一种具有温度测量功能的光纤压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及光纤压力传感器【技术领域】，具体涉及一种具有温度测量功能的光纤压力传感器。本发明的光纤压力传感器结构简单，体积小，重量轻，灵敏度高并且可调，安装使用方便，可以应用于石油、航空、化工等领域。与现有技术相比，本发明利用半导体硅测温层测量温度，对传感器压力测量结果进行实时校正，改善了传统的光纤光栅在长期高温环境下会逐渐弱化甚至消失的问题，具有更高的测量精度。
【专利说明】一种具有温度测量功能的光纤压力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤压力传感器【技术领域】，具体涉及一种具有温度测量功能的光纤压力传感器。
【背景技术】
[0002]随着光纤传感器技术的发展，高精度光纤压力传感器的研究越来越深入。光纤压力传感器作为一种新型传感器，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，目前已经广泛应用于石油、航空、化工、医学等领域。光纤法布里-珀罗(F-P)传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常是由光纤端面和膜片端面构成F-P谐振腔，当压力作用在膜片时，膜片发生形变，从而改变F-P腔的腔长，引起干涉谱的变化，实现传感。
[0003]实际中，一些应用领域的环境较为恶劣，如油井钻孔、涡轮发动机等，其温度波动较大，传感器的测量精度将会受到影响。当温度变化时，由于传感器组成材料的热胀冷缩效应，F-P腔的腔长将会发生变化，从而导致解调出来的压力值与实际压力有所偏差。因此，需要测量出环境温度来补偿光纤F-P传感器的压力测量结果，从而得到正确的环境压力值。常见的是采用光纤光栅进行温度补偿，但光纤光栅在长期的高温环境下会逐渐弱化甚至消失，影响了温度测量的准确性，不能满足高精度压力传感器的要求。
[0004]由于半导体材料具有一定的温度特性，可以用来作为传感器测量温度的敏感元件。当温度变化时，半导体材料的吸收边波长会发生漂移，从而导致通过它的光能量发生变化，在光能量和温度之间表现出一定的相关性。因此，可以通过检测光谱或光功率的变换，进而实现温度测量的目的。国内外研究人员在利用半导体材料测量温度方面提出了多种方案。如1981年，Kazuo Kyuma等四人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采用GaAs和CdTe半导体材料的吸收型光纤温度传感器。1988年，Roorkee大学R.P.Agarwal等人，采用CVD (化学气相淀积)技术，在光纤端面上淀积多晶硅薄膜，研制了硅吸收型光纤温度传感器。2001年，清华大学赵勇等人，利用半导体吸收原理，制作了 GaAs吸收型光纤传感器，并且应用于海水温度的测量中，精度为1°C。2003年，浙江大学对单晶硅吸收型光纤温度传感器进行探索研究，并制备了硅薄膜，实现1°C的测量精度。2008年，Toyo大学TohruIuchi等人，研究了从室温到1000K的范围内，半导体材料硅的吸收边波长与温度之间的关系，在半导体工艺领域中有着较好的应用前景。
[0005]2009年，华北电力大学陈辉等人，研究了波长调制半导体晶体吸收型温度传感器的原理，以及半导体材料的透射光谱与温度之间的关系。以上的这些成果为光纤压力传感器的半导体测温研究提供了有利条件。
【发明内容】
[0006]本发明提出了一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，在传感器中加入半导体温度测量层，根据检测传感器的温度特性，进行不同温度环境的压力测量与补偿，从而实现高精度的光纤压力传感器。[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008]本发明的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，该压力传感器传感头包括膜片1、温度测量层3、腔底4、胶黏剂5和导光光纤6 ；
[0009]腔底4的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层3，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起，膜片1与凹槽之间形成F-P真空腔2 ；
[0010]腔底4的底端钻有喇叭孔，喇叭孔的内壁粘结有一层胶黏剂5，喇叭孔内放置导光光纤6。
[0011]一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，该压力传感器传感头包括膜片1、温度测量层3、腔底4、胶黏剂5、导光光纤6和准直管7 ；
[0012]腔底4的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层3，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起，膜片1与凹槽之间形成F-P真空腔2 ；
[0013]准直管7与腔底4的底端通过胶黏剂5固定连接；
[0014]准直管7的底端钻有圆孔，圆孔的内壁粘结有一层胶黏剂5，圆孔内放置导光光纤6。
[0015]膜片1的组成材料为单晶硅晶圆，进行双面抛光减薄。其厚度可以根据压力测量范围和灵敏度决定。
[0016]温度测量层3的组成材料为硅，可以通过溅射或蒸镀到腔底4表层。
[0017]腔底4的组成材料为Pyrex玻璃晶圆，进行双面抛光减薄，并在其之上腐蚀出F-P真空腔2。腔底4底端钻有能够容纳光纤的微小喇叭孔。在真空条件下，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起。
[0018]准直管7为玻璃圆柱体。
[0019]本发明的膜片1位于传感头的最前端，用来感受外界压力的变化。温度测量层3位于F-P真空腔2的底面，对压力测量进行温度补偿。导光光纤6通过胶黏剂5固定在传感头的后端，实现光信号的传输。
[0020]利用胶黏剂5对腔底4和导光光纤6进行固定。
[0021]利用胶黏剂5对腔底4、导光光纤6和准直管7进行固定和密封。
[0022]有益效果
[0023]本发明的光纤压力传感器结构简单，体积小，重量轻，灵敏度高并且可调，安装使用方便，可以应用于石油、航空、化工等领域。与现有技术相比，本发明利用半导体硅测温层测量温度，对传感器压力测量结果进行实时校正，改善了传统的光纤光栅在长期高温环境下会逐渐弱化甚至消失的问题，具有更高的测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为实施例1中光纤压力传感器的结构示意图:
[0025]图2为实施例2中光纤压力传感器的结构示意图:
[0026]图3为温度测量层硅的透射光谱随温度变化的曲线；
[0027]图4为本发明中解调系统原理示意图。
【具体实施方式】[0028]下面结合说明书附图和实例对本发明做进一步详细说明。
[0029]实施例1
[0030]如图1所示，一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，该压力传感器传感头包括膜片1、温度测量层3、腔底4、胶黏剂5和导光光纤6 ；
[0031]腔底4的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层3，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起，膜片1与凹槽之间形成F-P真空腔2 ；
[0032]腔底4的底端钻有喇叭孔，喇叭孔的内壁粘结有一层胶黏剂5，喇叭孔内放置导光光纤6。
[0033]实施例2
[0034]如图2所示，一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，该压力传感器传感头包括膜片1、温度测量层3、腔底4、胶黏剂5、导光光纤6和准直管7 ；
[0035]腔底4的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层3，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起，膜片1与凹槽之间形成F-P真空腔2 ；
[0036]准直管7与腔底4的底端通过胶黏剂5固定连接；
[0037]准直管7的底端钻有圆孔，圆孔的内壁粘结有一层胶黏剂5，圆孔内放置导光光纤6。
[0038]如图2所示，膜片1采用单晶硅晶圆，位于传感头的最前端，用来感受外界压力的变化。对其进行双面抛光减薄，其厚度可以根据压力测量范围和灵敏度决定。温度测量层3采用半导体材料硅，可以实现压力测量过程中的温度补偿。硅层通过化学气相沉积(CVD)到腔底4表层，其沉积厚度可通过改变反应气体流量和反应时间进行控制。腔底4采用Pyrex7740玻璃晶圆，将玻璃晶圆双面抛光减薄至500 μ m~550 μ m,并利用HF和HCL溶液在其之上腐蚀出F-P真空腔2。在真空条件下，膜片1与腔底4通过阳极键合的方式结合在一起。准直管7为玻璃圆柱体，圆柱体中心钻有圆形通孔，通孔直径为127 μ m。利用胶黏剂5将导光光纤6固定在传感头的后端,实现光信号的传输。
[0039]当外界压力变化时，膜片1发生形变，从而引起F-P真空腔2的腔长发生变化，通过对干涉光谱的解调进而测量出压力值。
[0040]温度测量层3硅的光吸收特性由禁带宽度能量Eg所决定。根据Μ.B.Panish研究结论，在20~972K温度范围内，半导体的禁带宽度能量Eg与温度T的关系为:
[0041]Ε^Τ)=Ε8(0)-gammaΤ2/(Τ+β)
[0042]式中:Eg(T)、Eg(0)分别是温度为T和0K时半导体的禁带宽度能量，单位为ev ；
[0043]y、β是与材料有关的常量，单位为ev/k。
[0044]此时传输光的波长变化规律为:
【权利要求】
1.一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:该压力传感器传感头包括膜片、温度测量层、腔底、胶黏剂和导光光纤；腔底的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层，膜片与腔底通过阳极键合的方式结合在一起，膜片与凹槽之间形成F-P真空腔；腔底的底端钻有喇叭孔，喇叭孔的内壁粘结有一层胶黏剂，喇叭孔内放置导光光纤。
2.根据权利要求1所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:膜片的组成材料为单晶硅晶圆，进行双面抛光减薄，其厚度可以根据压力测量范围和灵敏度决定。
3.根据权利要求1所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:温度测量层的组成材料为硅。
4.根据权利要求1所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:腔底的组成材料为Pyrex玻璃晶圆，进行双面抛光减薄。
5.一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:该压力传感器传感头包括膜片、温度测量层、腔底、胶黏剂、导光光纤和准直管；腔底的顶端开有一凹槽，凹槽底部溅射或蒸镀有温度测量层，膜片与腔底通过阳极键合的方式结合在一起，膜片与凹槽之间形成F-P真空腔；准直管与腔底的底端通过胶黏剂固定连接；准直管的底端钻有圆孔，圆孔的内壁粘结有一层胶黏剂，圆孔内放置导光光纤。
6.根据权利要求5所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:膜片的组成材料为单晶硅晶圆，进行双面抛光减薄，其厚度可以根据压力测量范围和灵敏度决定。
7.根据权利要 求5所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于--温度测量层的组成材料为硅。
8.根据权利要求5所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:腔底的组成材料为Pyrex玻璃晶圆，进行双面抛光减薄。
9.根据权利要求5所述的一种具有温度测量功能的光纤压力传感器，其特征在于:准直管7为玻璃圆柱体。
【文档编号】G01L1/24GK103644988SQ201310606371
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】张慧君, 张力, 段玉培, 黄彩霞 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所