光纤F_P腔压力传感器的研究进展

计测技术综合评述·5·oi光纤F-P腔压力传感器的研究进展韩冰，高超(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)摘要:光纤F-P腔压力传感器因其独有的优点广泛应用于军事、民用领域。国内外诸多高校、科研院所都在对其进行研究。本文介绍了光纤F-P腔压力传感器的研究进展，对全光纤结构F-P压力传感器、激光加工微型光纤压力传感器、二氧化硅膜片压力传感器的结构和制作过程进行了总结，并对利用MEMS制作压力传感器的工艺进行了详述，对比分析了不同加工工艺下传感器的性能及其优缺点。关键词:光纤压力传感器;Fabry-perot腔;MEMS工艺中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1674－5795(2012)02－0005－06ResearchProgressofOpticalFiberTypeFabry-perotPressureSensorHANBing，GAOChao(ChangchengInstituteofMetrology＆Measurement，Beijing100095，China)Abstract:TheFabry-perot(F-P)cavitypressuresensorhasbeenwidelyusedinmilitaryandcivilfields.Itisresearchedbymanydomes-ticorforeignuniversitiesandresearchinstitutes.TheresearchprogressoftheopticalfibertypeF-Ppressuresensorisintroduced，andthestruc-turesandmanufacturingprocessesofF-Ppressuresensor，thelaserprocessingminiaturefibre-opticalpressuresensorandthefullopticalfiberstructuresilicondiaphragmpressuresensoraresummarized.ThetechnologyofusingMEMStoproducepressuresensorisdescribedindetail.Thesensorperformanceanditsadvantagesanddisadvantagesindifferentprocessingtechnologyarecomparedandanalyzed.Keywords:opticalfiberpressuresensor;Fabry-perotcavity;MEMStechnology0引言光纤传感器技术起步于上世纪70年代末，是伴随着光纤通讯技术的发展而发展起来的，由于其具有信号不受电磁场干扰、绝缘性高、防爆性好等诸多优点［1－2］，目前在民用和军事领域都有着越来越广泛的应用前景。例如，在医学领域，利用光纤压力传感器进行颅压、胸压、腹压等的测量可以最大限度地减小患者手术的风险;而在进行断层扫描(CT)及核磁共振(NMR)时，它依旧可以准确地测量病患部位的压力，突出了其抗电磁干扰的特性。本文以传感器的加工工艺、结构为重点，综述了几种常用的F-P腔光纤压力传感器结构及其制作技术。1光纤F-P腔压力传感器原理光纤F-P腔，这样就形成了光纤F-P腔传感器。图1光纤F-P腔压力传感器结构示意图当传感头受到外界均匀分布的压力时，其腔体轴向变形表达式［1］为ΔPlr2Δl=oE(r1－r2)(1－2μ)(1)光纤F-P腔压力传感器的基本结构示意图如图1所示，将两根光纤的端面作为反射面，使两光纤端面严格平行、同轴，与中空光纤形成一个腔长为l的密封收稿日期:2012－01－09;收修改稿日期:2012－01－16作者简介:韩冰(1983－)，助理工程师，硕士，从事与计量、测试相关的工作。式中:ΔP为腔体内外压强差;l是腔体长度;ri，ro分别是腔体内、外半径;E为腔体材料的杨氏模量;μ为泊松比。当腔体长度l一定时，其变形量与所受的压强成正比，而腔体长度的变化影响到光纤内入射光与反射光的光程差，利用光电探测器等即可实现对光信号的解·6·综合评述2012年第32卷第2期调，并最终实现对压力的测量。2常用光纤F-P腔压力传感器结构及制作工艺国内外诸多科研机构(例如:南京师范大学物理科学与技术学院;美国的弗吉尼亚理工学院、斯坦福大学应用物理系;英国爱丁堡的赫瑞瓦特大学;斯洛文尼亚的马里博尔大学等)基于传感器材料、制作方法等的不同，已经研制出多种光纤F-P腔压力传感器。2.1全光纤结构F-P压力传感器全光纤结构F-P压力传感器［3］为毛细管结构，是基于非本征型法布里－珀罗干涉仪(ExtrinsicFabry-PerotInterferometer，EFPI)结构的光纤传感器。此类传感器由单模及多模光纤通过焊接而成，如图2所示。图2全光纤结构压力传感器全光纤结构F-P光纤压力传感器首先将刻蚀得到的中空光纤与单模光纤熔接在一起，然后对单模光纤(SMF-28)与多模光纤进行刻蚀或拉伸，使其外径相同，并利用电弧热熔技术进行熔接，将熔接好的单模光纤(SMF-28)与多模光纤插入中空光纤，如图2所示。导光光纤(单模光纤)与多模光纤端面间即形成F-P腔体，利用白光干涉仪和微调机构监测并调整F-P腔的长度，当F-P长度达到设计要求后，固定单模光纤和多模光纤插入的位置，并与中空光纤焊接在一起，即可完成传感器的制作。全光纤结构压力传感器的主要技术指标如下:压力分辨力为689.5Pa(0.1psi)，温漂为179.14Pa/℃(0.026psi/℃)，压力量程可以做到103.4MPa，灵敏度可以做到0.2175nm/kPa(1.5nm/psi)，外径125μm。制作过程中存在的难点是控制敏感部分即中空光纤的长度、所用材料物理性能的一致性;控制中空光纤的制备质量;各个光纤段的焊接以及端面反射率的控制等。由于全光纤结构F-P光纤压力传感器的主体部分全部采用光纤材料，因此其主要特点是具有很好的热稳定性能。全光纤结构F-P腔压力传感器具有不受温度影响、不受电磁场影响、耐腐蚀、耐高温等优点;与光纤顶端振动膜式传感器相比具有更容易制造、抗摩擦、拥有更大的量程等优点。由于制造原因的限制，全光纤结构F-P腔压力传感器的尺寸略大于一般的微型F-P腔压力传感器，这是这种传感器最大的缺点。全光纤结构压力传感器技术成熟，制作工艺相对简单，通过选择适当的光纤、中空管材料和F-P腔结构参数，使得在压力测量中能够对大范围温度变化影响作自动补偿，即具有较小的应变－温度交叉灵敏度。目前该类光纤传感器被广泛应用于不同领域的应力、应变、压力、温度等物理量的测量，主要为介入式血压测量、植入材料内部进行的应力监测、油井内的压力监测等。2.2激光加工微型光纤压力传感器激光微加工技术及纳米加工合成膜技术为研究新一代光通信器件和光纤传感器等提供了新的技术手段。激光微加工技术一般有两种方案:一种是减小激光脉冲宽度，如飞秒激光;另一种是采用短波长激光，如准分子激光［4－6］。利用激光加工的微型光纤压力传感器主体结构为全石英材料，其典型结构示意图如图3所示。图3激光加工微型压力传感器激光加工微型光纤压力传感器首先利用激光对单模光纤端面刻蚀，再对刻蚀进行覆膜形成F-P腔体。激光加工装置如图4所示，使用柱面镜将准分子激光器输出光束准直、整形为3cm×3cm的光斑，然后进入6cm×6cm聚焦矩阵透镜，再进入空间滤波器，再次进入6cm×6cm聚焦矩阵透镜，最终得到光强在1cm长度范围内均匀分布且形状为方形的光束。将待刻蚀的光纤固定在玻璃毛细管中，利用三维坐标装置夹持移动，使通过模板的激光在每个光纤表面完成刻蚀，得到直径30μm或70μm的凹孔。F-P腔的覆膜利用聚碳酸酯制成，将聚碳酸酯薄片拉伸成直径为25cm的饼状，同时将一环状圈紧套在聚碳酸酯薄片上，以保持其拉紧状态，然后将更小的圆环涂抹上环氧胶粘计测技术综合评述·7·在薄片上，通过重力拉紧薄片，并在胶固化后剪下，为更好的控制端面反射，在薄片上阳极化100nm的铝。将光纤一端靠近薄片，涂抹紫外固化胶，通过机械控制和显微镜观察控制顶紧薄片，最终固化、穿破得到传感器。在整个传感器制作过程中，激光强度及三维夹持装置的稳定性都可以利用计算机进行实时反馈控制，其难点主要是如何消除光纤的底面影响反射和紫外固化胶的涂抹。图4激光加工装置激光加工微型光纤压力传感器的压力响应时间可以达到3μs，振动膜材料采用铝覆盖的聚碳酸脂薄片压力可以达到2kg，其最大的优点是响应时间快。所以，激光加工微型光纤压力传感器主要应用领域为生物医药、压气机内部压力监测、油井内的压力监测等。模仿发达国家为主，缺乏创新，没有自主知识产权。2.3二氧化硅膜片压力传感器上世纪七八十年代，国外已经提出基于膜片设计的光纤F-P压力传感器结构，光学反射平面采用的是对压力敏感的膜片，当膜片随着压力的变化产生位移时，F-P腔的腔长也随之发生变化，全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器结构如图5所示。图5全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器制作流程如图6(a)，(b)，(c)，(d)所示。将外径相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起，然后切割多模光纤至40μm，对多模光纤的另一个端面进行刻蚀，刻蚀完成后，与另一单模光纤熔接。熔接后，先利用比长仪切割单模光纤，使其厚度不大于20μm;然后再利用氢氟酸腐蚀减薄膜片。在进行膜片刻蚀的时候使用如图7所示的压力容器装置进行实时监测，以便得到设计的灵敏度。完成传感器主体部分的加工后，将光纤插入金属套，分别用3μm，0.5μm砂纸对膜片进行研磨，直至膜片厚度为3～5μm。全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器量程为0～40kPa，0～1MPa;最大灵敏度为1.1rad/kPa;分辨力为300Pa;直径为125μm。腔内自上世纪80年代以来，国内的重庆大学、清华大学、上海光机所、复旦大学等多家科研单位在激光微加工技术方面取得了一批成果，近十年来发展较快。国内目前已有数个激光微加工平台，大致分为两类:飞秒激光微加工和紫外激光微加工。其中以飞秒激光加工居多，中国科大、西安光机所、上海光机所、复旦大学、天津大学等都有此类加工平台，但在加工精度和激光器性能等方面不太理想。就紫外加工平台而言，清华、上海交大等国内高校已有光纤光栅制作平台，但功率较低还不能用于微加工。就国外激光微加工平台发展状况来看，像日本东京大学、德国汉堡大学以及LZH研究所、加拿大多伦多大学及国家光学研究院等都具有飞秒激光和紫外激光加工中心，具有很刻蚀控制和打磨SiO2难点［7－10］。膜片的控制是此类传感器制作的强的加工能力，可以加工金属、半导体、聚合物、宝石等材料，且加工精度高，但这些科研机构主要着眼于材料加工，在光电子器件方面开展的研究工作较少。从激光微加工平台整体发展水平来说，国内与国际先进水平仍有一定差距，核心关键技术仍以引进和图6全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器制作流程图全光纤结构二氧化硅膜片压力传感器具有分辨力高、全硅结构、动态监测膜片厚度有利于灵敏度控制等优点，但同时存在适用量程范围较小等缺点。膜片式压力传感器与毛细管结构的压力传感器相比，具有·8·综合评述2012年第32卷第2期图7膜片厚度(灵敏度)控制图更高的压力敏感度，适合低压测量，同时该种传感器进一步消除了传统EFPI腔结构中光纤自由端受环境影响带来的温度交叉敏感性，并且通过调节膜片厚度可以实现压力测量灵敏度可调、测量范围可调等。由于在工业和医疗领域，尤其是医学领域低压范围的测量有着广泛的应用前景，膜片式微型压力传感器越来越成为研究的焦点。但目前能够在光纤端面制作高灵敏膜片的技术仍存在工艺复杂、材料温度和力学特性差等诸多缺陷，国内外已经有科研机构使用新型材料如新型聚合物材料等制作压强敏感膜片。3F-P光纤MEMS压力传感器进入21世纪以来，微电子机械系统(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)技