一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器及其制作方法与流程

本发明属于极端环境应用的光纤传感器领域，更具体地，涉及一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器及其制作方法。

背景技术：

在高温测量领域，光学测量方法与技术是重要研究方向。其中基于光纤的高温传感器主要包括以下几种：1)基于黑体辐射腔的蓝宝石高温光纤传感器，其采用强度解调原理，温度测试精度差、器件高温稳定性不足，高温下黑体腔材料与光纤材料的线膨胀系数失配，易导致炸裂破损；2)基于光纤光栅结构的蓝宝石或红宝石高温光纤传感器，因制备该类光栅的设备平台成本高昂、制备难度大，且工艺稳定性和重复性差，导致该类传感器的成本高，暂未得到市场普遍应用；3)基于法布里珀罗腔原理的高温传感器，其采用相位解调原理，测量精度和灵敏性高，而且该类传感器组装简单、易于实现，研制成本相对较低。

然而，基于法布里珀罗腔原理的高温传感器为了形成法布里珀罗腔，一般需要将多个光学部件采用胶水粘结，例如美国弗吉尼亚理工大学光电子研究中心的yizhengzhu于2005年提出并制作了一种基于蓝宝石晶片的法珀高温传感器。其端面与蓝宝石晶片之间呈平行关系，容易发生干涉，影响晶片本身干涉信号的质量。且该结构的传感器在制作时，毛细现象导致高温胶很容易渗入到蓝宝石光纤的端头，污染光纤端头和蓝宝石晶片，传感器成品率低。又如，武汉理工大学的周次明于2016年提出一种新固定结构(中国专利cn106066215a)，蓝宝石光纤端面设置斜角防止光纤端面与蓝宝石晶片间发生干涉；通过耐高温插芯和耐高温套筒结构来校准蓝宝石光纤，并通过高温胶进行结构固定。该类传感器结构复杂、可靠性低、尺寸较大，不同结构件的材料热膨胀系数差异大，采用高温胶封装工艺，如长期在高温环境中应用，其稳定性差、失效风险高。

总体而言，目前基于法布里珀罗腔原理的高温传感器必须采用高温胶封装，稳定性不好，耐受温度受到高温胶的限制。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器及其制作方法，其目的在于实现无胶工艺组装一种结构紧凑、体积小的微型化高温光纤传感器，由此解决耐高温光纤传感器制作成本高、稳定性及批量一致性差的技术问题，本技术方案制作成本低，适用于自动化制造生产线来进行流水线批量生产传感器产品。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，包括耐高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤；

所述耐高温传输光纤、耦合介质以及耐高温传感光纤轴向对准连接，其中所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角，所述耦合介质与所述耐高温光纤的对准连接面与中心轴垂直；

所述耐高温传输光纤，用于将光源输出的光信号传输到耦合介质中；

所述耦合介质，用于形成法布里珀罗腔入射光，其折射率n2满足1≤n2≤2，其光透过率≥80％；

所述耐高温传感光纤，其两端平行，用于形成法布里珀罗腔。

所述耐高温传输光纤的熔点高于所述耦合介质的熔点；

所述耐高温传感光纤的熔点高于所述耦合介质的熔点。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耐高温传输光纤折射率n1满足1.3≤n1≤2.0，其光透过率≥80％，其芯径与数值孔径之积等于所述耐高温传感光纤芯径与数值孔径之积。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耐高温传感光纤折射率n3满足1.3≤n3≤2.0，其光透过率≥80％，其两个光纤端面均抛光，其长度l满足10μm≤l≤600μm。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耐高温传输光纤为蓝宝石光纤或者红宝石光纤；所述耦合介质为石英玻璃、玻璃毛细管、石英玻璃grin透镜或耦合光纤；耐高温传感光纤为氧化锆、蓝宝石或红宝石光纤。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耦合光纤为普通多模光纤、空芯光纤或光子晶体光纤，其有效模场直径大于或等于耐高温传输光纤的有效模场直径。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴的交角在4°至12°之间。

优选地，所述基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其所述耐高温传感光纤两个平行端面上镀有高反射膜，其反射率≥98％，膜层材料熔点≥1000℃。

按照本发明的另一个方面，提供了所述的微型化高温传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)将所述耐高温传输光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

(2)将所述耐高温传感光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

(3)将所述交叠的高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤冷却固定。

优选地，所述的微型化高温传感器的制作方法，其所述耐高温传输光纤，其与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角。

优选地，所述微型化高温传感器的制作方法，其还包括步骤：

(4)将所述耐高温传感光纤两个端面平行切割，进行研磨抛光处理；将所述耐高温传感光纤放入等离子蒸镀炉中，在抛光后的端面上蒸镀多层介质高反射膜，反射率≥98％，膜层材料熔点≥1000℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用无胶工艺组装各部件，能够取得下列有益效果:

1、本发明提供的基于法布里珀罗腔的高温传感器，仅用耦合介质及高温传感光纤与传输光纤熔融-重结晶固化，结构紧凑、体积小，实现微型化的光纤温度传感器；其光学性能稳定，利用高温传感光纤作为法布里珀罗腔传感单元,能够降低耐高温传输光纤端面抛光加工、两段光纤轴向对准的精度要求，并将干涉光束限制在传感单元内，提高干涉光谱的质量；法布里珀罗腔体结构稳定，其不受外界应力干扰，保证了测温性能稳定，有利于形成标准化工艺，使用方便；

2、整个光纤传感器为耐高温无机非金属材质、无外套结构件，为无源产品，光电隔离，避免电磁干扰，长期使用检测性能稳定可靠；本发明的高温光纤传感器器可浸泡在腐蚀性或高温溶液内、高湿高温气压环境中进行温度检测，适合于极端恶劣环境下的传感应用。

3、本发明提供的耐高温传感光纤的制作方法，采用无胶工艺，利用光纤熔融-重结晶固化组装方便，制作成本低，适合于流水线批量生产，机械性能及一致性好。

附图说明

图1是本发明提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温光纤传感器的轴向剖视结构图；

图2是本发明提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温光纤传感器的侧视图。

图3为本发明一个实施例提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温光纤传感器的的斜角光线反射示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

图中1为通信用多模传输光纤，2为耐高温传输光纤，3为耦合介质，4为耐高温传感光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，其轴向剖视结构图如图1所示，其侧视图如图2所示，包括耐高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤；

所述耐高温传输光纤、耦合介质以及耐高温传感光纤轴向对准连接，其中所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角，所述交角在4°至12°之间，所述耦合介质与所述耐高温光纤的对准连接面与中心轴垂直；

所述耐高温传输光纤，用于将光源输出的光信号传输到耦合介质中；其折射率n1满足1.3≤n1≤2.0，其光透过率≥80％，其芯径*na＝所述耐高温传感光纤芯径；其芯径在50μm至250μm之间；优选为氧化锆、蓝宝石光纤或者红宝石光纤。所述耐高温传输光纤的熔点优选高于1800℃，大于石英材质。

所述耦合介质，用于形成法布里珀罗腔入射光；其折射率n2满足1≤n2≤2，其光透过率≥80％；为石英玻璃、玻璃毛细管、石英玻璃grin透镜或耦合光纤，所述耦合光纤为普通多模光纤、空芯光纤或光子晶体光纤，其有效模场直径大于或等于耐高温传输光纤的有效模场直径。优选所述耦合介质其熔点约为1600℃；其外径大于等于耐高温传输光纤的外径，其内孔径小于耐高温传感光纤的芯径。

所述耐高温传感光纤，其两端平行，用于形成法布里珀罗腔；其折射率n3满足1.3≤n3≤2.0，光透过率≥80％，其两个光纤端面均抛光，长度10μm≤l≤600μm，芯径为50-500μm之间。为氧化锆、蓝宝石或红宝石光纤。所述耐高温传感光纤的熔点为高于1800℃，大于石英材质。

本发明利用耐高温传感光纤作为法布里珀罗腔传感单元，其不受外界应力干扰，能够降低耐高温传输光纤端面抛光加工、两段光纤轴向对准的精度要求，并将干涉光束限制在传感单元内，提高干涉光谱的质量；通过耦合介质熔融、重结晶固化方式，实现其与耐高温传输光纤和耐高温传感光纤间的粘结，因石英玻璃材质的热膨胀系数低、重结晶固化结构稳定可靠，有效保障了连接点处机械强度。

所述耐高温传输光纤熔点高于所述耦合介质的熔点，优选所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的熔点的温度差≥300℃；所述耐高温传感光纤熔点高于所述耦合介质的熔点，优选所述耐高温传感光纤与所述耦合介质的熔点的温度差≥300℃。所述耐高温传感光纤其长度l满足10μm≤l≤600μm。

本发明提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)将所述耐高温传输光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；所述耐高温传输光纤，其与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角。具体步骤如下：

将耐高温传输光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传输光纤反射端被加热到耦合介质熔点以上，优选1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传输光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(2)将所述耐高温传感光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

将耐高温传感光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传感光纤反射端被加热到耦合介质熔点以上，优选1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传感光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(3)将所述交叠的高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤冷却固定。交叠处将迅速降温固化、使光纤水平对准粘结在一起。

优选地，根据法布里珀罗腔长控制的需求，垂直切割耐高温传感光纤未加热的一端，使耐高温传感光纤两端面平行。

(4)将所述耐高温传感光纤两个端面平行切割，进行研磨抛光处理；将所述耐高温传感光纤放入等离子蒸镀炉中，在抛光后的端面上蒸镀多层介质高反射膜，反射率≥98％，膜层材料熔点≥1000℃。

本方法采用无胶工艺、组装方便，制作成本低，适合于流水线批量生产，一致性好。

以下为实施例：

实施例1

一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，包括耐高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤；

所述耐高温传输光纤、耦合介质以及耐高温传感光纤轴向对准连接，其中所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角，所述交角为4°，所述耦合介质与所述耐高温光纤的对准连接面与中心轴垂直；

所述耐高温传输光纤，用于将光源输出的光信号传输到耦合介质中；为蓝宝石芯玻璃包层光纤其折射率n1为1.65，其光透过率80％，其芯径100μm，熔点为1800℃。

所述耦合介质，用于形成法布里珀罗腔入射光，为空芯耦合光纤；其芯区折射率n2为1，其光透过率为100％；其熔点约为1600℃；其外径大于等于耐高温传输光纤的外径，其内孔径小于耐高温传感光纤的芯径。

所述耐高温传感光纤，其两端平行，用于形成法布里珀罗腔；为红宝石光纤其折射率n3为1.77，光透过率为90％，其两个光纤端面均抛光，长度l为400μm，芯径为80μm之间。所述耐高温传感光纤的熔点高于1800℃。

本实施例提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)将所述耐高温传输光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；所述耐高温传输光纤，其与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角。具体步骤如下：

将耐高温传输光线的反射端加工成4°倾角，将耐高温传输光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传输光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传输光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(2)将所述耐高温传感光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

将耐高温传感光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传感光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传感光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(3)将所述交叠的高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤冷却固定。交叠处将迅速降温固化、使光纤水平对准粘结在一起。

根据法布里珀罗腔长控制的需求，垂直切割耐高温传感光纤未加热的一端，使耐高温传感光纤两端面平行。

(4)将所述耐高温传感光纤两个端面平行切割，进行研磨抛光处理；将所述耐高温传感光纤放入等离子蒸镀炉中，在抛光后的端面上蒸镀多层介质高反射膜，反射率≥98％，膜层材料为氧化锆/氧化铝材质。

实施例2

一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，包括耐高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤；

所述耐高温传输光纤、耦合介质以及耐高温传感光纤轴向对准连接，其中所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角，所述交角为8°之间，所述耦合介质与所述耐高温光纤的对准连接面与中心轴垂直；

所述耐高温传输光纤，用于将光源输出的光信号传输到耦合介质中；为蓝宝石光纤其折射率n1为1.76，其光透过率90％，其芯径100μm，熔点为2045℃。

所述耦合介质，用于形成法布里珀罗腔入射光，为玻璃毛细管；其折射率n2为1.49，其光透过率为92％；其熔点约为1600℃；其外径大于等于耐高温传输光纤的外径，其内孔径小于耐高温传感光纤的芯径。

所述耐高温传感光纤，其两端平行，用于形成法布里珀罗腔；为蓝宝石光纤其折射率n3为1.76，光透过率为90％，其两个光纤端面均抛光，长度l为100μm，芯径为100μm之间。所述耐高温传感光纤的熔点高于1800℃。

本实施例提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)将所述耐高温传输光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；所述耐高温传输光纤，其与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角。具体步骤如下：

将耐高温传输光纤的反射端加工成8°倾角，将耐高温传输光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传输光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传输光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(2)将所述耐高温传感光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

将耐高温传感光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传感光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传感光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(3)将所述交叠的高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤冷却固定。交叠处将迅速降温固化、使光纤水平对准粘结在一起。

根据法布里珀罗腔长控制的需求，垂直切割耐高温传感光纤未加热的一端，使耐高温传感光纤两端面平行。

(4)将所述耐高温传感光纤两个端面平行切割，进行研磨抛光处理；将所述耐高温传感光纤放入等离子蒸镀炉中，在抛光后的端面上蒸镀多层介质高反射膜，反射率≥98％，膜层材料为氧化锆/氧化铝/氧化锆三层。

实施例3

一种基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器，包括耐高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤；

所述耐高温传输光纤、耦合介质以及耐高温传感光纤轴向对准连接，其中所述耐高温传输光纤与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角，所述交角为12°之间，所述耦合介质与所述耐高温光纤的对准连接面与中心轴垂直；

所述耐高温传输光纤，用于将光源输出的光信号传输到耦合介质中；为红宝石光纤其折射率n1为1.77，其光透过率85％，其芯径150μm，熔点为2030℃。

所述耦合介质，用于形成法布里珀罗腔入射光，为石英玻璃；其折射率n2为1.45，其光透过率为98％；其熔点约为1600℃；其外径大于等于耐高温传输光纤的外径，其内孔径小于耐高温传感光纤的芯径。

所述耐高温传感光纤，其两端平行，用于形成法布里珀罗腔；为蓝宝石其折射率n3为1.76，光透过率为90％，其两个光纤端面均抛光，长度l为300μm，芯径为150μm之间。所述耐高温传感光纤的熔点高于1800℃。

本实施例提供的基于法布里珀罗腔的微型化高温传感器的制作方法，包括以下步骤：

(1)将所述耐高温传输光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；所述耐高温传输光纤，其与所述耦合介质的对准连接面与中心轴呈交角。具体步骤如下：

将耐高温传输光线的反射端加工成12°倾角，将耐高温传输光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传输光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传输光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(2)将所述耐高温传感光纤加热至所述耦合介质的熔融温度，与所述耦合介质对准压紧至交叠；

将耐高温传感光纤和耦合介质分别固定在光纤熔接加热处理平台的左右两端夹具中，调整光纤端面相对位置、并保证轴心对准；开通热源，使耐高温传感光纤反射端被加热到1800℃～2000℃，然后迅速断开热源，利用步进电机控制夹具水平移动耐高温传感光纤反射端，使其靠近耦合介质、并将热量传导到耦合介质端面；低熔点的耦合介质端面处于熔融状态，控制步进电机推进量使耐高温传输光纤与耦合介质产生交叠后静止；

(3)将所述交叠的高温传输光纤、耦合介质、以及耐高温传感光纤冷却固定。交叠处将迅速降温固化、使光纤水平对准粘结在一起。

根据法布里珀罗腔长控制的需求，垂直切割耐高温传感光纤未加热的一端，使耐高温传感光纤两端面平行。

(4)将所述耐高温传感光纤两个端面平行切割，进行研磨抛光处理；将所述耐高温传感光纤放入等离子蒸镀炉中，在抛光后的端面上蒸镀多层介质高反射膜，反射率≥98％，膜层材料为氧化锆/氧化铝材质。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。