物理学报 Acta Physica Sinica c Chinese Physical Society @Institute of Physics,CAS 光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展 李自亮廖常锐刘申王义平 Research progress of in-fiber Fabry-Perot interferometric temperature and pressure sensors Li Zi-Liang Liao Chang-Rui Liu Shen Wang Yi-Ping 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica,66,070708(2017)DO:10.7498/aps66.070708 在线阅读Viewonlinehttp:/dx.doi.org/10.7498/aps.66.070708 当期内容Viewtableofcontents:http://wulixb.iphy.ac.cn/cNY2017NV667 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究 Phase shift chirped fiber Bragg grating based distributed strain and position sensing 物理学报2017,66(7:070702http:/dx.doi.org/10.7498/aps.66.070702 基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术 Optical fiber sensing technologies based on femtosecond laser micromachining and sensitive films 物理学报2017,66(7):070703http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070703 单模光纤中用声波导布里渊散射同时测量温度和应变 Simultaneous measurement on strain and temperature via guided acoustic-wave Brillouin scattering in single mode fibers 物理学报2016,65(24):240702http://dx.doi.org/10.7498/aps65240702 基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究 Theoretical research on quartz enhanced photoacoustic spectroscopy base on the resonance in an ellip tical cavity 物理学报2016,65(19:190701http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.19070 种采用双换能器和摆式结构的宽频振动能量采集器 A broadband vibration energy harvester using double transducers and pendulum-type structures 物理学报2016,65(13):130701http://dx.doi.org/10.7498/aps65.130701
光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展 李自亮 廖常锐 刘申 王义平 Research progress of in-fiber Fabry-Perot interferometric temperature and pressure sensors Li Zi-Liang Liao Chang-Rui Liu Shen Wang Yi-Ping 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 66, 070708 (2017) DOI: 10.7498/aps.66.070708 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070708 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2017/V66/I7 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究 Phase shift chirped fiber Bragg grating based distributed strain and position sensing 物理学报.2017, 66(7): 070702 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070702 基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术 Optical fiber sensing technologies based on femtosecond laser micromachining and sensitive films 物理学报.2017, 66(7): 070703 http://dx.doi.org/10.7498/aps.66.070703 单模光纤中用声波导布里渊散射同时测量温度和应变 Simultaneous measurement on strain and temperature via guided acoustic-wave Brillouin scattering in single mode fibers 物理学报.2016, 65(24): 240702 http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.240702 基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究 Theoretical research on quartz enhanced photoacoustic spectroscopy base on the resonance in an elliptical cavity 物理学报.2016, 65(19): 190701 http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.190701 一种采用双换能器和摆式结构的宽频振动能量采集器 A broadband vibration energy harvester using double transducers and pendulum-type structures 物理学报.2016, 65(13): 130701 http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.130701
物理学报 Acta Phys.sin.Vol.66.No.7(2017)070708 专题:光纤传感 光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展* 李自亮廖常锐刘申王义平 (深圳大学光电工程学院,光电子器件与系统教育部重点实验室,深圳518060) (2017年1月19日收到;2017年2月24日收到修改稿) 光纤法布里-珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强 等优点,已被广泛应用于军事和民用领域。在某些环境恶劣,如具有强电磁干扰和腐蚀性,或提供给传感器的 安装空间非常有限的特殊工业领域,微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用,国内外诸多高校、科研院 所都在对其进行硏究.本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用 的研究进展.详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见 光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗干涉仪 在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行 了总结和展望 关键词:光纤传感器,法布里-珀罗干涉仪,温度传感器,压力传感器 PACs:0707Df,87.85fk,88.10.gk,42.81Pa DOI:10.7498/aps.66.070708 自从1988年Lee和 Taylor10首次成功制备了 本征型法布里-珀罗干涉( (intrinsic Fabry- Perot in- erferometric,IFPI)光纤传感器和1991年 Murphy 光纤传感技术的发展始于20世纪70年代,是等首次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉 光电技术发展最活跃的分支之一1-3.近十余年,( extrinsic Fabry-Perot interferometric,EFP1)光纤 随着半导体光电技术、光纤通信技术以及计算机技传感器以来,光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为 术等相关技术的进步,光纤传感技术迅速发展.光光纤传感器家族中的重要成员.目前,常见的FP 纤传感器具备独特的优势,比如抗电磁场干扰、绝腔光纤温度和压力传感器的制备方法包括:湿法 缘性高、灵敏度好等诸多优点.典型的传感器件包化学腐蚀制备法2-1、电弧放电制备法6-18,飞 括光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤秒激光制备法19-2、聚合物辅助制备法2-2等 压力传感器及光纤温度传感器,适于在医疗、航空2005年, Donlagic和 Cibula2提出了基于膜片设 航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用-η.计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构 比如,在医学领域,利用光纤压力传感器在手术过利用氢氟酸腐蚀膜片,使膜片尽可能薄,并通过压 程中对动脉和静脉的血压、颅内压、心内压等的实力容器装置进行实时监测,以便得到设计的灵敏 时监测.其中光纤压力传感器已经产品化,比如度.2011年,Ma等利用电弧放电的方式在光 美国强生 Codman有创颅内压监测仪以及加拿大纤端面制作出微米厚度的空气腔制作完成的压力 FISO光纤压力传感器公司等 传感器的压力灵敏度高达约315mp/MPa,具有较 *国家自然科学基金(批准号:61635007,61425007,61377090,61575128)、广东省自然科学基金(批准号:2014A030308007, 2014B050504010,2015B010105007,2015A030313541)、深圳市科技创新委员会项目(批准号:GJHZ2015031309375575 JCYJ20160520163134575,JCYJ20160427104925452)和珠江学者项目资助的课题 t通信作者.E-mail:ypwang(@szu.edu.cn ◎2017中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulicb.iphy.ac.cn
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 专题: 光纤传感 光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感技术研究进展∗ 李自亮 廖常锐 刘申 王义平† (深圳大学光电工程学院, 光电子器件与系统教育部重点实验室, 深圳 518060) ( 2017 年 1 月 19 日收到; 2017 年 2 月 24 日收到修改稿 ) 光纤法布里 -珀罗干涉温度和压力传感器具有灵敏度高、制作简单、成本低、体积小和抗电磁干扰能力强 等优点, 已被广泛应用于军事和民用领域. 在某些环境恶劣, 如具有强电磁干扰和腐蚀性, 或提供给传感器的 安装空间非常有限的特殊工业领域, 微型光纤温度和压力传感器发挥着重要的作用, 国内外诸多高校、科研院 所都在对其进行研究. 本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原理、制备技术、及其压力和温度传感应用 的研究进展. 详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见 光纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺, 分析了不同制作工艺的优缺点; 详细介绍了光纤法布里 -珀罗干涉仪 在温度传感、压力传感和温压一体传感领域的应用; 最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传感器的发展进行 了总结和展望. 关键词: 光纤传感器, 法布里-珀罗干涉仪, 温度传感器, 压力传感器 PACS: 07.07.Df, 87.85.fk, 88.10.gk, 42.81.Pa DOI: 10.7498/aps.66.070708 1 引 言 光纤传感技术的发展始于20世纪70年代, 是 光电技术发展最活跃的分支之一[1−3] . 近十余年, 随着半导体光电技术、光纤通信技术以及计算机技 术等相关技术的进步, 光纤传感技术迅速发展. 光 纤传感器具备独特的优势, 比如抗电磁场干扰、绝 缘性高、灵敏度好等诸多优点. 典型的传感器件包 括光纤陀螺仪、光纤水听器、光纤电流传感器、光纤 压力传感器及光纤温度传感器, 适于在医疗、航空 航天、桥梁建筑、高温油井和国防等领域应用[4−7] . 比如, 在医学领域, 利用光纤压力传感器在手术过 程中对动脉和静脉的血压、颅内压、心内压等的实 时监测. [4] . 其中光纤压力传感器已经产品化, 比如 美国强生Codman有创颅内压监测仪以及加拿大 FISO 光纤压力传感器公司等[8,9] . 自从1988年Lee和Taylor[10] 首次成功制备了 本征型法布里-珀罗干涉 (intrinsic Fabry-Perot interferometric, IFPI)光纤传感器和1991年Murphy 等 [11] 首次成功制备了非本征型法布里-珀罗干涉 (extrinsic Fabry-Perot interferometric, EFPI)光纤 传感器以来, 光纤法布里-珀罗型传感器逐渐成为 光纤传感器家族中的重要成员. 目前, 常见的F-P 腔光纤温度和压力传感器的制备方法包括: 湿法 化学腐蚀制备法[12−15]、电弧放电制备法[16−18] , 飞 秒激光制备法 [19−21]、聚合物辅助制备法 [22−24] 等. 2005年, Donlagic和Cibula [12] 提出了基于膜片设 计的全光纤法布里-珀罗(F-P)腔压力传感器结构, 利用氢氟酸腐蚀膜片, 使膜片尽可能薄, 并通过压 力容器装置进行实时监测, 以便得到设计的灵敏 度. 2011 年, Ma等 [16] 利用电弧放电的方式在光 纤端面制作出微米厚度的空气腔制作完成的压力 传感器的压力灵敏度高达约315 mp/MPa, 具有较 ∗ 国家自然科学基金 (批准号: 61635007, 61425007, 61377090, 61575128)、广东省自然科学基金 (批准号: 2014A030308007, 2014B050504010, 2015B010105007, 2015A030313541)、 深圳市科技创新委员会项目 (批准号: GJHZ2015031309375575, JCYJ20160520163134575, JCYJ20160427104925452) 和珠江学者项目资助的课题. † 通信作者. E-mail: ypwang@szu.edu.cn © 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 070708-1
物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 好的高温(00°C)稳定性.2007年,Wei等利同理,透射光强为 用飞秒激光制备了微型法布里-珀罗干涉仪( Imicro t= Ete (5) Fabry Perot interferometer,MFPI),其测试温度高 达1100°C.此外,H等叫利用SU-8复合材料研且反射光强、透射光强满足 制的压力传感器在微电子机械系统( micro electro Ir+It=1 mechanical systems,MEMS)中得到了广泛应用 本文综述了光纤法布里珀罗干涉仪的基本原4)式和(5)式就是干涉强度分布公式,即艾里公式 理、制备技术及其压力和温度传感应用的研究进展 详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备 法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光 纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺,分析了不同 制作工艺的优缺点;详细介绍了光纤法布里-珀罗 干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域 的应用;最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传 图1多光束干涉原理图 感器的发展进行了总结和展望 Fig. 1. Multi-beam interference principle 2光纤F-P干涉原理 .1光纤F-P压力传感器干涉原理 光纤F-P干涉传感器是基于多光束干涉而成 种典型的光纤FP腔压力传感器的基本结 构如图2所示,将两根光纤的端面作为反射面,使 的传感机理.随着18世纪末多光束干涉仪的发明 两光纤端面严格平行、同轴,与中空光纤形成一个 而发展,从一开始研究体积较大的F-P干涉仪,到 腔长为l的密封光纤F-P腔.当传感探头受到外界 20世纪80年代左右出现了体积较小的FP干涉仪 从此FP干涉仪被逐步地应用于各种传感领域,也均匀分布的压力时,其腔体轴向变形表达式为 △Pr2 出现了各种结构的FP腔传感器2 (7) 束光以一定角度入射至一对平行板中,会发 生多次反射和折射,这些相同频率的光会发生干式中:△P为腔体内外压强差;1是腔体长度;r1,r 涉,形成多光束干涉.干涉过程如图1所示,光从折分别为腔体内外半径;E为腔体材料的杨氏模量;μ 射率为n的物质中,以角度为61的入射角进入距为泊松比.当腔体长度l一定时,其变形量与所受 离为d中间物质折射率为n的平行板中,光在板内的压强成正比,而腔体长度的变化影响到光纤内入 的折射角为62,在板内经过多次反射和折射,其中射光与反射光的光程差,利用光电探测器等即可实 任意两束光程差相同的同频光会发生干涉.相现对光信号的解调,最终实现对压力的传感 邻两束光的光程差为 Hollow-core tube Adhere A=2nd cos e 对应的相位差为 d2744 在理想情况下,平行板对光无吸收,即透射光T和 Fiber 反射光R满足 Fiber 图2光纤F-P腔压力传感器结构示意图 R+T=1 Fig. 2. Schematic diagram of fiber F-P cavity pressure 这时,反射光强为 Fsin2(6/2) 另一种光纤FP腔压力传感器的基本结构如 1+Fsin2(6/2) (4)图3所示,由于二氧化硅/空气界面的反射率低 070708-2
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 好的高温(600 ◦C)稳定性. 2007 年, Wei等[20] 利 用飞秒激光制备了微型法布里-珀罗干涉仪(micro Fabry Perot interferometer, MFPI), 其测试温度高 达1100 ◦C. 此外, Hill等 [22] 利用SU-8复合材料研 制的压力传感器在微电子机械系统(micro electro mechanical systems, MEMS)中得到了广泛应用. 本文综述了光纤法布里-珀罗干涉仪的基本原 理、制备技术及其压力和温度传感应用的研究进展; 详细介绍了湿法化学腐蚀制备法、电弧放电制备 法、飞秒激光制备法、聚合物辅助制备法等常见光 纤法布里-珀罗腔传感器的制作工艺, 分析了不同 制作工艺的优缺点; 详细介绍了光纤法布里-珀罗 干涉仪在温度传感、压力传感和温压一体传感领域 的应用; 最后对光纤法布里-珀罗干涉温度压力传 感器的发展进行了总结和展望. 2 光纤F-P干涉原理 光纤F-P干涉传感器是基于多光束干涉而成 的传感机理. 随着18世纪末多光束干涉仪的发明 而发展, 从一开始研究体积较大的F-P干涉仪, 到 20世纪80年代左右出现了体积较小的F-P干涉仪, 从此F-P干涉仪被逐步地应用于各种传感领域, 也 出现了各种结构的F-P腔传感器 [25] . 一束光以一定角度入射至一对平行板中, 会发 生多次反射和折射, 这些相同频率的光会发生干 涉, 形成多光束干涉. 干涉过程如图 1所示, 光从折 射率为n0 的物质中, 以角度为θ1 的入射角进入距 离为d、中间物质折射率为n的平行板中, 光在板内 的折射角为θ2, 在板内经过多次反射和折射, 其中 任意两束光程差相同的同频光会发生干涉 [26] . 相 邻两束光的光程差为 ∆ = 2nd cos θ2, (1) 对应的相位差为 δ = 2π∆ λ = 4π λ nd cos θ2. (2) 在理想情况下, 平行板对光无吸收, 即透射光T 和 反射光R满足 R + T = 1. (3) 这时, 反射光强为 Ir = Fsin2 (δ/2) 1 + Fsin2 (δ/2) Ii ; (4) 同理, 透射光强为 It = EtE ∗ t = 1 1 + Fsin2 (δ/2) ; (5) 且反射光强、透射光强满足 Ir + It = 1. (6) (4)式和(5)式就是干涉强度分布公式, 即艾里公式. n θ θ n n d B D ϕ ϕ ϕ 图 1 多光束干涉原理图 Fig. 1. Multi-beam interference principle. 2.1 光纤F-P压力传感器干涉原理 一种典型的光纤F-P腔压力传感器的基本结 构如图 2 所示, 将两根光纤的端面作为反射面, 使 两光纤端面严格平行、同轴, 与中空光纤形成一个 腔长为l 的密封光纤F-P腔. 当传感探头受到外界 均匀分布的压力时, 其腔体轴向变形表达式为 ∆l = ∆Plr2 o E ( r 1 o − r 2 i )(1 − 2µ), (7) 式中: ∆P 为腔体内外压强差; l 是腔体长度; ri , ro 分别为腔体内外半径; E 为腔体材料的杨氏模量; µ 为泊松比. 当腔体长度l 一定时, 其变形量与所受 的压强成正比, 而腔体长度的变化影响到光纤内入 射光与反射光的光程差, 利用光电探测器等即可实 现对光信号的解调, 最终实现对压力的传感. Fiber Fiber Hollow-core tube Adhere t l 图 2 光纤 F-P 腔压力传感器结构示意图 Fig. 2. Schematic diagram of fiber F-P cavity pressure sensor. 另一种光纤F-P腔压力传感器的基本结构如 图 3所示, 由于二氧化硅/空气界面的反射率低 070708-2
物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 (<35%),高阶FP干涉可以忽略不计1.则输出纤温度传感器的轴向应变X2=△L/L,则有 的光强度可以表示为 △L/L=kL 将两根端面镀膜的多模光纤插入到空芯光纤 E1-E2 中,形成F-P干涉腔.其中入射光纤用胶固定,调 节反射光纤直到有合适的腔长值后,用胶固定.从 4T A(nsilicat + naird) 入射光纤进入的光经过端面M2后一部分透射, 部分反射形成第1束反射光;透射光经F-P腔射到 E2+E+E2-2E1 E2 cos 反射光纤的端面M2上,被M1反射.光再经M2返 回到入射光纤,与第1束反射光形成干涉光.由于 2E2 E3 cos(silica FP干涉仪的腔长与温度载荷有一定关系,当温度 +2E1E3 cos(nsilicat + naird) 发生变化时,使F-P腔长发生改变,从而改变输出 光的强度,利用光电探测器即可实现对光信号的解 ≈B+E2+B3 调,从而实现对温度的传感 2(E1 E2-El E3)cos 空芯光纤 传感器长度L -2E2 E3 cos(nsilicat(if t>0),(8) 式中,E1,E2,和E3是三束反射波的振幅;d表示腔 长;t是薄膜厚度;λ是光波长;na和 silica分别是 反射光纤 入射光纤 空气和SO2的折射率 图4光纤F-P温度传感器 Fig. 4. F-P fiber temperature sensor. Cladding Bubbl 3光纤F-P腔传感器制备技术 Cladding 国内外诸多科研机构对光纤F-P腔温度和压 力传感器进行了广泛的研究,形成了多种多样的制 II IIE 备方法.基于制备方法、传感器材料的不同,也已经 图3光纤FPI空气腔示意图口7 研制出多种类型的光纤F-P腔温度和压力传感器 Fig.3.Schematic diagram of the fiber-tip FPI[I7 不同的制备方法各有优势,且通过不同制备方法得 到的光纤FP腔传感器的光学特性也各不相同,以 22光纤F-P温度传感器干涉原理 下对常见的光纤F-P腔传感器的制备方法进行简 燕山大学毕卫红教授所设计的FP光纤温度单描述 传感器的基本结构如图4所示27.光纤温度传感 是依据把被测的温度转换为光纤F-P干涉长度L 1湿法化学腐蚀制备法 的变化来测量分析的原理进行设计的根据应力应 湿法化学腐蚀是出现较早也是较常见的光纤 变与温度的关系,对于直角笛卡尔坐标(x,y,2)由FP腔传感器的制备方法,它是使用液态腐蚀剂有 被测物体的温度变化引起的应变分量为2 目的性的移除材料,SiO2的湿法化学腐蚀几乎都 X=kT (9) 用添加或不加氟化氨(NH4F)的含水氢氟酸来腐 蚀0.31.湿法化学腐蚀在光纤传感主要是用于光 (10) 纤F-P压力传感器硅膜片的制备.湿法化学腐蚀工 式中,k为物体的热膨胀系数;x(,j=x,,2)表序需要考虑有效的腐蚀剂、腐蚀选择性、腐蚀速率 示被测物体在i,j方向上的应变分量.若只考虑光等影响因素 070708-3
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 (< 3.5%), 高阶F-P干涉可以忽略不计 [17] . 则输出 的光强度可以表示为 I = |E| 2 = E1 − E2 exp ( 4π λ naird ) + E3 exp [ 4π λ (nsilicat + naird) ] = E 2 1 + E 2 2 + E 2 3 − 2E1E2 cos ( 4π λ naird ) − 2E2E3 cos ( 4π λ nsilicad ) + 2E1E3 cos [ 4π λ (nsilicat + naird) ]2 ≈ E 2 1 + E 2 2 + E 2 3 − 2(E1E2 − E1E3) cos ( 4π λ naird ) − 2E2E3 cos ( 4π λ nsilicat ) (if t → 0), (8) 式中, E1, E2, 和E3 是三束反射波的振幅; d表示腔 长; t是薄膜厚度; λ 是光波长; nair 和nsilica 分别是 空气和SiO2 的折射率. d t 图 3 光纤 FPI 空气腔示意图 [17] Fig. 3. Schematic diagram of the fiber-tip FPI[17] . 2.2 光纤F-P温度传感器干涉原理 燕山大学毕卫红教授所设计的F-P光纤温度 传感器的基本结构如图 4所示 [27] . 光纤温度传感 是依据把被测的温度转换为光纤F-P干涉长度L 的变化来测量分析的原理进行设计的. 根据应力应 变与温度的关系, 对于直角笛卡尔坐标(x, y, z)由 被测物体的温度变化引起的应变分量为[28] Xxx = Xyy = Xzz = kT, (9) Xxy = Xyz = Xzx = 0, (10) 式中, k 为物体的热膨胀系数; Xij (i, j = x, y, z)表 示被测物体在i, j 方向上的应变分量. 若只考虑光 纤温度传感器的轴向应变Xzz = ∆L/L [29] , 则有 ∆L/L = kL. (11) 将两根端面镀膜的多模光纤插入到空芯光纤 中, 形成F-P干涉腔. 其中入射光纤用胶固定, 调 节反射光纤直到有合适的腔长值后, 用胶固定. 从 入射光纤进入的光经过端面M2后一部分透射, 一 部分反射形成第1束反射光; 透射光经F-P腔射到 反射光纤的端面M2上, 被M1反射. 光再经M2返 回到入射光纤, 与第1束反射光形成干涉光. 由于 F-P干涉仪的腔长与温度载荷有一定关系, 当温度 发生变化时, 使F-P腔长发生改变, 从而改变输出 光的强度, 利用光电探测器即可实现对光信号的解 调, 从而实现对温度的传感. Ԧ࠱Аጜ К࠱Аጜ ቇᔇАጜ M1 M2 L↼c↽ ͜ਖ٨᫂ए L 图 4 光纤 F-P 温度传感器 Fig. 4. F-P fiber temperature sensor. 3 光纤 F-P腔传感器制备技术 国内外诸多科研机构对光纤F-P腔温度和压 力传感器进行了广泛的研究, 形成了多种多样的制 备方法. 基于制备方法、传感器材料的不同, 也已经 研制出多种类型的光纤F-P腔温度和压力传感器. 不同的制备方法各有优势, 且通过不同制备方法得 到的光纤F-P腔传感器的光学特性也各不相同, 以 下对常见的光纤F-P腔传感器的制备方法进行简 单描述. 3.1 湿法化学腐蚀制备法 湿法化学腐蚀是出现较早也是较常见的光纤 F-P腔传感器的制备方法, 它是使用液态腐蚀剂有 目的性的移除材料, SiO2 的湿法化学腐蚀几乎都 用添加或不加氟化氨(NH4F)的含水氢氟酸来腐 蚀 [30,31] . 湿法化学腐蚀在光纤传感主要是用于光 纤F-P压力传感器硅膜片的制备. 湿法化学腐蚀工 序需要考虑有效的腐蚀剂、腐蚀选择性、腐蚀速率 等影响因素. 070708-3
物理学报 Acta Phys.Sin.Vol.66,No.7(2017)07070 入金属套,分别用3,0.5μm砂纸对膜片进行研磨, Air cavity 直至膜片厚度为3—5μm.最后再利用氢氟酸腐蚀 SiOg diaphragm 膜片,使膜片尽可能薄.在进行膜片刻蚀时使用如 图5二氧化硅膜片压力传感器12 图7所示的压力容器装置进行实时监测,以便得到 Fig.5. Pressure sensor with a SiO2 diaphragm (2) 设计的灵敏度.腔内刻蚀控制和打磨SiO2膜片的 控制是此类传感器制作的难点 2005年, Donlagic和 Cibula2提出了基于膜 片设计的全光纤FP腔压力传感器,其结构如 2006年,Zh等1提出了一种高温压力传感 图5所示.它的工作机理是采用对压力敏感的 器,其制备流程如图7所示.熔接纤芯直径为 SiO2膜片作为光学反射平面,当膜片随着压力的变 625m的渐变折射率光纤(纤芯掺Ge包层不掺 化产生位移时,F-P腔腔长也相应地随之发生变化 杂)和纤芯直径为105m的阶跃折射率光纤(纤芯 不掺杂包层掺F).然后切割纤芯直径为105m的 (a)SMF MMF (b)SMF Cavity blade 阶跃折射率光纤,切割完成后与另一单模光纤熔 接,再切割纤芯直径为625um的渐变折射率光纤 然后利用氢氟酸腐蚀,待渐变折射率光纤的纤芯腐 Scribing (d) Connector ferrule 蚀完全后,与如图8(a)所示步骤制备好的样品熔 SMF blade 接,然后重复图8(b)的步骤 Interrogation Optical fibe FP cavity Polishing paper 图6压力传感器制备流程口12 Fig. 6. Fabrication proced the pressure sensor [21 这种压力传感器制备流程如图6所示.将外径 相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起,然后切 response 割多模光纤至40μm,对多模光纤的另一个端面进 行刻蚀,刻蚀完成后,与另一单模光纤熔接.熔接 后,先利用比长仪切割单模光纤,使其厚度不大于 7膜片厚度控制系统口12 20m:完成传感器主体部分的加工后,将光纤插 Fig.7. System for tuning pressure sensors (2) 105125 625125 105125625/125 Splice Cleave (b) Etch Cleave 图8高温压力传感器的制备流程口1习 Fig.8. Fabrication procedure for the high temperature pressure sensor L 0707084
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 7 (2017) 070708 Air cavity SiO2 diaphragm 图 5 二氧化硅膜片压力传感器 [12] Fig. 5. Pressure sensor with a SiO2 diaphragm [12] . 2005年, Donlagic和Cibula [12] 提出了基于膜 片设计的全光纤F-P腔压力传感器, 其结构如 图5 所示. 它的工作机理是采用对压力敏感的 SiO2 膜片作为光学反射平面, 当膜片随着压力的变 化产生位移时, F-P腔腔长也相应地随之发生变化. (a) (b) (c) (d) 图 6 压力传感器制备流程 [12] Fig. 6. Fabrication procedure for the pressure sensor [12] . 这种压力传感器制备流程如图 6所示. 将外径 相同的单模光纤和多模光纤熔接在一起, 然后切 割多模光纤至40 µm, 对多模光纤的另一个端面进 行刻蚀, 刻蚀完成后, 与另一单模光纤熔接. 熔接 后, 先利用比长仪切割单模光纤, 使其厚度不大于 20 µm; 完成传感器主体部分的加工后, 将光纤插 入金属套, 分别用3, 0.5 µm 砂纸对膜片进行研磨, 直至膜片厚度为3—5 µm. 最后再利用氢氟酸腐蚀 膜片, 使膜片尽可能薄. 在进行膜片刻蚀时使用如 图 7 所示的压力容器装置进行实时监测, 以便得到 设计的灵敏度. 腔内刻蚀控制和打磨SiO2 膜片的 控制是此类传感器制作的难点. 2006年, Zhu等[13] 提出了一种高温压力传感 器, 其制备流程如图 7所示. 熔接纤芯直径为 62.5 µm的渐变折射率光纤(纤芯掺Ge包层不掺 杂)和纤芯直径为105 µm的阶跃折射率光纤(纤芯 不掺杂包层掺F). 然后切割纤芯直径为105 µm的 阶跃折射率光纤, 切割完成后与另一单模光纤熔 接, 再切割纤芯直径为62.5 µm的渐变折射率光纤, 然后利用氢氟酸腐蚀, 待渐变折射率光纤的纤芯腐 蚀完全后, 与如图 8 (a)所示步骤制备好的样品熔 接, 然后重复图 8 (b)的步骤. Sensor response Interrogation system Optical fiber Pressure vessel Pressure in the vessel Air PC pump Phase t t o ρmax NH4F+HF 图 7 膜片厚度控制系统 [12] Fig. 7. System for tuning pressure sensors [12] . (a) (b) (c) 图 8 高温压力传感器的制备流程 [13] Fig. 8. Fabrication procedure for the high temperature pressure sensor [13] . 070708-4