[發明專利]一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201010185469.9
• 申請日: 2010-05-28
• 公開（公告）號: CN101858809A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 劉鐵根;江俊峰;劉琨;劉宇;姜麗娟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G02B6/25
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

1.一種光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于該傳感器包括：

傳感器體：光纖法布里-珀羅壓力傳感器體是傳感器的支撐結構和光纖滑動時的引導結構，其形狀為圓柱形或是長方體形，傳感器體的中間開有一個通孔，通孔的一端開有一個凹坑；

彈性膜片：用來感受壓力的變化，放置于傳感器體的凹坑中并固定；

傳感光纖：傳感光纖的一端為法布里-珀羅腔所需的反射面，另一端為球形，該傳感光纖放置于傳感器體中間的通孔內，球形一端與彈性膜片緊密接觸；

傳輸光纖：該光纖放置于傳感器體中間通孔內的另一端，用來提供法布里-珀羅腔所需的另一反射面，與傳感光纖的光纖端面不接觸以構成法布里-珀羅腔；

微型彈簧：放置于傳感光纖與傳輸光纖之間，用來提供彈性回復力使傳感光纖與彈性膜片始終保持緊密接觸。

2.根據權利要求1所述的光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于傳感器體為一整體或者由相互固定在一起的兩部分構成；整體式的傳感器體中用于放置直徑小于通孔的微型彈簧，由兩部分構成的傳感器體的兩部分銜接處的孔徑大于通孔的孔徑，適用于放置直徑大于通孔的微型彈簧。

3.根據權利要求1或2所述的光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于傳感器體的制作材料為Pyrex玻璃或熔融石英材料；彈性膜片的材料為單晶硅片、石英薄片、聚合物薄片或金屬膜片。

4.根據權利要求1或2所述的光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于所述的傳感光纖和傳輸光纖為單模光纖或多模光纖；用作反射面的光纖端面可以是切割后直接使用，也可以鍍上反射膜。

5.根據權利要求1或2所述的光纖法布里-珀羅壓力傳感器，其特征在于所述的微型彈簧的材料為聚合物或金屬，形狀為螺旋形或是管狀。

6.一種權利要求1所述的光纖法布里-珀羅壓力傳感器的制作方法，其特征在于該方法包括：

第1、彈性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制作微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度為10μm～300μm；

第2、傳感光纖的制作：利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切取光纖至所需長度，對傳感光纖的非反射端加熱熔化并利用表面張力形成球形；

第3、傳輸光纖的制作：截取1m～1.5m長度的光纖后，利用光纖切割刀切割光纖一端獲得好的光纖端面作為傳輸光纖的反射面；

第4、微型彈簧的制作：

1)管狀微型彈簧的制作：將一小滴聚合物注入內經為126μm的玻璃管內，通過高速離心旋轉方法，在玻璃管內形成厚度為5～10μm的均勻薄膜，固化后并從玻璃管內取下即制作成彈性軟管，其長度為20～400μm；

2)螺旋形微型彈簧的制作：用直徑為25～35μm的金屬彈簧絲，制成彈簧外徑為126μm，長度為400μm的螺旋形金屬微型彈簧；

第5、傳感器體的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，首先將傳感器體制成外徑為1mm～5mm，長度為5～15mm的圓柱體形或長方體形，在傳感器體中部鉆出直徑為127μm的通孔，隨后進一步將端面加工平整，在傳感器體一頭加工出深度約為500μm，直徑為0.6～4.5mm的凹坑，作為壓力膜片的受力支撐；

第6、將帶有球形尾端的傳感光纖從帶有凹坑的傳感器體的一頭插入通孔中，球形尾端朝外，之后將第1步制成的彈性膜片采用陽極鍵合的方式固定在傳感器體的凹坑上；然后在傳感器體的另一頭放入微型彈簧，再插入傳輸光纖，兩段光纖的光纖端面不接觸以構成法布里-珀羅腔，利用光譜儀或低相干干涉儀實時控制傳輸光纖的插入深度，當到達設計位置，即該傳輸光纖將微型彈簧壓緊，微型彈簧在彈性膜片變形的范圍內均能令傳感光纖的球形尾端與彈性膜片緊密接觸，利用環氧樹脂膠將傳輸光纖固定，在電熱箱中60℃的溫度下固化一小時，或常溫下固化24小時，即制作完成傳感器。

7.一種權利要求2所述的由兩部分構成的傳感器體的光纖法布里-珀羅壓力傳感器的制作方法，其特征在于該方法包括：

第1、彈性膜片制作：利用激光切割出所需大小的硅膜片，并用激光在硅膜片兩面制作微小條紋，以破壞掉該面的反射，膜片厚度為10μm～300μm；

第2、傳感光纖的制作：利用光纖切割刀切割光纖獲得好的光纖端面，然后用筆式切割刀在顯微鏡下切取光纖至所需長度，對傳感光纖的非反射端加熱熔化并利用表面張力形成球形；

第3、傳輸光纖的制作：截取長度為1m～1.5m的光纖后，利用光纖切割刀切割光纖一端獲得好的光纖端面作為傳輸光纖的反射面；

第4、大尺寸螺旋形微型彈簧的制作：用直徑為35～40μm的金屬彈簧絲，制成彈簧外徑約150μm，長度為500μm的大尺寸螺旋形金屬微型彈簧；

第5、傳感器體的制作：利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作傳感器體，此時傳感器體分成兩部分制作，第一部分長度3～9mm，先在傳感器體中部鉆出直徑為127μm的通孔，并將端面加工平整，在傳感器體一頭加工出深度為500μm，直徑為0.6～4.5mm的凹坑，作為彈性膜片的受力支撐，另一頭加工出深度為480μm，直徑為155μm的沉孔；第二部分長度2～6mm，也在傳感器體中部鉆出直徑為127μm的通孔；

第6、傳感器的組裝：將帶有球形尾端的傳感光纖從傳感器體第一部分帶有直徑為0.6～4.5mm的凹坑的傳感器體的一頭插入傳感器體的通孔中，球形尾端朝外，之后將彈性膜片采用陽極鍵合的方式固定在傳感器體的凹坑上，再將第3步制作的微型彈簧插入另一頭沉孔中，將裝好的第一部分和第二部分傳感器體熔接在一起；然后將傳輸光纖插入傳感器體第二部分的通孔中，兩段光纖的光纖端面不接觸以構成法布里-珀羅腔，當到達設計位置即傳輸光纖與微型彈簧緊密接觸時，利用環氧樹脂膠將傳輸光纖固定，在電熱箱中60℃的溫度下固化一小時，或常溫下固化24小時，即制作完成傳感器。