaphragm, 15)을 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 광섬유(12)와 다이아프램(15) 사이에는 광이 진행되는 경로를 형성하기 위해 공기층으로 이루어진 공간인 관통부(14)가 마련된다. 1 is a cross-sectional view illustrating a Petri-Petrot pressure sensor according to an embodiment of the present invention. 1, the Fabry-
도 2는 도 1의 점선 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 점선 부분은 광원으로부터 광섬유(12)를 통해 전달된 광이 측정되는 페브리-페롯 압력센서(10)의 측정부(20)를 나타낸 것으로서, 본 발명은 측정부(20)에 포함되는 구조를 변경한 페브리-페롯 압력센서(10)를 제안한다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 구성에 대해 상세히 살펴보기로 한다. Fig. 2 is an enlarged view of the dotted line portion of Fig. 1. Fig. The dotted line portion represents the
도 2를 참조하면, 소정의 직경을 갖는 광섬유(12)의 일단에는 소정의 곡률을 가지는 렌즈(13)가 부착될 수 있다. 광섬유(12)의 일단에 광섬유와 같은 재질의 유리 막대(glass rod)를 부착하고, 광 융합장치를 이용하여 유리 막대를 녹이는 과정을 실시함으로써, 소정의 곡률을 가진 렌즈(13)가 광섬유(12)의 절단면에 부착된다. 따라서, 렌즈(13)의 면은 광섬유를 통해 전달된 광이 1차적으로 반사하는 제1 반사면(16)이 된다. 상기 제1 반사면(16)은 소정의 곡률을 가지는 구면으로 형성될 수 있지만, 재반사되는 광을 효과적으로 포커싱하기 위해서 중심부는 평평한 면을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 렌즈(13)는 광섬유(12)의 일단에 열성형을 통해 부착되는 것으로, 광섬유(12)보다 직경이 더 크도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2, a
광섬유(12)는 광을 단일 전송하기 위해 설계된 싱글모드 광섬유(Single Mode Fiber)가 사용될 수 있으며, 멀티모드 광섬유에 비해 훨씬 크기가 작은 코어가 사용된다. The
상기 광섬유(12)는 광통신 커넥터용으로 사용되는 유리 페룰(glass ferrule, 11) 내부에 삽입될 수 있다. 유리 페룰(11)은 광섬유(12)가 삽입될 수 있도록, 중심부가 소정 직경이 관통되어 가공된다. 유리 페룰(11)의 중심부는 광섬유(12)의 직경과 대응하도록 관통되며, 렌즈(13)의 최하단부와 만나는 지점을 시작으로 직경이 점차 넓어지는 관통부(14)가 형성될 수 있다. The
상기 관통부(14)는 소정 각도의 곡면을 가지면서 상하방향이 반전된 원뿔형상으로 가공될 수 있으며, 관통부(14)의 경사면에 의해 유리 페룰(11) 내부에서 렌즈(13)가 움직이지 않도록 고정될 수 있다. 관통부(14)는 공기층이 존재하는 빈 영역으로서, 렌즈(13)의 제1 반사면(16)을 통과한 일부의 광이 공기를 매질로 이동하는 공간을 제공한다. 또한, 유리 페룰(11)은 내열 유리의 일종으로서, 열팽창율이 작은 파이렉스 글라스(Pyrex glass)가 사용될 수 있다.The
그리고, 상기 유리 페룰(11)과 관통부(14)의 상면에는 다이아프램(Diaphragm, 15)이 부착될 수 있다. 다이아프램(15)은 탄성이 있는 얇은 판을 지칭하는 것으로, 휨 특성을 이용하여 압력의 측정을 수행할 수 있다. 다이아프램(15)은 페브리-페롯 압력센서(10)에 압력이 가해지는 부재이며, 다이아프램(15)이 관통부(14)와 만나는 면은 제1 반사면(16)을 통과한 광이 반사되는 제2 반사면(17)을 형성하게 된다. A
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다이아프램을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 다이아프램(15)은 PDMS(polydimethylsiloane, 2)막이 사용될 수 있다. PDMS(2) 막은 폴리머로서, 기판의 상대적으로 넓은 영역에 안정적으로 점착할 수 있으며, 실리콘 및 Glass mold를 사용할 시, 쉽게 가공할 수 있으며 재 성형이 가능하다는 장점이 있다. 3 is a view illustrating a diaphragm according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the
실시예의 다이아프램(15)은 상기 PDMS(2)의 상면과 하면에 패를린(Parylene)막(3, 3')이 코팅될 수 있다. 이후에 설명되겠지만, PDMS(2) 상면에 형성되는 패를린막(3')과 하면에 형성되는 패를린막(3)은 동일 제조 공정에서 형성되는 것으로, 도면부호만 다를 뿐 실질적으로 같은 구성요소이다. 참조번호 3은 패를린막(3')이 식각되어 형성된 패를린막 패턴을 의미한다. In the
상기 패를린막 코팅의 중합 반응은 매우 낮은 압력과 30℃이하의 상온 상태에서 일어나기 때문에 피처리물 표면에 열적 스트레스를 발생시키지 않으며, 미세한 틈에도 코팅이 이루어지고 형상에 관계없이 균일한 코팅막의 형성이 가능하여 우수한 보호막 특성을 얻을 수 있다. 이는 강성이 높은 금속 표면과 강성이 낮은 PDMS 사이에서 중간층을 형성하며, 이로부터 스트레스의 균형을 맞춰주게 되므로 다이아프램(15)이 압력에 의해 휘어질 때 금속 표면에 크랙이 발생되는 현상을 방지할 수 있다. Since the polymerization reaction of the tin coating is carried out at a very low pressure and at a room temperature of 30 ° C or lower, thermal stress is not generated on the surface of the object to be treated, coating is performed even in a fine gap, and a uniform coating film So that an excellent protective film characteristic can be obtained. This forms an intermediate layer between the rigid metal surface and the less rigid PDMS, which provides a balance of stresses, thereby preventing cracks on the metal surface when the
상기 PDMS(2)의 하면의 패를린막(3)은 제2 반사면(17)과 대응하는 영역에 형성되며, 상기 패를린막(3) 하부에는 실제 광이 반사되는 반사막(5)이 형성된다. 반사막(5)은 실질적인 제2 반사면(17)이며, 금(Au) 또는 구리(Cu)의 박막으로 형성될 수 있다. The
실시 예에 따른 다이아프램(15)은 인체에 용이하게 삽입되기 위해 PDMS(2) 막은 50㎛, 패를린막은 1㎛, 반사막(5)은 70㎚로 형성되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. In order to easily insert the
도 4은 도 3의 평면도이며, (a)는 상부에서 바라면 평면도이고 (b)는 하부에서 바라본 평면도이다. Fig. 4 is a plan view of Fig. 3, wherein (a) is a plan view when viewed from the top and (b) is a plan view seen from the bottom.
우선 도 4의 (a)를 참조하면, 다이아프램(15)의 PDMS(2) 상면에는 패를린막(3')이 증착되고, 상기 패를린막(3')은 스웰링(swelling) 방지막의 역할을 수행한다. 패를린막(3')은 위에서 살펴본 바와 같이, H2O, O2 와 같은 가스의 차단 능력이 탁월하고, 우수한 내부식성을 가지며 대부분의 화학약품에 대한 강한 저항성을 가진다. 따라서, 상기 PDMS(2)의 내부의 일부 성분원소가 기체원소로 바뀌고, 기체원소가 모여 기포를 이루어 PDMS(2) 내부가 부풀어 오르는 스웰링(swelling) 현상에 의해 압력에 따른 PDMS(2)의 변형율이 달라지는 문제점이 상기 패를린막(3')이 증착됨으로써 방지될 수 있다. 4 (a), a folding film 3 'is deposited on the upper surface of the
도 4의 (b)를 참조하면, 다이아프램(15)의 PDMS(2) 하면에는 패를린막(3)과 반사막(5)이 증착되고, 반사막(5)에 해당하는 면에 접착 방지층(7)이 형성될 수 있다. 그리고, 접착 방지층(7)이 형성되지 않은 영역에는 하부의 유리 페룰(11)과의 접착을 위해 접착층(4)이 형성될 수 있다. 4 (b), a
또한, 반사막(5)은 금과 같은 물질로 증착된 금속 표면으로서, 다이아프램이 휘어짐에 따라 크랙이 발생할 가능성이 있다. 그러나, 우수한 유연성을 가지는 패를린막(3)이 중간층으로서 하부에 증착됨에 따라 이러한 문제가 해결될 수 있다.Further, the
도 5는 본 발명의 다이아프램의 제조방법을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여, 실시 예의 다이아프램(15)을 (a) 내지 (j)에 따른 공정 순서에 따라 제조하는 방법에 대해 살펴본다. 5 is a view showing a manufacturing method of the diaphragm according to the present invention. Referring to Fig. 5, a method of manufacturing the
(a) 우선, 실리콘 기판(1) 상부에 SU-8 막(8)을 증착하여 패터닝한다.(a) First, the SU-8
(b) 패터닝된 SU-8 막(8) 사이에 PDMS(2)를 주입하고, 유리(4)를 사용해 압착하여, PDMS(2)가 소정의 두께와 높이를 갖도록 성형하는 단계를 실시한다. (b) The
(c) 이어서, 성형된 PDMS(2)를 차출한다.(c) Subsequently, the molded
(d) 상기 PDMS(2) 전면에 패를린막(3)을 증착한다. (d) depositing a
(e) 그리고, 상기 패를린막(3) 상면에 포토레지스트 패턴의 일종인 제1 DNR 패턴(8)을 형성한다. (e) Then, a
(f) 이어서, 패를린막(3)에 대한 식각을 수행하여, 제2 반사면의 영역을 위한 패를린막 패턴(3')을 형성한다. 이 때, 패를린막(3)에 대해 건식식각이 이루어질 수 있으며, 식각용 가스를 플라즈마 상태로 만들고 상하 전극을 이용하여 플라즈마 상태의 가스를 대상에 충돌시켜 방향성 식각을 수행할 수 있는 Reactive Ion eching(RIE) 식각이 사용될 수 있다. (f) Then, the
(g) 이어서, 식각된 영역에 포토레지스트 패턴의 일종인 제2 DNR 패턴(9)을 형성한다.(g) Then, a
(h) 이어서, 제2 DNR 패턴(9)과 패를린막 패턴(3')의 전면에 금(Au)을 스퍼터링(sputtering)하여 반사막(5)을 박막 형성한다. (h) Subsequently, gold (Au) is sputtered on the entire surface of the
(i) 그리고, 상기 제2 DNR 패턴(9)이 포함된 영역을 제거하면, 패를린막 패턴(3')과 반사막 패턴(5')이 적층된 실시예에 따른 다이아프램(15)을 형성할 수 있다. (i) Removing the region including the
(j) 그리고, 반사막 패턴(5')이 형성되지 않은 면에는 유리 페룰(11)이 접착되고, 유리 페룰(11) 내부에는 광섬유가 삽입될 수 있다. (j) A
이와 같이, 본 발명의 다이아프램(15)은 인체에 삽입되기 용이한 크기로 성형된 PDMS막에 패를린막이 증착됨으로써, PDMS막의 스웰링 현상을 방지할 수 있고 반사막에서 발생할 수 있는 크랙 문제를 용이하게 방지할 수 있는 구조로 제작될 수 있다. As described above, the
이하에서는 다시 도 1 및 도 2를 참조하면서, 실시 예에 따른 페브리-페롯 압력센서의 작동 원리에 대해 살펴보기로 한다. Hereinafter, the principle of operation of the Fabry-Perot pressure sensor according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2 again.
페브리-페롯 압력센서(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 거리 L만큼 떨어져 배치되고, 도2에 도시된 바와 같이 반사율이 서로 다른 제1 반사면(16)과 제2 반사면(17)로 구성된다. 광이 상기 제1 반사면(16)에 입사되면 일부광은 제1 반사면(16)에서 광섬유(12) 쪽으로 반사되고, 일부광은 제1 반사면(16)을 통과하여 제2 반사면(17)에 입사하여 반사된다. 상기와 같이, 제1 반사면(16)과 제2 반사면(17)을 통해 반사된 빛이 만나 간섭을 일으키게 되며, 간섭을 일으킨 광의 세기는 제1 반사면(16)과 제2 반사면(17)사이의 거리(L)와 제1 반사면(16)과 제2 반사면(17) 사이에 채워진 물질의 굴절률, 제1 반사면(16)과 제2 반사면(17)사이의 거리(L)의 함수인 아래의 수학식과 같이 표현될 수 있다. The Petri-
여기서, I는 측정되는 간섭신호의 세기이며, R은 두 반사면의 반사율, n은 반사면 사이에 채워진 물질의 굴절율, l은 두 반사면 사이의 거리, λ는 사용되는 광의 파장, δ는 두 반사면 사이의 위상차를 나타낸다. 상기 수학식은 제2 반사면에서 돌아오는 빛의 광손실이 없는 경우의 수학식이며, 광손실을 고려한 간섭신호의 수식은 하기의 수학식 2로 표현될 수 있다. Where I is the intensity of the interfering signal to be measured, R is the reflectivity of the two reflecting surfaces, n is the refractive index of the material filled between the reflecting surfaces, l is the distance between the two reflecting surfaces, lambda is the wavelength of the light used, Represents the phase difference between the reflective surfaces. The above equation is a formula for the case where there is no optical loss of light returning from the second reflection surface, and the formula of the interference signal considering the optical loss can be expressed by the following equation (2).
여기서, T(Z)는 광섬유에서 나오는 빛이 가우시안 빛이라 가정하였을 때 반사되어 동일한 광섬유로 되돌아와 집속되는 정도를 나타낸다. ω0는 가우시안 빔의 최소 빔 사이즈, k=2π/λ를 나타내며, 두 반사면 사이의 거리(ㅣ)가 증가하면 광손실이 발생되어 간섭 신호 I가 감소하게 됨을 알 수 있다. 본 발명은 광섬유에 광을 집광시켜주는 광학 소자인 렌즈를 부착함으로써, 상기의 T(Z)값을 향상시킬 수 있다. 즉, 제1 반사면(16)을 통과한 광이 제2 반사면(17)에 반사되어 손실되지 않고 동일한 광섬유로 집광되기 때문에, 간섭세기의 신호를 향상시킬 수 있고 측정되는 압력의 범위 또한 확장시킬 수 있다. Here, T (Z) represents the degree to which light emitted from the optical fiber is reflected and converged to the same optical fiber when Gaussian light is assumed. ω 0 represents the minimum beam size of the Gaussian beam, k = 2π / λ. It can be seen that as the distance (ㅣ) between the two reflecting surfaces increases, optical loss occurs and the interference signal I decreases. The present invention can improve the T (Z) value by attaching a lens, which is an optical element for condensing light to the optical fiber. That is, since the light passing through the
또한, 종래의 페브리-페롯 압력센서는 두 반사면 사이의 거리(l)가 길어질수록 측정감도가 떨어지는 문제점으로 인해 두 반사면 사이의 거리가 수마이크로 내외로 형성되어 압력이 가해지는 다이아프램이 휘는 정도에 제한이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명은 상기와 같이 렌즈를 통해 간섭신호의 세기를 향상시킴으로서, 두 반사면 사이의 거리를 수백마이크로의 범위로 확장할 수 있다. In addition, since the conventional Fabry-Perot pressure sensor has a problem that the measurement sensitivity is lowered as the distance ( l ) between the two reflection surfaces becomes longer, the distance between the two reflection surfaces is set to a few microameters, The degree of warpage will be limited. However, by improving the intensity of the interference signal through the lens as described above, the distance between the two reflection surfaces can be extended to a range of several hundreds of microns.
따라서, 상기와 같은 반사면 사이의 거리 범위의 증가로 인해 다이아프램의 변형 범위를 증가시킬 수 있고, 페브리-페롯 압력센서에서 측정되는 압력 범위를 향상시킬 수 있다. Therefore, it is possible to increase the deformation range of the diaphragm due to the increase of the distance range between the reflection surfaces and to improve the pressure range measured by the Fabry-Perot pressure sensor.
도 6은 종래와 본 발명의 페브리-페롯 압력센서에 의한 간섭광의 스펙트럼을 비교한 데이터를 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing data obtained by comparing the spectra of the interference light by the conventional and the Fabry-Perot pressure sensor of the present invention.
도 6을 참조하면, 광원으로는 파장이 1550㎚, 대역폭이 100㎚을 가지는 광대역광(broadband light)을 사용하였으며, 종래와 같이 반사된 빛을 집광하는 렌즈가 없는 경우와, 실시 예와 같이 반사된 빛을 집광하는 렌즈가 구비된 경우에 대해 측정하였다. Referring to FIG. 6, a broadband light having a wavelength of 1550 nm and a bandwidth of 100 nm is used as a light source. In the case where there is no lens for condensing reflected light as in the prior art, And a lens for condensing the light is provided.
종래 렌즈가 없는 경우의 압력센서 간섭광의 스펙트럼이 본 발명에 따른 압력센서의 간섭광 스펙트럼보다 약 4 dB 가량 작은 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래에 비해 제2 반사면에 의해 다시 광섬유로 돌아가는 광의 손실이 감소되어 광간섭이 크게 나타난 것으로 평가된다. 따라서, 실시 예의 제1 반사면을 이루는 렌즈는 제2 반사면에서 반사된 광을 효과적으로 집광하여 간섭신호의 세기를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. It can be seen that the spectrum of the interference light of the pressure sensor when the conventional lens is absent is about 4 dB smaller than the interference light spectrum of the pressure sensor according to the present invention. That is, it is estimated that the loss of light returning to the optical fiber again by the second reflection surface is smaller than that of the prior art, resulting in a large optical interference. Therefore, it can be seen that the lens constituting the first reflection surface of the embodiment can effectively enhance the intensity of the interference signal by efficiently focusing the light reflected from the second reflection surface.
도 7은 종래와 본 발명의 페브리-페롯 압력센서의 두 반사면 사이거리에 따른 집광 정도를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the degree of condensation according to the distance between two reflection surfaces of the conventional and the Fabry-Perot pressure sensor of the present invention.
도 7를 참조하면, 종래와 같이 반사된 빛을 집광하는 렌즈가 없는 경우와, 실시 예와 같이 반사된 빛을 집광하는 렌즈가 구비된 경우에 대해 측정하였다. Referring to FIG. 7, a case where there is no lens for collecting reflected light and a case where a lens for collecting reflected light is provided as in the embodiment is measured.
종래 렌즈가 없는 경우의 두 반사면 사이거리에 따른 집광 신호는 본 발명에 따른 집광 신호보다 급격히 줄어듬을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예의 제2 반사면에서 반사되는 광을 효과적으로 집광한다.It can be seen that the condensed signal according to the distance between the two reflective surfaces in the case where the conventional lens is absent is sharper than the condensed signal according to the present invention. Therefore, the light reflected by the second reflection surface of the embodiment is effectively condensed.
도 8은 본 발명의 페브리-페롯 압력센서를 이용한 압력에 따른 제1 반사면과 제2 반사면 사이의 거리(L)를 측정한 그래프이다. FIG. 8 is a graph showing a distance L between a first reflection surface and a second reflection surface according to a pressure using the Fabry-Perot pressure sensor of the present invention.
도 8을 참조하면, 다이아프램에 가해지는 압력을 증가시키면서 간섭 스펙트럼에 의해 산출된 두 반사면 사이의 거리를 측정한 결과를 나타내며, 압력이 증가함에 따라 페브리-페롯 압력센서의 두 반사면의 거리가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 압력과 거리의 상관관계로 나타낸다. Referring to FIG. 8, there is shown a measurement result of the distance between two reflection surfaces calculated by the interference spectrum while increasing the pressure applied to the diaphragm. As the pressure increases, the two reflection surfaces of the Fabry- You can see the distance decreases. These results are shown as a correlation of pressure and distance.
도 9은 본 발명의 페브리-페롯 압력센서를 이용한 압력과 두 반사면의 거리의 상관관계를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing a correlation between the pressure and the distance between two reflection surfaces using the Fabry-Perot pressure sensor of the present invention.
도 9를 참조하면, 압력과 두 반사면의 거리의 상관 관계는 소정의 기울기를 갖는 선형(linear) 그래프를 도출할 수 있으며, 압력의 변화에 따라 변화하는 반사면 사이의 거리를 도출할 수 있어, 더욱 정밀하고 민감하게 압력을 측정할 수 있다. Referring to FIG. 9, a linear graph having a predetermined slope can be derived from the correlation between the pressure and the distance between two reflecting surfaces, and the distance between the reflecting surfaces that change with the change in pressure can be derived , The pressure can be measured more precisely and sensitively.
따라서, 상기의 측정 결과와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 페브리-페롯 압력센서는 압력이 감지되는 다이아프램의 압력 동적 범위를 종래보다 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 측정 압력 범위를 증가시킬 수 있다.Accordingly, as in the above measurement results, the Fabry-Perot pressure sensor according to the embodiment of the present invention can increase the pressure dynamic range of the diaphragm in which the pressure is sensed, as compared with the prior art, thereby increasing the measurement pressure range .
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications other than those described above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments of the present invention can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
10: 페브리-페롯 압력 센서 20: 측정부
11: 페룰 3, 3'; 페를린막
12: 광섬유 5, 5': 반사막
13: 렌즈 2: PDMS
14: 관통부 4: 접착층
15: 다이아프램 7: 접착방지층
16: 제1 반사면 8: SU-8 막
17: 제2 반사면 9: 제2 DNR 패턴10: Petri-Perot pressure sensor 20: Measuring part
11:
12:
13: Lens 2: PDMS
14: penetration part 4: adhesive layer
15: diaphragm 7: anti-adhesion layer
16: First reflection surface 8: SU-8 film
17: 2nd reflector 9: 2nd DNR pattern
Claims (18)
광원을 통해 전달되는 광의 경로를 제공하는 광섬유;
상기 광섬유의 일단에 절단면이 형성되고, 상기 절단면에 부착되어 제1 반사면을 형성하는 렌즈;
상기 광섬유와 렌즈를 둘러싸는 페룰(ferrule); 및
상기 페룰 상면에 부착되며, 외부 압력에 따라 변형되며 제2 반사면을 제공하는 다이아프램;을 포함하고,
상기 페룰 내부에는 상기 제1 반사면과 제2 반사면을 소정의 거리로 이격시키는 공기층으로 이루어진 관통부가 형성되고,
상기 제1 반사면과 제2 반사면에서 광이 반사되면, 상기 제2 반사면에서 반사된 광은 상기 렌즈에 의해 제1 반사면으로 집광(focusing)되는 페브리-페롯 압력센서.An apparatus using a Fabry-Perot optical interferometer for measuring pressure,
An optical fiber for providing a path of light transmitted through a light source;
A lens having a cut surface at one end of the optical fiber and attached to the cut surface to form a first reflection surface;
A ferrule surrounding the optical fiber and the lens; And
And a diaphragm attached to the upper surface of the ferrule, the diaphragm being deformed according to external pressure and providing a second reflecting surface,
Wherein a through-hole is formed in the ferrule, the air layer separating the first reflection surface and the second reflection surface by a predetermined distance,
Wherein when the light is reflected by the first reflection surface and the second reflection surface, light reflected by the second reflection surface is focused on the first reflection surface by the lens.
상기 렌즈는 소정의 곡률을 가지는 구면으로 이루어진 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the lens is a spherical surface having a predetermined curvature.
상기 렌즈는 광이 집속되는 중심부의 소정 영역이 평평한 면으로 형성된 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined area of the central portion where the light is focused is formed into a flat surface.
상기 렌즈는 상기 광섬유와 같은 반사도를 가지는 재질로 형성되며, 상기 광섬유의 절단면에 유리 막대를 부착하여 열성형을 통해 제조되는 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the lens is formed of a material having a reflectivity similar to that of the optical fiber and is manufactured through thermoforming by attaching a glass rod to a cut surface of the optical fiber.
상기 제 1 반사면과 제 2 반사면의 거리는 수백 마이크로 내외의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein a distance between the first reflection surface and the second reflection surface is in the range of about several hundred microameters.
상기 다이아프램은 폴리머(Polymer)로 형성되는 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the diaphragm is formed of a polymer.
상기 다이아프램은 소정의 두께와 높이로 가공된 PDMS(polydimethylsiloane)를 포함하는 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the diaphragm comprises polydimethylsiloane (PDMS) processed to a predetermined thickness and height.
상기 PDMS 상면에는 스웰링(swelling) 현상을 방지하기 위한 패를린 (Parylene)막이 증착되는 페브리-페롯 압력센서.8. The method of claim 7,
Wherein a Parylene film is deposited on the upper surface of the PDMS to prevent a swelling phenomenon.
상기 PDMS 하면에는 패를린(Parylene)막이 증착되고, 그 하면에는 광의 반사가 이루어지는 제2 반사면의 반사막이 형성되는 페브리-페롯 압력센서.8. The method of claim 7,
Wherein a parylene film is deposited on the lower surface of the PDMS and a reflective film of a second reflective surface is formed on the lower surface of the PDMS.
상기 제2 반사면의 반사막은 금속을 소정의 두께로 스퍼터링(sputtering)하여 박막 형성되는 페브리-페롯 압력센서.10. The method of claim 9,
Wherein the reflective film of the second reflective surface is formed as a thin film by sputtering a metal to a predetermined thickness.
상기 금속은 금, 은, 알루미늄, 구리, 니켈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서.11. The method of claim 10,
Wherein the metal is one of gold, silver, aluminum, copper, and nickel.
상기 페룰의 관통부는 상기 렌즈를 고정시키기 위한 상하방향이 반전된 원뿔형의 공간으로 이루어진 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서. The method according to claim 1,
Wherein the penetrating portion of the ferrule is a conical space whose upper and lower directions are inverted to fix the lens.
상기 페룰은 유리(Glass)로 제작되는 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서.The method according to claim 1,
Wherein the ferrule is made of glass.
상기 유리는 Pyrex Glass인 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서.14. The method of claim 13,
Wherein the glass is Pyrex Glass.
유리 페룰에 광섬유를 삽입한 후, 상기 광섬유의 절단면에 유리막대(glass rod)를 접합시키는 단계;
광 융합장치를 이용하여 상기 광섬유에 부착된 유리막대를 녹여 제1 반사면을 제공하는 렌즈를 제작하는 단계; 및
감광제를 이용하여 제2 반사면을 제공하는 다이아프램을 형성하는 단계;를 포함하는 페브리-페롯 압력센서의 제조 방법.A method of manufacturing a pressure sensor using a Fabry-Perot optical interferometer for measuring pressure,
Inserting an optical fiber into a glass ferrule and joining a glass rod to the cut surface of the optical fiber;
Preparing a lens for providing a first reflection surface by melting a glass rod attached to the optical fiber using a light fusion device; And
And forming a diaphragm using a photosensitive agent to provide a second reflective surface.
감광제를 이용하여 다이아프램을 형성하기 위한 성형틀을 제작하는 단계는,
제작된 성형틀에 폴리머를 주입하는 단계와,
소정의 높이와 두께를 갖는 폴리머를 형성하고, 상기 폴리머에 코팅막을 형성하는 단계와,
상기 유리 페룰과의 접착면에 접착층을 형성하는 단계와,
상기 유리 페룰과 상기 다이아프램을 본딩하는 단계를 포함하는 페브리-페롯 압력센서 제조 방법.16. The method of claim 15,
The step of fabricating the forming mold for forming the diaphragm using the photosensitive agent comprises:
Injecting a polymer into the mold,
Forming a polymer having a predetermined height and thickness, and forming a coating film on the polymer;
Forming an adhesive layer on the adhesion surface of the glass ferrule,
And bonding the diaphragm to the glass ferrule.
상기 폴리머는 PDMS(polydimethylsiloane)이며, 상기 코팅막은 패를린(Parylene)막인 것을 특징으로 하는 페브리-페롯 압력센서 제조 방법.17. The method of claim 16,
Wherein the polymer is PDMS (polydimethylsiloane), and the coating layer is a Parylene film.
상기 폴리머에 코팅막을 형성하는 단계 이후에,
상기 제1 반사면을 통과한 광이 반사되기 위한 반사막을 증착하는 단계를 더 포함하는 페브리-페롯 압력센서 제조 방법. 17. The method of claim 16,
After the step of forming a coating film on the polymer,
Further comprising the step of depositing a reflective film for reflecting the light passing through the first reflection surface.
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| KR1020130169413A KR20150079286A (en) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | Pressure Sensor Using Fabry-Perot interferometer |
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| KR1020130169413A KR20150079286A (en) | 2013-12-31 | 2013-12-31 | Pressure Sensor Using Fabry-Perot interferometer |
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|---|---|---|---|---|
| CN106052913A (en) * | 2016-07-11 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | Pressure sensing device with high sensitivity |
-
2013
- 2013-12-31 KR KR1020130169413A patent/KR20150079286A/en not_active Application Discontinuation
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| CN106052913A (en) * | 2016-07-11 | 2016-10-26 | 中国计量大学 | Pressure sensing device with high sensitivity |
| CN106052913B (en) * | 2016-07-11 | 2024-02-20 | 中国计量大学 | High-sensitivity pressure sensing device |
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