一種光激勵(lì)光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于測(cè)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(shù)】
[0002]真空度測(cè)量是真空技術(shù)的重要組成部分，對(duì)于在惡劣的狹小空間(如有毒、易燃、易爆、高溫高壓等場(chǎng)合)的真空度檢測(cè)是目前真空度測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用之一，現(xiàn)有可以滿足的技術(shù)選擇為硅微機(jī)械探頭方法，硅微機(jī)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(diǎn)。但硅微機(jī)械探頭檢測(cè)方法也存在缺點(diǎn):(I)硅微機(jī)械傳感器的激勵(lì)方式有壓電激勵(lì)、靜電激勵(lì)、或電熱激勵(lì)等，均需要在硅微懸臂梁上制作附加激勵(lì)元件，激勵(lì)效率低；(2)硅微機(jī)械探頭方法需要電信號(hào)激勵(lì)和輸出，抗電磁干擾能力差，不便于實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)監(jiān)測(cè)(3)硅微機(jī)械傳感器一體化封裝比較困難。因此設(shè)計(jì)一種全光傳輸?shù)墓饧?lì)光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器具有迫切的技術(shù)需求。
[0003]光纖光柵懸臂梁諧振子真空度傳感器的突出特點(diǎn):(I)光激勵(lì)的方式，激勵(lì)光由光纖直接耦合進(jìn)光纖諧振子結(jié)構(gòu)中，不需在懸臂梁上制作附加激勵(lì)元件，光激勵(lì)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(qiáng)，便于在線分布式多點(diǎn)監(jiān)測(cè)；(3) —體化封裝，精度高，可靠性強(qiáng)，特別適合于狹小空間的高精度傳感測(cè)量，在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了光路與器件的光纖一體化，即一種光激勵(lì)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(duì)現(xiàn)有硅微機(jī)械真空度傳感器技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種光激勵(lì)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(shù)方案為:
[0007]—種光激勵(lì)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǔ)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(zhǎng)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(duì)于現(xiàn)有技術(shù)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)了光路與器件的光纖一體化，具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路與器件合二為一，光耦合自對(duì)準(zhǔn)增強(qiáng)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(shí)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(shí)施例的光纖光柵懸臂梁諧振子結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0019]圖1所示，一種光激勵(lì)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǔ)上腐蝕上半部分包層和部分纖芯(長(zhǎng)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(dāng)激勵(lì)光激勵(lì)微懸臂諧振器件時(shí)，諧振器件的振動(dòng)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(lì)光纖光柵懸臂梁諧振子傳感器測(cè)試器件的真空度時(shí)，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(guān)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(guān)系:
[0027]A=QF / K
[0028]F為激勵(lì)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(zhǎng)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(zhǎng)；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?yàn)檎穹鵄與品質(zhì)因數(shù)Q成正比，則懸臂梁諧振子的振幅A越大，進(jìn)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(hào)的中心波長(zhǎng)λΒ的變化范圍越寬。反之，中心波長(zhǎng)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(cè)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(qiáng)、光激勵(lì)效率高和微型化等優(yōu)點(diǎn)，可以突破現(xiàn)有硅微機(jī)械諧振敏感器件的技術(shù)缺陷。
[0035]本發(fā)明的光纖光柵懸臂梁諧振子采用RIE(反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)，在腐蝕過程中用石英玻璃毛細(xì)管作為光纖包層腐蝕的掩膜板。
[0036]一種光激勵(lì)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(jìn)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(yīng)”出現(xiàn)光熱激勵(lì)諧振，光纖光柵微懸臂梁發(fā)生諧振時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)由于光纖光柵周期變化而變化(光柵結(jié)構(gòu)向下振動(dòng)受到應(yīng)力，向上振動(dòng)受到拉力，周期發(fā)生變化)，被光纖光柵調(diào)制的反射信號(hào)沿光纖光路返回，反射信號(hào)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(cè)器(3)接收。光纖光柵懸臂梁諧振器探頭對(duì)真空度參量很敏感:真空度變化時(shí)，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(huì)發(fā)生變化，最終反射信號(hào)的中心波長(zhǎng)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(hào)的中心波長(zhǎng)的變化范圍越寬。反之，中心波長(zhǎng)變化范圍越窄。中心波長(zhǎng)變化的反射信號(hào)入射到匹配濾波FBG(S)中，匹配濾波FBG的透射光強(qiáng)被光電探測(cè)器(3)接收，匹配濾波FBG(S)將光纖光柵懸臂梁中心波長(zhǎng)的變化量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)的變化進(jìn)而來測(cè)量真空度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光激勵(lì)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(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光激勵(lì)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(chǔ)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(lì)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(lì)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(lì)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(shù)領(lǐng)域。它包括LD光源、光纖定向耦合器、光電探測(cè)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(jìn)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(hào)中心波長(zhǎng)變化來測(cè)量真空度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗電磁干擾性能強(qiáng)，可以滿足微型化、實(shí)時(shí)在線分布式和多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的要求。
【IPC分類】G01L21-00
【公開號(hào)】CN104776954
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410014276
【發(fā)明人】劉月明, 鄒建宇, 陳浩, 夏忠誠(chéng), 高曉良
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2014年1月9日