一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器技術領域，特別涉及一種用于測量真空度的光纖光柵(FBG:Fiber Bragg Grat ing)懸臂梁諧振子傳感器。
【背景技術】
[0002]真空度測量是真空技術的重要組成部分，對于在惡劣的狹小空間(如有毒、易燃、易爆、高溫高壓等場合)的真空度檢測是目前真空度測量技術的關鍵應用之一，現(xiàn)有可以滿足的技術選擇為硅微機械探頭方法，硅微機械探頭制作的真空傳感器具有微型化、易集成、高靈敏度、成本低等優(yōu)點。但硅微機械探頭檢測方法也存在缺點:(I)硅微機械傳感器的激勵方式有壓電激勵、靜電激勵、或電熱激勵等，均需要在硅微懸臂梁上制作附加激勵元件，激勵效率低；(2)硅微機械探頭方法需要電信號激勵和輸出，抗電磁干擾能力差，不便于實現(xiàn)分布式多點監(jiān)測(3)硅微機械傳感器一體化封裝比較困難。因此設計一種全光傳輸?shù)墓饧罟饫w光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器具有迫切的技術需求。
[0003]光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器的突出特點:(I)光激勵的方式，激勵光由光纖直接耦合進光纖諧振子結(jié)構(gòu)中，不需在懸臂梁上制作附加激勵元件，光激勵效率高；
(2)光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器為全光器件，抗電磁干擾能力強，便于在線分布式多點監(jiān)測；(3) —體化封裝，精度高，可靠性強，特別適合于狹小空間的高精度傳感測量，在物理、化學、生物醫(yī)學和生命科學等多個研究領域具有廣泛的應用前景。
[0004]本發(fā)明直接在在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎上制作懸臂梁諧振子器件，或者先在單模光纖上制作D型懸臂梁再寫入光柵結(jié)構(gòu)的FBG懸臂梁諧振子器件，實現(xiàn)了光路與器件的光纖一體化，即一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，這種一體化結(jié)構(gòu)提高了器件的工作精度和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有硅微機械真空度傳感器技術的不足，設計了一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器。
[0006]本發(fā)明所采取的傳感器技術方案為:
[0007]—種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，包括LD光源(I)、光纖定向耦合器(2)、光電探測器(3)、傳感探頭(4)、匹配液(5)、微加工的光纖光柵(6)、金屬鍍膜
(7)、匹配濾波FBG(8);所述的LD光源⑴與光纖定向耦合器的一端口(100)連接，定向耦合器的二端口(101)連接匹配濾波FBG (8)，光電探測器(3)連接匹配濾波FBG (8)的另一端，光纖定向耦合器的三端口(102)與傳感探頭(4)連接，光纖定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)組成完整的真空度探測系統(tǒng)。
[0008]所述的光纖光柵懸臂梁諧振子直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎上，去光柵結(jié)構(gòu)處上半部分包層和部分纖芯(光纖光柵結(jié)構(gòu)偏離器件軸心位置)，形成截面為D型的光纖光柵懸臂梁諧振子器件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
[0009]所述的光纖光柵懸臂梁諧振子表面鍍有金屬薄膜，鍍膜材料為金和鉻，鍍膜厚度根據(jù)懸臂梁厚度優(yōu)化選擇。
[0010]所述的光纖光柵懸臂梁長度為0.5mm至3mm，懸臂梁厚度10 μ m至50 μ m，寬度100 μ m 至 125 μ m。
[0011]作為另一種光纖光柵懸臂梁諧振子的可選微加工方案，所述的光纖光柵懸臂梁諧振子首先基于單模光纖端面加工出一段D型懸臂梁，然后再在D型懸臂梁上微加工寫入光柵結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵懸臂梁諧振子器件結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的光纖光柵懸臂梁諧振子結(jié)構(gòu)為光纖一體化結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果:
[0014]直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎上制作FBG懸臂梁諧振子器件，或者先在單模光纖上制作D型懸臂梁再寫入光柵結(jié)構(gòu)的FBG懸臂梁諧振子器件，實現(xiàn)了光路與器件的光纖一體化，具有如下優(yōu)點:(1)器件結(jié)構(gòu)簡單，光路與器件合二為一，光耦合自對準增強了諧振器件工作的可靠性；(2)由于諧振敏感器件直接制作在單模光纖光柵結(jié)構(gòu)上，因此敏感器件的尺寸可以滿足傳感器微型化的要求。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明中第一實施例的光纖光柵懸臂梁諧振子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明中第二實施例的光纖光柵懸臂梁諧振子結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0019]圖1所示，一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，包括LD光源(I)、光纖定向耦合器(2)、光電探測器(3)、傳感探頭(4)、匹配液(5)、微加工的光纖光柵￠)、金屬鍍膜(7)、匹配濾波FBG (8);所述的LD光源(I)與光纖定向耦合器的一端口(100)連接，定向耦合器的二端口(101)連接匹配濾波FBG(8)，光電探測器(3)連接匹配濾波FBG(8)的另一端，光纖定向耦合器的三端口(102)與傳感探頭(4)連接，光纖定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)組成完整的真空度探測系統(tǒng)。
[0020]圖2所示，光纖光柵懸臂梁諧振子探頭結(jié)構(gòu)直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎上腐蝕上半部分包層和部分纖芯(長度為0.5mm至3mm,懸臂梁厚度10 μ m至50 μ m,寬度100 μ m至125 μ m)，使光纖光柵結(jié)構(gòu)偏離器件軸心位置，當激勵光激勵微懸臂諧振器件時，諧振器件的振動方向被控制在上下諧振。所述的懸梁端面鍍有金屬敏感膜。
[0021]圖3所示，作為另一種可選器件微加工方案，所述的光纖光柵懸臂梁諧振子首先基于單模光纖端面加工出一段D型懸臂梁，然后再在D型懸臂梁上微加工寫入光柵結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵懸臂梁諧振子器件結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明提出的一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子傳感器測試器件的真空度時，主要考慮振幅A和微懸梁的品質(zhì)因數(shù)Q。品質(zhì)因數(shù)Q取決于固有頻率& (諧振頻率)和阻尼系數(shù)入。
[0023]FBG懸臂梁品質(zhì)因數(shù)Q與阻尼系數(shù)λ和固有頻率的關系:
[0024]Q oc f。/ 入
[0025]品質(zhì)因數(shù)Q與阻尼系數(shù)成反比，與固有頻率成正比。
[0026]振幅A與品質(zhì)因數(shù)Q的關系:
[0027]A=QF / K
[0028]F為激勵力，k為微懸梁的彈性系數(shù)，振幅A與Q成正比。
[0029]FBG中心波長定義:
[0030]λ B=2neff Λ
[0031]λ Β是光纖布拉格光柵反射回來的入射光在自由空間中的中心波長；nrff為有效折射率；Λ為光纖布拉格光柵的周期。
[0032]真空度越高，空氣阻尼越小，光纖光柵懸臂梁諧振子傳感器的品質(zhì)因數(shù)Q越高，因為振幅A與品質(zhì)因數(shù)Q成正比，則懸臂梁諧振子的振幅A越大，進而懸臂梁諧振子上的光柵柵距受到的拉伸和擠壓程度越大，光柵的周期Λ變化越大，反射信號的中心波長λΒ的變化范圍越寬。反之，中心波長變化范圍越窄。
[0033]FBG光纖光柵懸臂梁諧振子器件的真空度檢測范圍為10—1?102Pa。
[0034]本發(fā)明的兩種可選方案中的光纖光柵懸臂梁結(jié)構(gòu)均為光纖一體化結(jié)構(gòu)，該型器件具有抗電磁干擾能力強、光激勵效率高和微型化等優(yōu)點，可以突破現(xiàn)有硅微機械諧振敏感器件的技術缺陷。
[0035]本發(fā)明的光纖光柵懸臂梁諧振子采用RIE(反應離子刻蝕)技術，在腐蝕過程中用石英玻璃毛細管作為光纖包層腐蝕的掩膜板。
[0036]一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器工作原理:
[0037]經(jīng)頻率調(diào)制的紅外激光由光纖定向耦合器的一端口(100)進入，由光纖定向耦合器三端口(102)耦合傳輸?shù)焦饫w光柵懸臂梁諧振子器件中，光纖光柵懸臂梁諧振敏感頭將由于“雙膜熱效應”出現(xiàn)光熱激勵諧振，光纖光柵微懸臂梁發(fā)生諧振時，光纖光柵的中心波長由于光纖光柵周期變化而變化(光柵結(jié)構(gòu)向下振動受到應力，向上振動受到拉力，周期發(fā)生變化)，被光纖光柵調(diào)制的反射信號沿光纖光路返回，反射信號光通過光纖定向耦合器二端口(101)入射到匹配濾波FBG，透射光被光電探測器(3)接收。光纖光柵懸臂梁諧振器探頭對真空度參量很敏感:真空度變化時，空氣阻尼發(fā)生變化，懸臂梁諧振子振幅隨之發(fā)生變化，懸臂梁諧振子上的光柵柵距受到的拉伸和擠壓程也會發(fā)生變化，最終反射信號的中心波長變化范圍也發(fā)生變化。真空度越高，空氣阻尼越小，懸臂梁諧振子的振幅越大，懸臂梁諧振子上的光柵柵距受到的拉伸和擠壓程度越大，光柵的，反射信號的中心波長的變化范圍越寬。反之，中心波長變化范圍越窄。中心波長變化的反射信號入射到匹配濾波FBG(S)中，匹配濾波FBG的透射光強被光電探測器(3)接收，匹配濾波FBG(S)將光纖光柵懸臂梁中心波長的變化量轉(zhuǎn)化為光強信號的變化進而來測量真空度。
【主權(quán)項】
1.一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，包括LD光源(I)、光纖定向耦合器(2)、光電探測器(3)、傳感探頭(4)、匹配液(5)、微加工的光纖光柵(6)、金屬鍍膜(7)、匹配濾波FBG(8);所述的LD光源(I)與光纖定向耦合器的一端口(100)連接，定向耦合器的二端口(101)連接匹配濾波FBG (8)，光電探測器(3)連接匹配濾波FBG (8)的另一端，光纖定向耦合器的三端口(102)與傳感探頭⑷連接，光纖定向耦合器的四端口(103)浸入匹配液(5)組成完整的真空度探測系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，其特征在于，所述的光纖光柵懸臂梁諧振子直接在單模光纖的光柵結(jié)構(gòu)基礎上，去光柵結(jié)構(gòu)處上半部分包層和部分纖芯(光纖光柵結(jié)構(gòu)偏離器件軸心位置)，形成截面為D型的光纖光柵懸臂梁諧振子器件結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，其特征在于，所述的光纖光柵懸臂梁諧振子首先基于單模光纖端面加工出一段D型懸臂梁，然后再在D型懸臂梁上微加工寫入光柵結(jié)構(gòu)，形成光纖光柵懸臂梁諧振子器件結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，其特征在于，所述的光纖光柵懸臂梁諧振子表面鍍有金屬薄膜，鍍膜材料為金和鉻，鍍膜厚度根據(jù)懸臂梁厚度優(yōu)化選擇。
【專利摘要】本發(fā)明是一種光激勵光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器，它屬于光纖傳感器技術領域。它包括LD光源、光纖定向耦合器、光電探測器、傳感探頭、匹配液、微加工的光纖光柵、金屬鍍膜、匹配濾波FBG。本發(fā)明通過空氣阻尼影響器光纖光柵懸臂梁諧振子傳感器的品質(zhì)因數(shù)進而影響光纖光柵懸臂梁的諧振幅度，最終改變FBG懸臂梁諧振子傳感器反射信號中心波長變化來測量真空度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，抗電磁干擾性能強，可以滿足微型化、實時在線分布式和多點監(jiān)測的要求。
【IPC分類】G01L21-00
【公開號】CN104776954
【申請?zhí)枴緾N201410014276
【發(fā)明人】劉月明, 鄒建宇, 陳浩, 夏忠誠, 高曉良
【申請人】中國計量學院
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年1月9日