一种光纤法珀气体折射率和温度传感器及系统、测量方法与流程

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种可同时测量气体折射率和温度的光纤法珀传感器及其测量方法。

背景技术：

气体折射率是生物化学分析和以气体为传播介质的激光系统中的重要光学参数之一。光纤法布里-珀罗(f-p)传感器以其紧凑的尺寸、抗电磁干扰和高灵敏度的特点，引起了大量用于气体折射率传感的研究。如mingdeng等(mingdeng,changpingtang,taozhu,etal.,refractiveindexmeasurementusingphotoniccrystalfiber-basedfabry–perotinterferometer,appliedoptics,2010,49(9):1593-1598)在单模光纤与光子晶体之间熔接一段中空芯光纤,构建了一种新型的法珀气体折射率传感器。mingranquan等(mingranquan,jiajuntian,yongyao,ultra-highsensitivityfabry–perotinterferometergasrefractiveindexfibersensorbasedonphotoniccrystalfiberandverniereffect,opticsletters,2015,40(21):4891)提出了一种超高灵敏度的法珀气体折射率传感器，该传感器是通过将一段光子晶体光纤(pcf)与一段光纤管和一段单模光纤熔接而制备的。ruohuiwang等(ruohuiwangandxueguangqiao，gasrefractometerbasedonopticalfiberextrinsicfabry–perotinterferometerwithopencavity，photonicstechnologyletters，2015,27(3):245-248)研究了一种基于法珀干涉的气体折射率传感器，该传感器是由一段较短的毛细管两端分别与单模光纤和带侧孔的光纤熔接而成的。这些传感器由于其全二氧化硅或温度不敏感材料而具有相对低的温度灵敏度，但是由热膨胀引起的温度交叉灵敏度仍然大大降低了折射率的测量精度。此外，大多数材料的折射率是与温度有关的，因此有必要同时测量出折射率和温度。ruohuiwang等(ruohuiwangandxueguangqiao，appliedoptics，2014,53(32):7724-7728)提出了一种混合微型光纤f-p干涉仪，能够同时测量气体折射率和温度。通过熔接两个不同内径的毛细管和单模光纤，使三部分串联起来构成混合法珀干涉仪。一个由大内径毛细管形成的空腔构成的非本征型干涉仪，和一个由一小段小内径毛细管构成的本征型干涉仪。干涉光谱中不同的峰对气体折射率和温度的变化表现出不同的反应，基于此特点，可以同时测量温度与折射率。但此传感器的温度敏感材料为二氧化硅，因此温度敏感度受到其低热光系数的限制。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提出了一种光纤法珀气体折射率和温度传感器及系统、测量方法。可同时时测量气体折射率和温度的光纤珐珀传感器及其测量方法。

本发明的一种光纤法珀气体折射率和温度传感器，包括单模光纤5、光纤插芯4和传感头芯片，单模光纤5固定在光纤插芯4中，光纤插芯4与传感头芯片连接在一起，单模光纤5的端面与单晶硅片1下表面紧贴，起到光传输作用；其中：

传感头芯片采用三层结构，第一层的双面抛光单晶硅片1、第二层的pyrex玻璃片2和第三层的单面抛光单晶硅片3；

所述双面抛光单晶硅片1的下表面和上表面作为两个反射面即第一反射面8、第二反射面9，构成作为温度敏感元件的第一法珀腔fp1，腔长为单晶硅片1的厚度；

所述pyrex玻璃片2中心设置圆形通孔6，使得光束直接穿过pyrex玻璃片2，圆形通孔6侧面设置矩形通槽7，使得光束穿过圆形通孔6的中线；

所述单面抛光单晶硅片3的下表面和所述双面抛光单晶硅片1的上表面作为两个反射面即第二反射面9、第三反射面10，构成作为气体折射率敏感元件的第二法珀腔fp2，腔长为pyrex玻璃片2的厚度。

本发明的一种光纤法珀气体折射率和温度传感器测量系统，该系统包括sld光源16、环形器17、光纤法珀气体折射率和温度传感器18、光谱仪19、计算机20、空气压力舱21、恒温箱22以及压力控制系统；其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器18置于空气压力舱21内，所述空气压力舱21是密封的、且置于所述恒温箱22内；所述压力控制系统由压力控制仪23、真空泵24和空气压缩机25构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱21之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管26连接；所述sld光源16、所述光谱仪19通过环形器17与空气压力舱21连接；所述计算机20与光谱仪19连接；其中：

所述sld光源16发出的光经过所述环形器17进入光纤法珀气体折射率和温度传感器18，传感器18三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器17被光谱仪19接收，计算机20用于记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理；所述恒温箱22控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱21中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描。

本发明的一种利用光纤法珀气体折射率和温度传感器测量系统实现的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

第一步，在常压下，进行传感器法珀腔fp1温度标定试验：通过对恒温箱温度t进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，解调出对应第一法珀腔fp1的第一干涉光程差δfp1，对温度t和第一干涉光程差δfp1进行线性拟合，得到拟合直线的公式δfp1＝st·t+δfp10，由此得到温度计算公式

t＝(δfp1-δfp10)/st(1)

其中，δfp10表示拟合直线的截距，st表示拟合直线的斜率；

第二步，进行传感器法珀腔fp2温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率ngas与空气压力p关系的表达式为气体折射率与气体压强成线性关系变化；分别在温度t1、t2、t3和t4下，对空气压力舱内压力p进行扫描，采集每个测量点下的干涉光谱信号，解调出对应第二法珀腔fp2的第二干涉光程差δfp2，分别对每个温度下的压力p和光程差进行线性拟合，得到t1、t2、t3和t4下拟合直线的公式和

其中，和分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的截距，分别表示温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的斜率；

第三步，对第2步中得到的温度t1、t2、t3和t4下拟合直线的截距和与对应温度t1、t2、t3和t4进行线性拟合，得到拟合直线的公式，

kt＝stc·t+k0(2)

其中，kt表示温度t时拟合直线的截距的标定值，k0表示拟合公式的截距，stc表示拟合公式的斜率。

第四步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出第一法珀腔fp1的第一干涉光程差δfp1和第二法珀腔fp2的第二干涉光程差δfp2，，将待测折射率表示为：

ngas＝δfp2/kt(3)

根据公式(1)、(2)、(3)实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。

本发明的一种传感头芯片的批量制作方法，该方法包括以下步骤：

在厚度为480μm～520μm的4英寸pyrex玻璃晶圆片12上采用喷砂的方法加工出圆形通孔阵列14，圆形通孔直径在1000μm～2000μm之间，圆形通孔的深度贯穿整个pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通孔之间的间距为2500μm；

在pyrex玻璃晶圆片12的表面采用喷砂的方法加工矩形沟槽阵列15，矩形沟槽宽度为150～200μm，矩形沟槽深度贯穿整个pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通槽之间的间距同样为2500μm，并且每一个矩形沟槽的中线都与一列圆形通孔的中线对齐；

将厚度为290μm～310μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片11清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片11与pyrex玻璃晶圆片12的下表面；

将厚度为100μm～200μm的单面抛光的4英寸单晶硅晶圆片13清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片13的抛光面pyrex玻璃晶圆片12的上表面，至此形成三层整体结构；

使用划片机将4英寸传感头芯片阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是正方形，边长是2500μm的单个传感头单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能够实现温度和气体折射率双参量的同时测量；

2、具有较高的气体折射率灵敏度和分辨率；

3、在测量温度的基础上，能够对气体折射率测量时温度交叉敏感引起的误差进行校正，实现高精度测量；

4、具有结构性能稳定，成本低、可批量加工等优势。

附图说明

图1为本发明中光纤珐珀气体折射率和温度传感器结构示意图；

图2为本发明中光纤珐珀气体折射率和温度传感头芯片阵列式批量生产时结构示意图；

图3为本发明中气体折射率和温度测量方法所使用系统结构示意图；

图4为传感器输出的反射光谱；

图5为传感器输出反射光谱经过傅里叶变换后的空间频谱；

图6为滤波后提取出的独立干涉光谱，其中(a)为法珀腔fp1的干涉光谱；(b)为法珀腔fp2的干涉光谱；

图7为法珀腔fp1干涉光程差解调结果与温度关系图；

图8为法珀腔fp2干涉光程差解调结果与压力关系图；

图9为拟合曲线截距随温度变化曲线图。

图中：1、双面抛光单晶硅片，2、pyrex玻璃片，3、单面抛光单晶硅片，4、光纤插芯，5、单模光纤，6、圆形通孔，7、矩形通槽，8、第一反射面r1，9、第二反射面r2，10、第三反射面r3，11、双面抛光单晶硅晶圆片，12、pyrex玻璃晶圆片，13、单面抛光单晶硅晶圆片，14、圆形通孔阵列，15、矩形通槽阵列，16、sld光源，17、环形器，18、光纤法珀气体折射率和温度传感器，19、光谱仪，20、计算机，21、空气压力舱，22、恒温箱，23、压力控制仪，24、真空泵，25、空气压缩机，26、气管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

实施例1：一种光纤法珀气体折射率和温度传感器的具体实施方式

如图1所示，该光纤法珀气体折射率和温度传感器由光纤插芯4、单模光纤5和传感头芯片构成。传感头芯片由三层结构构成，第一层为双面抛光的单晶硅片1，第二层为pyrex玻璃片2，第三层为单面抛光的单晶硅片3。

如图2所示为光纤法珀气体折射率和温度传感器中传感头芯片的批量制作的一部分示意图。在厚度为480μm～520μm的4英寸pyrex玻璃晶圆片12上采用喷砂的方法加工出圆形通孔阵列14，圆形通孔直径在1000μm～2000μm之间，圆形通孔的深度贯穿整个pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通孔之间的间距为2500μm；在pyrex玻璃晶圆片12的表面采用喷砂的方法加工矩形沟槽阵列15，矩形沟槽宽度为150～200μm，矩形沟槽深度贯穿整个pyrex玻璃晶圆片12，阵列中相邻两个通槽之间的间距同样为2500μm，并且每一个矩形沟槽的中线都与一列圆形通孔的中线对齐；将厚度为290μm～310μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片11清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片11与pyrex玻璃晶圆片12的下表面；将厚度为100μm～200μm的单面抛光的4英寸单晶硅晶圆片13清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，在350℃下键合单晶硅晶圆片13的抛光面pyrex玻璃晶圆片12的上表面，至此形成三层整体结构；使用划片机将4英寸传感头芯片阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是正方形，边长是2500μm的单个传感头单元。采用这种制作方法，可以实现批量生产，节约成本的同时，还可以保证每个传感头芯片的结构参数相同。

光纤插芯4采用pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔。将传感头芯片的第二层pyrex玻璃片2中圆形通孔6与光纤插芯4通孔对中，单模光纤5从光纤插芯4后端插入，顶紧到第一层单晶硅片1的下表面。并用环氧树脂胶将光纤插芯4与传感头芯片以及单模光纤5粘接在一起，完成传感器的制作。

第一层单晶硅片1的下表面和上表面分别构成第一个法珀腔fp1的两个反射面(即第一反射面8和第二反射面9，腔长为单晶硅片1的厚度l1；第一层单晶硅片1的上表面r29和第三层单晶硅片3的下表面r310分别构成第二个法珀腔fp2的两个反射面，腔长为pyrex玻璃片2的厚度l2；法珀腔fp1作为温度敏感元件，利用硅的热光效应和热膨胀效应，在不同的温度环境中，第一层单晶硅片1的折射率nsi和厚度即腔长l1均发生变化，从而改变法珀腔fp1的干涉相位其中λ是输入光的波长，实现温度测量转化为光程差测量，fp1的光程差表示为其中αsi是硅的热膨胀系数，是硅的热光系数，dt是温度变化量；法珀腔fp2作为气体折射率敏感元件，待测气体通过通槽7进入圆形通孔6中，在不同的气体环境中，气体折射率ngas即法珀腔fp2的折射率发生变化，从而改变法珀腔fp2的干涉相位，实现气体折射率测量转化为光程差测量。此外，温度变化时，第二层pyrex玻璃片2的厚度即腔长l2也发生变化，同样影响法珀腔fp2的干涉相位fp2的光程差可以表示为δfp2＝2ngasl2(1+αg·dt)，其中αg是pyrex玻璃的热膨胀系数。所以从传感器的反射光谱中分别提取出两个法珀腔的干涉光谱，并分别解调出两个法珀腔的光程差，可以实现气体折射率和温度的同时测量。

实施例2：光纤法珀气体折射率和温度传感器测量方法的具体实施方式

如图3所示，测量系统包括sld光源16、环形器17、光纤法珀气体折射率和温度传感器(18)、光谱仪19、计算机20、空气压力舱21、恒温箱22、压力控制系统。其中，所述光纤法珀气体折射率和温度传感器18置于空气压力舱21内，并将空气压力舱21密封；所述空气压力舱21置于恒温箱22内，恒温箱(22)控制压力舱里的温度扫描变化；所述空气压力舱21中的压力通过压力控制系统控制压力的变化，使得舱内压力进行变化扫描，所述压力控制系统由压力控制仪23、真空泵24和空气压缩机25构成，所述压力控制系统和所述空气压力舱21之间、以及所述压力控制系统的各部件之间通过气管26联接；sld光源16发出的光经过环形器17进入传感器18，传感器18三个反射面反射的光形成干涉，反射信号经过环形器17被光谱仪19接收，计算机20与光谱仪19连接，记录反射回的干涉光谱信号并进行计算处理。干涉光谱信号的总光强可以表示为

其中，i1,i2和i3是三束反射光的光强，反射光谱是具有三种不同光谱频率成分的余弦函数的线性叠加，分别对应三个法珀腔fp1、fp2和fp1+fp2，采集到的干涉光谱如图4所示。经过傅里叶变换后的频率谱如图5所示，可以明显看到三个频率分量从左到右分别对应空气腔fp2、硅腔fp1、组合长腔fp1+fp2。求出法珀腔的粗略光程差δ＝2k/nδv，其中n是傅里叶变换的采样点数，k是对应法珀腔频率分量峰值的横坐标，δv＝δλ/λ²是傅里叶变换的采样间隔；构造理想带通滤波器，分离出法珀腔fp1和fp2各自的干涉光谱。根据m＝δ/λm计算一个特定干涉波峰λm的干涉级次m，将m取整后，记为m’，求出精确光程差δ'＝m'λm；

第1步，在常压下，进行传感器法珀腔fp1温度标定试验：设定恒温箱(22)温度从10℃变化到60℃，间隔5℃进行扫描，采集每个温度下的干涉光谱信号，提取出珀腔fp1干涉光谱的漂移如图6(a)所示，随着温度的增加，干涉光谱逐渐向波长变长的方向移动。解调出对应法珀腔fp1的干涉光程差δfp1，如图7所示。对温度t和光程差δfp1＝113.309t+2174852.367进行线性拟合，得到拟合公式

δfp1＝113.309t+2174852.367，由此得到温度计算公式

t＝(δfp1-2174852.367)/113.309(2)

第2步，进行传感器法珀腔fp2温度、折射率标定试验，利用压力变化引起的空气折射率变化进行标定：空气折射率ngas与空气压力p关系的表达式为压力单位为pa，温度单位为℃，在一固定温度下，气体折射率与气体压强成线性关系变化。分别在温度10℃、20℃、30℃和40℃下，对空气压力舱(21)内压力p进行扫描，p从10kpa变化至280kpa，间隔10kpa，采集每个测量点下的干涉光谱信号，提取出珀腔fp2干涉光谱的漂移如图6(b)所示，随着压力的增加，干涉光谱逐渐向波长变长的方向移动。解调出对应法珀腔fp2的干涉光程差δfp2，如图8所示。分别对每个温度下的压力p和光程差进行线性拟合，得到10℃、20℃、30℃和40℃下的拟合公式δfp2＝2.77631p+1011669.954、δfp2＝2.68097p+1011704.161、δfp2＝2.59060p+1011740.911和δfp2＝2.50878p+1011776.690；

第3步，对第2步中得到的四个拟合公式中的四个截距和与对应温度t1＝10℃、t2＝20℃、t3＝30℃和t4＝40℃进行线性拟合，如图9所示，得到拟合公式

kt＝3.56957t+1011633.690(3)

第4步，将传感器置于待测气体折射率、温度环境中，采集此时的干涉光谱信号，分别解调出法珀腔fp1和法珀腔fp2相应的干涉光程差δfp1和δfp2，根据公式(2)能够计算出待测温度t；将计算出的温度t代入到公式(3)中算出kt，待测折射率可以表示为

ngas＝δfp2/kt(4)

综上，根据公式(2)、(3)、(4)能够实现温度、气体折射率的同时测量，且实现了温度补偿。