專利名稱：基于法布里-珀羅其振腔的光學(xué)壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)力傳感器，更具體地涉及包括主體部分，彈性地安裝在所述主體部分上的感應(yīng)元件，作為一個(gè)受力元件的致動(dòng)后感應(yīng)元件可利用其相對(duì)于主體部分的彎曲度計(jì)算施加在所述感應(yīng)元件上的力，和決定感應(yīng)元件彎曲度的光學(xué)檢測(cè)裝置的光學(xué)壓力傳感器。
本發(fā)明主要用于測(cè)量絕對(duì)壓力、壓差和加速度。它同時(shí)適用于測(cè)量力。
溫度和壓力是工業(yè)過(guò)程中最普通的測(cè)量變量，壓力傳感器已經(jīng)迅速地朝著更小型、和高性能的方向發(fā)展。這主要?dú)w功于把微電子技術(shù)的硅技術(shù)應(yīng)用到以硅為基礎(chǔ)的傳感器上。
硅有著極佳的力學(xué)性質(zhì)，它遵循胡克定律直至達(dá)到致斷應(yīng)力并且在600℃以下是無(wú)磁滯的。硅上可生成一層氧化物或氮化物使之耐化學(xué)腐蝕。
傳感器以固定結(jié)構(gòu)和振動(dòng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。傳統(tǒng)做法是，壓力變化是借助壓阻效應(yīng)，電容變化或光強(qiáng)變化以固定結(jié)構(gòu)形式測(cè)得。壓阻傳感器是利用硅的電特性和力學(xué)性質(zhì);而電容或光學(xué)傳感器則只利用硅的力學(xué)特性。
電容傳感器的靈敏度對(duì)溫度的依賴和殘留誤差漂移(offsetdrift)明顯地比壓阻傳感器小。而且電容傳感器在低溫范圍內(nèi)保有優(yōu)越的性能。
B.Culshaw′已發(fā)現(xiàn)一種以硅技術(shù)為基礎(chǔ)的光敏壓力傳感器。所述傳感器的內(nèi)部包括有一個(gè)機(jī)械的震動(dòng)橋，其張應(yīng)力與所施加的力有關(guān)。該橋的共振頻率是張應(yīng)力的一個(gè)函數(shù)。由傳感器輸出的信號(hào)正是橋的共振頻率。
該傳感元件的輸出頻率可以被高精度地測(cè)得。該結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是傳感元件的操作本身無(wú)需接電。將傳感元件以真空密封，以獲得振動(dòng)元件的足夠高的品質(zhì)因數(shù)，但是這一性能帶來(lái)的缺點(diǎn)是該傳感器不適于壓差測(cè)量。因?yàn)閼?yīng)用時(shí)必須在傳感器內(nèi)部施加所需的參考?jí)毫Α＿@樣的傳感器對(duì)撞擊也敏感，即撞擊也能夠改變?cè)搨鞲袘?yīng)元件的振蕩模式。
使振動(dòng)傳感器工作的激勵(lì)功率越小，振動(dòng)元件的品質(zhì)因數(shù)就越高。一般地，品質(zhì)因數(shù)通過(guò)使傳感器的內(nèi)部變?yōu)檎婵斩玫教岣?。其推論是那些先有技術(shù)中的傳感器不能用于壓差測(cè)量是因?yàn)樵搨鞲衅髟试S振動(dòng)元件處于參考?xì)鈮旱陌鼑校瑥亩乖撛钠焚|(zhì)因數(shù)降到一個(gè)不可接受的低值。
I.A.Dziuban等人已發(fā)現(xiàn)一種以硅技術(shù)為基礎(chǔ)的光敏壓力傳感器。該傳感器的一條光學(xué)纖維的末端附著在由單晶硅制成的振動(dòng)膜上。隨著施加壓力的變化，振動(dòng)膜和附著的纖維下垂變彎。纖維末端位于探測(cè)元件附近，因而使落在探測(cè)元件上的光強(qiáng)取決于纖維末端相對(duì)于探測(cè)元件的位置。當(dāng)由于光照射到探測(cè)元件上產(chǎn)生了電壓或電流時(shí)才能得到該傳感器的輸出信號(hào)。
以上實(shí)施例因輸出信號(hào)的靈敏度受到光源強(qiáng)度變化的損害，因此需要利用一個(gè)參考通道作為補(bǔ)償。以往作者們的著作沒(méi)有揭示任何一種實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償?shù)姆椒?。另外一個(gè)缺點(diǎn)是探測(cè)元件輸出信號(hào)對(duì)溫度的高度靈敏性，因此必需檢測(cè)傳感器內(nèi)部溫度以供補(bǔ)償之用。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服上述先有技術(shù)中的缺點(diǎn)，以獲得一種完全新穎的光學(xué)壓力傳感器。
本發(fā)明公開(kāi)一種能用于測(cè)量壓力和加速度的壓力傳感器。所述傳感器結(jié)合了不同長(zhǎng)度的法布里-珀羅共振器和適用于測(cè)量由所述共振器發(fā)射的反射光譜的攝譜儀。
本發(fā)明的基礎(chǔ)在于把一個(gè)法布里-珀羅共振器組成傳感器的一個(gè)完整部分，用所述共振器測(cè)量感應(yīng)元件在施加壓力時(shí)產(chǎn)生的變位。
更確切地說(shuō)，依本發(fā)明該傳感器的特征如權(quán)利要求1中特征部分所述，即所述傳感器的所述主體部分和所述感應(yīng)元件組成一短的，在反射狀態(tài)下工作的光學(xué)法布里珀羅共振器;所述光學(xué)檢測(cè)裝置包括寬頻譜光源;把一束光從所述光源導(dǎo)向所述共振器并導(dǎo)回到檢測(cè)元件的光導(dǎo)體;把所述共振器接收到的光譜分辨成若干波段的色散元件;檢測(cè)色散光譜中吸收最大值的波長(zhǎng)的檢測(cè)元件;借此可利用光強(qiáng)最小值的位置計(jì)算出與施加在感應(yīng)元件上的外力成比例的共振器的光程。
本發(fā)明有明顯的好處。
也就是說(shuō)，依本發(fā)明該傳感器具有作為傳感器的感應(yīng)元件的一般特性，包含分析光譜的色散元件和線性排列的傳感元件，它對(duì)于全部所需被測(cè)壓力范圍可為相同的，共振器內(nèi)可移動(dòng)的感測(cè)反射元件的剛性可由(例如)改變其厚度而選定尺度，以使可移動(dòng)的反射元件的變位在外力為某一相對(duì)值時(shí)保持相同，而與測(cè)量范圍內(nèi)的最大值無(wú)關(guān)。之后，該線性排列的傳感元件在相同的光譜范圍內(nèi)，對(duì)所有設(shè)計(jì)的變量執(zhí)行檢測(cè)。
依照本發(fā)明的傳感器不帶有任何可由撞擊致?lián)p的振動(dòng)元件，因而具有極佳的防震特性。傳統(tǒng)的傳感器也會(huì)隨周圍環(huán)境的振動(dòng)特別是那些近似于傳統(tǒng)傳感器內(nèi)部振動(dòng)元件的共振頻率的振動(dòng)而發(fā)生共振。相反，依照本發(fā)明的傳感器可把振動(dòng)膜在壓力下的共振頻率設(shè)計(jì)得很高，因此任何外界振動(dòng)的可能影響只能通過(guò)加寬線性排列傳感元件上光敏區(qū)域的光譜譜線才能表現(xiàn)出來(lái)，但這并不妨礙檢測(cè)光譜中的最小值。
依據(jù)本發(fā)明的傳感器中傳感部分的電子儀器外殼不易被感應(yīng)部分遭受的正常撞擊所破壞。
依據(jù)本發(fā)明的傳感器利用一種寬頻譜光源，例如小型白熾燈泡或發(fā)光二極管。它們是較廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)元件，由于溫度變化而引起它們波長(zhǎng)光譜的任何變化都不會(huì)降低傳感器的功能。
由于白光不能形成強(qiáng)光干涉最大值，因此利用寬光譜光源還可以在測(cè)量時(shí)把與纖維有關(guān)的干擾影響減到最小。
按本發(fā)明的傳感器可以承受光源輸出強(qiáng)度的變化而不損害傳感器的測(cè)量精度。這是因?yàn)榫€性排列的感應(yīng)元件只用來(lái)檢測(cè)強(qiáng)度最小值，而不是實(shí)際的強(qiáng)度值。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例只需簡(jiǎn)單地在共振器內(nèi)部加上參考?jí)毫Ρ阃瑯舆m于壓差測(cè)量。
先有技術(shù)的傳感器除帶有振動(dòng)元件的類型之外，均適于測(cè)量加速度。振動(dòng)元件只在張應(yīng)力下可工作，因此不適于測(cè)量在元件上可產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的力。這種傳感器其內(nèi)部為其空，因此不能裝有感應(yīng)振動(dòng)膜，因?yàn)檎駝?dòng)膜必須得經(jīng)得起環(huán)境壓力。本發(fā)明不受這個(gè)限制，因如果光學(xué)共振器的可移動(dòng)反射元件振動(dòng)膜的兩面都在同一壓力作用下則可制得極其靈活。當(dāng)需要一個(gè)特別靈敏的加速度傳感器時(shí)，則最好在共振器的反射元件振動(dòng)膜上裝備一個(gè)附加質(zhì)量。
下面結(jié)合實(shí)施例的附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。


圖1圖解地表示本發(fā)明的傳感器。
圖2表示本發(fā)明傳感器的縱剖面的側(cè)視圖。
圖3表示在本發(fā)明傳感器中探測(cè)元件上測(cè)得信號(hào)的形狀。
圖4為圖2所示傳感器結(jié)構(gòu)的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例。
參照?qǐng)D1，從光源1發(fā)射的一束白光經(jīng)過(guò)分支耦合器2進(jìn)入光學(xué)纖維3，并沿著纖維把光送到感應(yīng)結(jié)構(gòu)4。這一結(jié)構(gòu)反射除一個(gè)或多個(gè)窄帶波長(zhǎng)以外的全部光。反射后的光譜沿著纖維3發(fā)射到或者是光柵格或是棱鏡的色散元件5上。利用完整的光學(xué)技術(shù)可使光柵格和線性陣列檢測(cè)元件6(光電二極管陣列或線性排列電荷耦合器件檢測(cè)元件)充當(dāng)檢測(cè)元件，感應(yīng)共振器4的另一個(gè)反射鏡在外力，如壓力的影響下可以移動(dòng)，因此使共振器的光程(opticallength)能發(fā)生變化。
線性陣列的感應(yīng)元件6檢測(cè)由白光中寬帶譜上的感應(yīng)共振器所引起的最大吸收值，而所述最大值的位置和互波長(zhǎng)間隔取決于感應(yīng)共振器的光程而該光程被設(shè)置成(例如)比例于所施加的壓力或加速度。參照?qǐng)D2，一束光沿光學(xué)纖維3組成的光路進(jìn)入傳感器結(jié)構(gòu)4。傳感器結(jié)構(gòu)4包括由單晶硅制成的主體15和很薄的成一體致動(dòng)的感應(yīng)振動(dòng)膜27。當(dāng)外力F施加在該振動(dòng)膜上時(shí)，可在所述振動(dòng)膜27和傳感器結(jié)構(gòu)的主體部分之間的距離上產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的變化。所以，致動(dòng)的感應(yīng)振動(dòng)膜27可被認(rèn)為是彈性附著在傳感器主體部分15上的一個(gè)元件。主體部分15的材料對(duì)波長(zhǎng)大于1.1μm的光是可穿透的。由光學(xué)纖維3發(fā)出的一束光穿過(guò)主體部分15的透光段從而照射到與主體部分15結(jié)成一體的部分透光的反射元件21上。一部分光通過(guò)該反射元件進(jìn)入共振空間33，并穿過(guò)該空間照射到致動(dòng)感應(yīng)振動(dòng)膜上的反射元件表面23。當(dāng)共振器的光程d等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，則那些寬頻譜光中的波長(zhǎng)組分就衰減得多，因此從光學(xué)纖維3接收到的返回信號(hào)可以檢測(cè)出該波長(zhǎng)為最小值。當(dāng)一個(gè)更大的力F′施加在致動(dòng)振動(dòng)膜27上，振動(dòng)膜27和傳感器主體部分之間的距離減到值為d′時(shí)，就可檢測(cè)出新的光強(qiáng)最小值。
如圖2所示的共振器33可以定義為在反射狀態(tài)下工作的短的光學(xué)法布里-珀羅共振器。必須理解“短的”一詞是指共振器的長(zhǎng)度為一半或整個(gè)被測(cè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度。實(shí)際上，這意味著共振器33的長(zhǎng)度范圍為0.6-1.5μm。
如圖2所示，在工業(yè)生產(chǎn)中，傳感器結(jié)構(gòu)4是利用傳統(tǒng)的薄膜淀積工藝制造的。在該過(guò)程中，單晶硅的基片15上被涂敷一層部分透光的金屬鍍層21。接著，在金屬鍍層21上生成二氧化硅層25，其厚度決定了共振空間33的基本高度。在二氧化硅涂層25上再淀積第二金屬鍍層23，其作用是作為共振器33的另一個(gè)反射元件。在金屬鍍層23上淀積一層多晶硅層27其厚度決定傳感器4的機(jī)械靈敏度。運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ涛g二氧化硅涂層25以形成共振器空間33。最后由單晶硅制成保護(hù)元件30。利用(例如)玻璃的中間涂層29把保護(hù)元件30附著在由多晶硅制成的感應(yīng)振動(dòng)膜27上。保護(hù)元件30有一適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣口，以便在壓差測(cè)量時(shí)把被測(cè)壓力引入傳感器內(nèi)部。參考?jí)毫?jīng)通道31引入共振器，但在絕對(duì)壓力傳感器中則省略這一步驟。
下表給出傳感器元件的典型尺寸
參照?qǐng)D3，根據(jù)法布里-珀羅共振器的工作原理，當(dāng)共振器光程d或d′等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，頻譜中的波長(zhǎng)組分幾乎全部從頻譜取出而被反射回光學(xué)纖維3。由此，力F產(chǎn)生光強(qiáng)最小值A(chǔ)1和A2同時(shí)力F′相應(yīng)產(chǎn)生光強(qiáng)最小值A(chǔ)1′和A2′。如圖1所示，利用棱鏡5分辨光譜，或者另外可選用柵格，然后用線性陣列感應(yīng)元件6檢測(cè)出最小值A(chǔ)1和A2(或者相應(yīng)的A1′和A2′)的位置，從而可決定共振器的光程d，并且由傳感器結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能算出力F的值。事實(shí)上，只要一個(gè)光強(qiáng)最小值的位置就足以確定力的大小。
參照?qǐng)D4，感應(yīng)振動(dòng)膜27可配備一附加物37，從而使傳感器極適于測(cè)量加速度。
在生產(chǎn)過(guò)程中，傳感器結(jié)構(gòu)中的基片既可以是主體部分15，也可以是保護(hù)元件30。
圖2示出一標(biāo)準(zhǔn)傳感器結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。對(duì)于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很明顯為制造這一結(jié)構(gòu)可以采用多種不同的技術(shù)方法。本發(fā)明的特性在于形成一個(gè)帶有在外力作用下(如壓力)可移動(dòng)的反射元件的法布里珀羅共振器。
本發(fā)明參考文獻(xiàn)為1.B.Culshaw，“MicromachinedSilicon-ASynergisticApproachtoOpticalFibreSensing ”，Proc.7thOpticalFibreSensorsConference，Dec.2-6，1990，Sydney，NewSouthWales.
2.l.A.Dziubanetal.，“SiliconOpticalPressureSensor”，EurosensorsV，BookofAbstracts，30Sept.-2Oct.1991，Rome.
權(quán)利要求
1.一種測(cè)力傳感器，所述傳感器包括主體部分(15)；彈性地安裝在所述主體部分(15)上的感應(yīng)元件(27，37)，作為一個(gè)受力元件的致動(dòng)后感應(yīng)元件可利用其相對(duì)于主體部分(15)的彎曲度計(jì)算施加在所述感應(yīng)元件(27，37)上的力，和決定感應(yīng)元件(27，37)彎曲度的光學(xué)檢測(cè)裝置(1，2，3，5，6)，其特征在于所述主體部分(15)和所述感應(yīng)元件(27，37)組成一短的，在反射狀態(tài)下工作的光學(xué)法布里珀羅共振器(21，23)；所述光學(xué)檢測(cè)裝置(1，2，3，5，6)包括寬頻譜光源(1)；把一束光從所述光源(1)導(dǎo)向所述共振器(33)并導(dǎo)回到檢測(cè)元件的光導(dǎo)體(2，3)；把所述共振器(33)接收到的光譜分辨成若干波段的色散元件(5)；檢測(cè)色散光譜中吸收最大值(A1，A2)的波長(zhǎng)的檢測(cè)元件(6)；借此可利用光強(qiáng)最小值的位置計(jì)算出與施加在感應(yīng)元件(27，37)上的外力(F，F(xiàn)′)成比例的共振器(33)的光程。
2.如權(quán)利要求1中所述的傳感器，其特征在于所述檢測(cè)元件(6)為一線性陣列傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述光源(1)為白熾燈泡。
4.如權(quán)利要求1中所述的傳感器，其特征在于所述光源(1)為一發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求1中所述的傳感器，其特征在于所述色散元件(5)為一小型棱鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述色散元件(5)為一光學(xué)柵格。
7.如權(quán)利要求6中所述的傳感器，其特征在于所述光學(xué)柵格(5)是利用類似的集成光學(xué)加工技術(shù)在線性陣列感應(yīng)元件所在基片上制成。
8.如前述任一權(quán)利要求中所述的傳感器，其特征在于所述主體部分(15)和為整個(gè)傳感器的基片。
9.如前述任一權(quán)利要求中所述的傳感器，其特征在于所述保護(hù)元件(30)作為整個(gè)傳感器的基片。
全文摘要
一種測(cè)力傳感器。它包括主體部件15，彈性裝在部件15上的感測(cè)元件27、37，作為受力元件，其相對(duì)于部件15的變位來(lái)計(jì)算加在元件上的力致動(dòng)的感測(cè)元件；和決定感測(cè)元件的變位的光測(cè)組件1，2，3，5，6。按本發(fā)明所述部件和元件組成反射模式的短光法布里-珀羅共振器21，23。光測(cè)組件包括寬譜光源，把其光束導(dǎo)向共振器33并導(dǎo)回感測(cè)元件的光導(dǎo)體2，3和把共振器的光譜分辨成波段的色散元件5，以及檢測(cè)色散光譜中最大吸收值波長(zhǎng)的檢測(cè)元件6。
文檔編號(hào)G01L9/00GK1079821SQ9310607
公開(kāi)日1993年12月22日 申請(qǐng)日期1993年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月19日
發(fā)明者A·列托, M·奧彭納, A·科霍倫, S·坦梅拉 申請(qǐng)人:外沙拉技術(shù)股份公司