光纤法珀温度传感器制造技术

本发明专利技术提出的一种光纤法珀温度传感器，包括温度受感芯体7、光纤插芯8、多模光纤9。多模光纤插入并固定在光纤插芯孔内，光纤端面与光纤插芯端面平齐；温度受感芯体装配在光纤插芯端面连接在一起，温度受感芯体7制有通过硅片3分隔，封装有一定气体的温度腔和真空的法珀腔4，硅片3两侧的气压差等于温度腔2内的气体压力P，法珀腔4腔长y与温度腔2内气体压力P成正比；当温度腔内气体受温度影响发生热胀冷缩时，气体状态随温度变化，改变硅片两侧的气压差，硅片发生形变，将温度腔2内的气体气压温度值转换为法珀腔4可直接测量的法珀腔腔长值，通过法珀干涉原理检测出硅片的形变量实现温度检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一种光纤法珀温度传感器，具体涉及一种基于光纤法布里-珀罗(Fabry-berot)干涉原理的光纤法珀温度传感器，特别是与法珀压力传感器白光干涉解算技术兼容、制造工艺和方法相近的光纤法珀温度传感器。
技术介绍
温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。但真正把温度变成电信号的传感器是由德国物理学家赛贝专利技术的，就是后来的热电偶传感器。本世纪相继开发了包含半导体热电偶传感器在内的多种温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。自20世纪70年代光纤问世以来，光纤在传感
中的应用也日益受到广泛重视，随着科学技术的发展，涌现了许许多多的光纤温度传感器。光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的强度、波长、频率、相位等的光学性质发生变化，称为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤温度传感器种类很多，但概括起来按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤相位、偏振、强度等的各种特性随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有传、感合一的特点，但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用,以避开测温区域复杂的环境。对待测对象的调制功能是靠其它物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题，增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰比较敏感。光纤法珀腔的传感器可以检测温度、应变、压力、声音、气体浓度等诸多物理量和化学量,并且广泛应用于大坝、桥梁、大型机械的安全监测。在现有报道的光纤法珀温度传感器中，采用的技术方案为：采用外径大于125nm的玻璃毛细管封装，由2个光纤的端面构成光纤法珀腔并采用胶封的方式固定于温度敏感材料中，该传感器采用不锈钢毛细金属管代替传统的空心光纤对光纤法珀腔进行封装,毛细金属管在作为法珀腔腔体的同时也是温度敏感元件。该传感器采用温度敏感的金属材料作为法珀腔的腔体，利用高精度位移机构将光纤两端插入金属毛细管中形成低精细度的光纤法珀腔。光纤在金属管的两端通过胶粘的方式固定，金属毛细管的长度为该温度传感器的标距。该传感器的核心结构为光纤法珀干涉腔(F-P腔)。当外界温度发生变化时将直接导致金属毛细管的热膨胀，带动插入金属管内的光纤移动，引起光纤法珀腔的腔长变化。光入射到F-P腔后，不断地在F-P腔的2个端面之间进行反射和透射，形成多光束干涉。这种工艺都比较复杂，一致性难以保证，并且胶的老化和蠕变对于传感器的性能影响较大，难以实用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有光纤法珀压力传感器温度补偿技术存在的不足之处，提供一种可显著降低成本，温度测量精度高、寿命长、易集成，便于实现高精度法珀压力传感器系统集成、布线和解算器复用的光纤法珀温度传感器。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到，一种光纤法珀温度传感器，包括温度受感芯体、光纤插芯、多模光纤，其特征在于：多模光纤9插入并固定在光纤插芯孔内，光纤端面与光纤插芯8端面平齐；温度受感芯体7装配在光纤插芯端面并连接在一起，温度受感芯体7制作有通过硅片3分隔的封装有一定气体的温度腔1和真空的法珀腔4，硅片3两侧的气压差等于温度腔1内的气体压力P，法珀腔4腔长y与温度腔1内气体压力P成正比；当温度腔内气体受温度影响发生热胀冷缩时，气体状态随温度变化，改变硅片两侧的气压差，硅片发生形变，将温度腔1内的气体气压温度值转换为法珀腔4可直接测量的法珀腔腔长值，通过法珀干涉原理检测出硅片的形变量实现温度检测。多模光纤9和光纤插芯8通过FC/PC光纤接口制作工艺装配，保证光纤端面与插芯端面平齐。温度受感芯体7和光纤插芯8使用光学胶粘接或通过激光焊接工艺连接在一起；温度受感芯体7由高硼硅玻璃1、硅片3、半反半透膜5和高硼硅玻璃6组成；感温腔2刻蚀在高硼硅玻璃1上，硅片3的材料为单晶硅片，高硼硅玻璃1与硅片3之间通过键合工艺键合在一起，键合时在感温腔2内密封一定气压的气体。高硼硅玻璃6上刻蚀有法珀腔4，在法珀腔4底部镀制半反半透膜5，高硼硅玻璃6与硅片3之间通过真空键合工艺键合在一起，法珀腔4内真空。高硼硅玻璃1厚度需要保证传感器在工作环境压力下不发生可测量形变，以隔绝外界压力对温度腔2体积的影响，保证法珀腔5腔长只与传感器感受的温度有关。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果。本专利技术中，硅片3两侧的气压差等于温度腔1内的气体压力P，法珀腔4腔长y与温度腔1内气体压力P成正比。当温度腔1内气体状态随温度变化，改变硅片3两侧的气压差，硅片3发生形变，从而实现温度与法珀腔4可测量的法珀腔腔长值的转换。本专利技术通过双腔体设计，保证法珀腔腔长只受外界温度影响。本专利技术的光纤法珀温度传感器与光纤法珀压力传感器具有相同的解调原理和加工工艺，通过工艺复用和解算器复用，可显著降低光纤法珀温度传感器的研发和使用成本。本专利技术采用白光干涉原理进行温度解算：向F-P腔发射白光，白光会在F-P腔两个表面发生反射，反射光之间的光程差为F-P腔腔长值的两倍；解算部件采用光程差补偿技术进行光程差扫描，当扫描到干涉条纹亮度最大时即为零光程差补偿值，从而实现F-P腔腔长解算，通过F-P腔腔长值—温度曲线，求解出传感器感受的温度值。本专利技术的光纤法珀温度传感器与光纤法珀压力传感器具有相同的解算原理和实现，可通过解算器复用降低系统成本。本专利技术与光纤法珀压力传感器具有相同的结构和制造工艺，可通过通过MEMS工艺批量化制造。本专利技术的可通过硅片3厚度控制实现不同灵敏度传感器设计。本专利技术基于气体理想状态方程和法珀干涉原理研制的光纤法珀温度传感器，属于接触式测温传感器。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术做详细说明。图1是本专利技术光纤法珀温度传感器的结构示意图。图2是图1温度受感芯体结构示意图。图3是图1SOI结构示意图。图中：1高硼硅玻璃，2温度腔，3硅片，4法珀腔，5半反半透膜，6高硼硅玻璃，7温度受感芯体，8光纤插芯，9多模光纤，10SOI的手持层(Handing层),11SOI的氧化层(SiO2层)，12SOI的设备层（Device层）。具体实施方式参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，光纤法珀温度传感器由温度受感芯体7、光纤插芯8、多模光纤9组成。多模光纤插入并固定在光纤插芯孔内，光纤端面与光纤插芯端面平齐；温度受感芯体装配在光纤插芯端面连接在一起。温度受感芯体7制作有通过硅片3分隔，封装有一定气体的温度腔和真空的法珀腔4，法珀腔4底部设有半反半透膜，硅片3两侧的气压差等于温度腔2内的气体压力P，法珀腔4腔长y与温度腔2内气体压力P成正比；当温度腔内气体受温度影响发生热胀冷缩时，气体状态随温度变化，改变硅片两侧的气压差，硅片发生形变，将温度腔2内的气体气压温度值转换为法珀腔4可直接测量的法珀腔腔长值，通过法珀干涉原理检测出硅片的形变量实现温度检测。温度受感芯体由高硼硅玻璃片1和高硼硅玻璃片6及玻璃片之间的硅片3三层结构组成，玻璃片与硅片3通过MEMS键合工艺键合在一起。硅片3通过在上层高硼硅玻璃片1和下层高硼硅玻璃片6之间中空腔体，将中空腔体分隔为密封的温度腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤法珀温度传感器，包括温度受感芯体（7）、光纤插芯（8）、多模光纤（9），其特征在于：多模光纤插入并固定在光纤插芯孔内，光纤端面与光纤插芯端面平齐，温度受感芯体装配在光纤插芯端面并中心对齐；温度受感芯体（7）的硅片（3）两侧的气压差等于温度腔（2）内的气体压力P，法珀腔（4）腔长y与温度腔（2）内气体压力P成正比；当温度腔内气体受温度影响发生热胀冷缩时，气体状态随温度变化，改变硅片两侧的气压差，硅片发生形变，将温度腔（2）内的气体气压温度值转换为法珀腔（4）可直接测量的法珀腔腔长值，通过法珀干涉原理检测出硅片的形变量实现温度检测。

【技术特征摘要】
1.一种光纤法珀温度传感器，包括温度受感芯体（7）、光纤插芯（8）、多模光纤（9），其特征在于：多模光纤插入并固定在光纤插芯孔内，光纤端面与光纤插芯端面平齐，温度受感芯体装配在光纤插芯端面并中心对齐；温度受感芯体（7）的硅片（3）两侧的气压差等于温度腔（2）内的气体压力P，法珀腔（4）腔长y与温度腔（2）内气体压力P成正比；当温度腔内气体受温度影响发生热胀冷缩时，气体状态随温度变化，改变硅片两侧的气压差，硅片发生形变，将温度腔（2）内的气体气压温度值转换为法珀腔（4）可直接测量的法珀腔腔长值，通过法珀干涉原理检测出硅片的形变量实现温度检测。2.如权利要求1所述的光纤法珀温度传感器，其特征在于：温度受感芯体由高硼硅玻璃片（1）和高硼硅玻璃片（6）以及硅片（3）共三层结构组成，高硼硅玻璃片（1）与硅片（3）、高硼硅玻璃片（6）与硅片（3）通过MEMS键合工艺键合在一起。3.如权利要求1所述的光纤法珀温度传感器，其特征在于：温度腔（2）内保留有一定压力的气体，法珀腔（4）内真空且底部有半反半透膜。4.如权利要求1所述的光纤法珀温度传感器，其特征在于：温度腔（2）内气体压力P与温...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海军，薛磊，梅运桥，孙波，熊菠，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51