[发明专利]法珀传感器及其制造方法

说明书

本发明涉及法珀传感器及其制造方法。法珀传感器包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别地涉及一种具有非线性补偿设计和优化的结构的法珀传感器，并涉及其制造方法。

背景技术

光纤传感器已经广泛应用于各行各业，如石油、航空、航天、医疗、海洋等方面，且展现了优异的性能，例如具有耐受恶劣环境、耐电磁辐射、抗干扰、无源防爆、体积小巧、结构简单、动态范围大、能实现准分布测量、制作过程材料使用量少等优点。

光纤传感器比较成熟的技术主要有两种，一种是利用光纤光栅黏贴在受压模型上，通过模型受到压力后的形变来进行压力测量；另外一种是采用法布里-珀罗腔(或可简称为法珀腔、FP腔)技术，通过腔长度的变化来感测压力或温度。采用第二种技术的光纤传感器可称为光纤法布里-珀罗传感器，或可简称为法布里-珀罗传感器、法珀传感器、FP传感器等，其特别适于作为压力传感器使用。

专利US7689071B2公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器。附图1示出了这种现有的法布里-珀罗传感器的示例性图示。其中，该法珀传感器主要包括具有腔体1_5的玻璃基部1_6、固定到该玻璃基部1_6的单层压力敏感膜片1_4、设置在玻璃基部1_6的腔体底部的第一反射镜1_3、设置在压力敏感膜片1_4下表面的第二反射镜1_2，以及用于传导光学信号的双向光纤1_1。其中第一反射镜1_3、第二反射镜1_2以及腔体1_5构成法布里-珀罗腔。由于法布里-珀罗腔的长度是压力的明确函数，因此通过获知法布里-珀罗腔的长度即可获知施加到压力敏感膜片1_4的压力。

上述单质单晶薄膜结构的法珀传感器采用存在若干问题。如图3所示，随着压力的增加，其压力敏感膜片偏移量的增加明显减少，即压力敏感膜片的偏移是所施加压力的非线性函数。由于压力敏感膜片的偏移在全压力量程中存在这种较强的非线性，因此在较高压力范围内法珀传感器的灵敏度受到限制。

针对上文所述的技术问题，专利CN103534568B公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器，其围绕特定偏压压力进行了灵敏度优化。附图2示出了该专利CN103534568B所公开的法布里-珀罗传感器的局部示意图。具体地，该法珀传感器包括基部2_1以及安装在该基部上的压力敏感膜片。该压力敏感膜片包括由第一材料制成的第一层2_2、和由第二材料制成且包括内部应力的第二层2_3。第二层2_3安装在该第一层2_2上，使得压力敏感膜片形成双层结构。

上述采用双层或更多层复合膜结构的法珀传感器仍然存在若干问题，包括但不限于，第一，利用额外的、存在应力的结构层来拉伸传感器灵敏度的线性段，使得压力敏感膜片必须为非单层结构，增加了压力敏感膜片结构的复杂度；第二，多层膜相比单层膜，由于膜厚的增加，会降低整体传感器的灵敏度；第三，多层膜材料自身长期稳定性也综合影响传感器的长期性能；第四，由于尺寸微小，在上述专利的制造方法中，为了将第二层增加到第一层上需要复杂的工艺和步骤，这增加了传感器的制造成本。

发明内容

着眼于现有传感器设计中存在的上述问题，本发明设计了一种新型的法布里-珀罗传感器，其不但能够避免现有传感器设计存在的上述问题，还具有下文中所述的其他优势。