一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及光纖壓力傳感器【技術領域】，具體涉及一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器。本發明的光纖壓力傳感器結構簡單，體積小，重量輕，靈敏度高并且可調，安裝使用方便，可以應用于石油、航空、化工等領域。與現有技術相比，本發明利用半導體硅測溫層測量溫度，對傳感器壓力測量結果進行實時校正，改善了傳統的光纖光柵在長期高溫環境下會逐漸弱化甚至消失的問題，具有更高的測量精度。
【專利說明】一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖壓力傳感器【技術領域】，具體涉及一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著光纖傳感器技術的發展，高精度光纖壓力傳感器的研究越來越深入。光纖壓力傳感器作為一種新型傳感器，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾等優點，目前已經廣泛應用于石油、航空、化工、醫學等領域。光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器是光纖壓力傳感器中的一種，它通常是由光纖端面和膜片端面構成F-P諧振腔，當壓力作用在膜片時，膜片發生形變，從而改變F-P腔的腔長，引起干涉譜的變化，實現傳感。
[0003]實際中，一些應用領域的環境較為惡劣，如油井鉆孔、渦輪發動機等，其溫度波動較大，傳感器的測量精度將會受到影響。當溫度變化時，由于傳感器組成材料的熱脹冷縮效應，F-P腔的腔長將會發生變化，從而導致解調出來的壓力值與實際壓力有所偏差。因此，需要測量出環境溫度來補償光纖F-P傳感器的壓力測量結果，從而得到正確的環境壓力值。常見的是采用光纖光柵進行溫度補償，但光纖光柵在長期的高溫環境下會逐漸弱化甚至消失，影響了溫度測量的準確性，不能滿足高精度壓力傳感器的要求。
[0004]由于半導體材料具有一定的溫度特性，可以用來作為傳感器測量溫度的敏感元件。當溫度變化時，半導體材料的吸收邊波長會發生漂移，從而導致通過它的光能量發生變化，在光能量和溫度之間表現出一定的相關性。因此，可以通過檢測光譜或光功率的變換，進而實現溫度測量的目的。國內外研究人員在利用半導體材料測量溫度方面提出了多種方案。如1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱電機中心實驗室，首次研制成功采用GaAs和CdTe半導體材料的吸收型光纖溫度傳感器。1988年，Roorkee大學R.P.Agarwal等人，采用CVD (化學氣相淀積)技術，在光纖端面上淀積多晶硅薄膜，研制了硅吸收型光纖溫度傳感器。2001年，清華大學趙勇等人，利用半導體吸收原理，制作了 GaAs吸收型光纖傳感器，并且應用于海水溫度的測量中，精度為1°C。2003年，浙江大學對單晶硅吸收型光纖溫度傳感器進行探索研究，并制備了硅薄膜，實現1°C的測量精度。2008年，Toyo大學TohruIuchi等人，研究了從室溫到1000K的范圍內，半導體材料硅的吸收邊波長與溫度之間的關系，在半導體工藝領域中有著較好的應用前景。
[0005]2009年，華北電力大學陳輝等人，研究了波長調制半導體晶體吸收型溫度傳感器的原理，以及半導體材料的透射光譜與溫度之間的關系。以上的這些成果為光纖壓力傳感器的半導體測溫研究提供了有利條件。
【發明內容】
[0006]本發明提出了一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，在傳感器中加入半導體溫度測量層，根據檢測傳感器的溫度特性，進行不同溫度環境的壓力測量與補償，從而實現高精度的光纖壓力傳感器。[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0008]本發明的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，該壓力傳感器傳感頭包括膜片1、溫度測量層3、腔底4、膠黏劑5和導光光纖6 ；
[0009]腔底4的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層3，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片1與凹槽之間形成F-P真空腔2 ；
[0010]腔底4的底端鉆有喇叭孔，喇叭孔的內壁粘結有一層膠黏劑5，喇叭孔內放置導光光纖6。
[0011]一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，該壓力傳感器傳感頭包括膜片1、溫度測量層3、腔底4、膠黏劑5、導光光纖6和準直管7 ；
[0012]腔底4的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層3，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片1與凹槽之間形成F-P真空腔2 ；
[0013]準直管7與腔底4的底端通過膠黏劑5固定連接；
[0014]準直管7的底端鉆有圓孔，圓孔的內壁粘結有一層膠黏劑5，圓孔內放置導光光纖6。
[0015]膜片1的組成材料為單晶硅晶圓，進行雙面拋光減薄。其厚度可以根據壓力測量范圍和靈敏度決定。
[0016]溫度測量層3的組成材料為硅，可以通過濺射或蒸鍍到腔底4表層。
[0017]腔底4的組成材料為Pyrex玻璃晶圓，進行雙面拋光減薄，并在其之上腐蝕出F-P真空腔2。腔底4底端鉆有能夠容納光纖的微小喇叭孔。在真空條件下，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起。
[0018]準直管7為玻璃圓柱體。
[0019]本發明的膜片1位于傳感頭的最前端，用來感受外界壓力的變化。溫度測量層3位于F-P真空腔2的底面，對壓力測量進行溫度補償。導光光纖6通過膠黏劑5固定在傳感頭的后端，實現光信號的傳輸。
[0020]利用膠黏劑5對腔底4和導光光纖6進行固定。
[0021]利用膠黏劑5對腔底4、導光光纖6和準直管7進行固定和密封。
[0022]有益效果
[0023]本發明的光纖壓力傳感器結構簡單，體積小，重量輕，靈敏度高并且可調，安裝使用方便，可以應用于石油、航空、化工等領域。與現有技術相比，本發明利用半導體硅測溫層測量溫度，對傳感器壓力測量結果進行實時校正，改善了傳統的光纖光柵在長期高溫環境下會逐漸弱化甚至消失的問題，具有更高的測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為實施例1中光纖壓力傳感器的結構示意圖:
[0025]圖2為實施例2中光纖壓力傳感器的結構示意圖:
[0026]圖3為溫度測量層硅的透射光譜隨溫度變化的曲線；
[0027]圖4為本發明中解調系統原理示意圖。
【具體實施方式】[0028]下面結合說明書附圖和實例對本發明做進一步詳細說明。
[0029]實施例1
[0030]如圖1所示，一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，該壓力傳感器傳感頭包括膜片1、溫度測量層3、腔底4、膠黏劑5和導光光纖6 ；
[0031]腔底4的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層3，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片1與凹槽之間形成F-P真空腔2 ；
[0032]腔底4的底端鉆有喇叭孔，喇叭孔的內壁粘結有一層膠黏劑5，喇叭孔內放置導光光纖6。
[0033]實施例2
[0034]如圖2所示，一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，該壓力傳感器傳感頭包括膜片1、溫度測量層3、腔底4、膠黏劑5、導光光纖6和準直管7 ；
[0035]腔底4的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層3，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片1與凹槽之間形成F-P真空腔2 ；
[0036]準直管7與腔底4的底端通過膠黏劑5固定連接；
[0037]準直管7的底端鉆有圓孔，圓孔的內壁粘結有一層膠黏劑5，圓孔內放置導光光纖6。
[0038]如圖2所示，膜片1采用單晶硅晶圓，位于傳感頭的最前端，用來感受外界壓力的變化。對其進行雙面拋光減薄，其厚度可以根據壓力測量范圍和靈敏度決定。溫度測量層3采用半導體材料硅，可以實現壓力測量過程中的溫度補償。硅層通過化學氣相沉積(CVD)到腔底4表層，其沉積厚度可通過改變反應氣體流量和反應時間進行控制。腔底4采用Pyrex7740玻璃晶圓，將玻璃晶圓雙面拋光減薄至500 μ m~550 μ m,并利用HF和HCL溶液在其之上腐蝕出F-P真空腔2。在真空條件下，膜片1與腔底4通過陽極鍵合的方式結合在一起。準直管7為玻璃圓柱體，圓柱體中心鉆有圓形通孔，通孔直徑為127 μ m。利用膠黏劑5將導光光纖6固定在傳感頭的后端,實現光信號的傳輸。
[0039]當外界壓力變化時，膜片1發生形變，從而引起F-P真空腔2的腔長發生變化，通過對干涉光譜的解調進而測量出壓力值。
[0040]溫度測量層3硅的光吸收特性由禁帶寬度能量Eg所決定。根據Μ.B.Panish研究結論，在20~972K溫度范圍內，半導體的禁帶寬度能量Eg與溫度T的關系為:
[0041]Ε^Τ)=Ε8(0)-gammaΤ2/(Τ+β)
[0042]式中:Eg(T)、Eg(0)分別是溫度為T和0K時半導體的禁帶寬度能量，單位為ev ；
[0043]y、β是與材料有關的常量，單位為ev/k。
[0044]此時傳輸光的波長變化規律為:
【權利要求】
1.一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:該壓力傳感器傳感頭包括膜片、溫度測量層、腔底、膠黏劑和導光光纖；腔底的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層，膜片與腔底通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片與凹槽之間形成F-P真空腔；腔底的底端鉆有喇叭孔，喇叭孔的內壁粘結有一層膠黏劑，喇叭孔內放置導光光纖。
2.根據權利要求1所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:膜片的組成材料為單晶硅晶圓，進行雙面拋光減薄，其厚度可以根據壓力測量范圍和靈敏度決定。
3.根據權利要求1所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:溫度測量層的組成材料為硅。
4.根據權利要求1所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:腔底的組成材料為Pyrex玻璃晶圓，進行雙面拋光減薄。
5.一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:該壓力傳感器傳感頭包括膜片、溫度測量層、腔底、膠黏劑、導光光纖和準直管；腔底的頂端開有一凹槽，凹槽底部濺射或蒸鍍有溫度測量層，膜片與腔底通過陽極鍵合的方式結合在一起，膜片與凹槽之間形成F-P真空腔；準直管與腔底的底端通過膠黏劑固定連接；準直管的底端鉆有圓孔，圓孔的內壁粘結有一層膠黏劑，圓孔內放置導光光纖。
6.根據權利要求5所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:膜片的組成材料為單晶硅晶圓，進行雙面拋光減薄，其厚度可以根據壓力測量范圍和靈敏度決定。
7.根據權利要 求5所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于--溫度測量層的組成材料為硅。
8.根據權利要求5所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:腔底的組成材料為Pyrex玻璃晶圓，進行雙面拋光減薄。
9.根據權利要求5所述的一種具有溫度測量功能的光纖壓力傳感器，其特征在于:準直管7為玻璃圓柱體。
【文檔編號】G01L1/24GK103644988SQ201310606371
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】張慧君, 張力, 段玉培, 黃彩霞 申請人:中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所