[发明专利]一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法

说明书

【技术领域】：

本发明涉及光纤压力传感器领域，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于声波，超声波信号等的探测。

【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 Technology Letters，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，Miniature all-silicafiber 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 on MEMStechnique，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。但是作为压力膜片的硅片变形过大时，硅片将不能保持平面，而造成较大的光能损失，影响到法布里-珀罗腔的性能；同时由于制作压力传感器的材料所限，环境温度对传感器稳定性影响很大。因此在实际使用时，法布里-珀罗腔限制在较小范围，硅片变形往往不允许过大，例如不能大于厚度的25％。为了提高测量满量程的测量精度、改善传感器应用限制，我们需要在同样的压力范围下，膜片变形范围比较大，这就使得膜片非平面变形问题必须考虑和克服；并且，为尽量减小其受应用环境温度的影响，则应采用其他方式连接传感器各部件。

【发明内容】：

本发明目的是克服现有技术中存在的上述一系列问题，提供一种新型结构的光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。本发明是在对传统的光纤法布里-珀罗传感器存在问题的分析与研究的基础上提出的，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器膜片变形不能过大的缺陷，可得到更高的测量精度。

本发明中的光纤法布里-珀罗压力传感器包括：

传感器体：光纤法布里-珀罗压力传感器体是传感器的支撑结构和光纤滑动时的引导结构，其形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个通孔，通孔的一端开有一个凹坑；制作材料可以是Pyrex玻璃或熔融石英材料；

弹性膜片：用来感受压力的变化，放置于传感器体的凹坑中并固定；膜片的材料可以是单晶硅片，石英薄片，聚合物薄片或金属膜片。

传感光纤：传感光纤的一端为法布里-珀罗腔所需的反射面，另一端为球形，该传感光纤放置于传感器体中间的通孔内，球形一端与弹性膜片紧密接触；

传输光纤：该光纤放置于传感器体中间通孔内的另一端，用来提供法布里-珀罗腔所需的另一反射面，与传感光纤的光纤端面不接触以构成法布里-珀罗腔；

传感光纤与传输光纤可以是单模光纤，也可以是多模光纤。光纤端面可以是切割后直接使用，也可以镀上反射膜。

微型弹簧：放置于传感光纤与传输光纤之间，用来提供弹性回复力使传感光纤与弹性膜片始终保持紧密接触，材料可以是聚合物或是金属，形状可以是螺旋形或是管状。