本发明专利技术属于微型光电子器件设计技术领域，提供了一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构。首次提出了以SPR等效入射角的变化为机理的光纤压力载荷解决方案。设计了一种新的以镀膜的拉锥光纤环为基底的膜片化封装以配合检测原理。制作了完整的膜片式探头结构。其通过实验测试与标定实现了高灵敏度和线性的应力载荷检测和解调。它在线性区域具有较高的分辨率，有利于微压力的提取和感知。与裸光纤结构相比，该复合探针具有较高的重复性和机械稳定性，具有很大的实用潜力。
【技术实现步骤摘要】
一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构
本专利技术属于微型光电子器件设计
，涉及一种能测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，主要面向于实用领域下的力载荷的光纤检测技术开发，为机械仿生学，高危环境资源勘测，化工生产等领域服务。
技术介绍
外加压力载荷(表面压力)是当前参数检测领域的一项重要技术指标。它可以直接工况环境中的应力状态，或者通过确定的物理关系间接地计算其它参数信息。因此，该参数的测量已经成为机械仿生学、资源勘查、化工生产等领域的重要组成部分。更高的压力检测精度，灵敏度和稳定性被迫切地需求在海水深度，油气压力等情况下。早期的机械式压力表目前已经逐渐被电学式压力压强芯片和仪器取代。这类传感器很好地实现了数据化采集和显示。但是它在很多强干扰和极端探测环境下有一些本质上缺陷在，限制了在前沿
的使用和发展。近年来，光纤传感技术已成为检测技术发展的研究热点。与电子类的探针相比，它具有传输距离长、能耗低、本质安全、抗电磁干扰能力强等优点。因此在某些特殊环境中具有很大的应用潜力。目前，各类光纤结构和原理在应力载荷检测领域均有得到应用和发展。其中光强度解调方式的精度首先与光源的稳定性和光路中的一些干扰，因此无法获得重复性好的结果。波导角度解调方式可以实现更高的分辨率。但是角度的范围限制了其检测的量程，同时复杂的解调方法不利于整体系统的搭建。光纤的特征波长的解调方式由于其抗干扰性和适用性而成为主流方法。其中，光纤布拉格光栅(FBG)以其较高的特征峰质量和解调技术，因而得到广泛应用。FBG波长信号很窄，在应力测试中一般需要增敏结构来提高性能。2012年，张等人利用L型的结构的增敏结构实现了双FBG的压强测量(ZhangQ,LiuN,FinkT,etal.Fiber-OpticPressureSensorBasedon,π-Phase-ShiftedFiberBraggGratingonSide-HoleFiber[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2012,24(17):1519-1522.)。但是其应力敏感性随检测范围的增大而增大，获得的线性度较差，因此不能满足等实际检测需要。2013年黄等人也采用了FBG级联结构，实现了大范围的压力负荷检测(HuangJ,ZhouZ,WenX,etal.Adiaphragm-typefiberBragggratingpressuresensorwithtemperaturecompensation[J].MeasurementJournaloftheInternationalMeasurementConfederation,2013,46(3):1041-1046.)。然而它在大量程下的低灵敏度往往伴随的大的传感器误差。FabryPerot腔原理的光纤检测技术具有较高的谱线质量。2013年王等人利用FP原理制备了温度不灵敏的压力光纤探头结构(WangW,LiS,WenL.Ultra-lowsensitivitytotemperaturelow-costopticalfiberFabry–Perotmicropressuresensorwithachitosandiaphragm[J].OpticsCommunications,2013,309(22):302-306.)。由于它的输出信号具有周期性和对称性，这将增加实际解调时的难度和速度。基于MZI干涉原理的光纤探针也处于研究中解决方案之一。2016年，冯等人使用拉锥处理的光子晶体光纤结构测试表面压强(FengWQ,LiuZY,TamHY,etal.TheporewaterpressuresensorbasedonSagnacinterferometerwithpolarization-maintainingphotoniccrystalfiberforthegeotechnicalengineering[J].Measurement,2016,90:208-214.)。结果中取得了较大的检测范围和很高的线性度相比于其它的光纤结构。但是其在外裸露的环境中仍然未能取得大的灵敏度是其应用的一大劣势。2018年，杨等人使用微纳光纤结构实现了极高的应力压强敏感度。(YangYB,WangDN,XuB,etal.Opticalfibertipinterferometergaspressuresensorbasedonanti-resonantreflectingguidancemechanism[J].OpticalFiberTechnology,2018,42:11-17.)。不过其脆弱的力学特性使这一类的结构仍然停留在实验室的环境下。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计可测量压力载荷的光纤探针式膜片结构。提出一种表面镀金属膜的光纤拉锥环结构作为敏感基底。首次将光学的等离子体共振效应引入应力检测领域。结合压敏材料的填充等设计，完成了整体结构的探针式的膜片化封装。该微型膜片的正受力面(面积最大)可感受外力载荷变化并完成高灵敏度且高重复性的线性输出。为了达到上述目的，本专利技术提出了一种能测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构。首次提出了以SPR等效入射角的变化为机理的光纤压力载荷解决方案。设计了一种新的以镀膜的拉锥光纤环为基底的膜片化封装以配合检测原理。制作了完整的膜片式探头结构。其通过实验测试与标定实现了高灵敏度和线性的应力载荷检测和解调。具体技术方案为：一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，包括镀金属膜的光纤拉锥环、应力弹性敏感材料(PDMS)、树脂玻璃膜片、外层密封胶；镀金属膜的光纤拉锥环设置于两块平行的树脂玻璃膜片之间，且镀金属膜的光纤拉锥环的环形面平行于树脂玻璃膜片；树脂玻璃膜片与镀金属膜的光纤拉锥环之间的空隙填充应力弹性敏感材料(PDMS)，两块平行的树脂玻璃膜片间的边缘缝隙处通过外层密封胶密封；所述镀金属膜的光纤拉锥环的光纤环结构是基于多模光纤(MMF)进行环绕和固定制得，其光纤拉锥结构由光纤环结构熔融拉锥制得，作为SPR敏感区，光纤环在径向上保持对称结构，长拉锥结构主要负责激发合适的包层模式，为SPR效应的激发提供理想的入射场角度。锥区短半轴L1为1cm～1.5cm，锥腰中心直径D2：45μm～65μm，以保证SPR的效应的充分激发；所述的镀金属膜为在光纤环SPR敏感区的表面利用离子溅射技术在其表面镀制的一层Au金属膜，该膜在敏感波段400nm～1000nm处的有效折射率：nAu＝0.3～1.6(不同波长处有对应不同的有效折射率)，整个环结构的膜厚在各处保持一致。激发的SPR效应的光谱质量和灵敏度对于入射角和膜厚有一定要求。进一步地，上述多模光纤(MMF)其外径r1＝62.5μm，纤芯直径r0＝31.25μm；MMF光纤的芯径较大，通过掺杂等技术实现折射率的调制。纤芯折射率ncore＝1.85，包层折射率ncladding＝1.45；MMF不仅作为传感基底，同时也是信号的输出和导出载体。多模光纤整体长度大于30cm，给后续封装留有一定余量。进一步地，上述Au金属膜厚DL＝20～40nm。进一步地，上述应力弹性敏感材料(PDMS)固化后的有效折射率：nPDM本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，包括镀金属膜的光纤拉锥环、应力弹性敏感材料(PDMS)、树脂玻璃膜片、外层密封胶；镀金属膜的光纤拉锥环设置于两块平行的树脂玻璃膜片之间，且镀金属膜的光纤拉锥环的环形面平行于树脂玻璃膜片；树脂玻璃膜片与镀金属膜的光纤拉锥环之间的空隙填充应力弹性敏感材料(PDMS)，两块平行的树脂玻璃膜片间的边缘缝隙处通过外层密封胶密封；所述镀金属膜的光纤拉锥环的光纤环结构是基于多模光纤(MMF)进行环绕和固定制得，其光纤拉锥结构由光纤环结构熔融拉锥制得，作为SPR敏感区，光纤环在径向上保持对称结构，锥区短半轴L1为1cm～1.5cm，锥腰中心直径D2：45μm～65μm；所述的镀金属膜为在光纤环SPR敏感区的表面利用离子溅射技术在其表面镀制的一层Au金属膜，该膜在敏感波段400nm～1000nm处的有效折射率：nAu＝0.3～1.6，整个环结构的膜厚在各处保持一致。
【技术特征摘要】
1.一种测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，包括镀金属膜的光纤拉锥环、应力弹性敏感材料(PDMS)、树脂玻璃膜片、外层密封胶；镀金属膜的光纤拉锥环设置于两块平行的树脂玻璃膜片之间，且镀金属膜的光纤拉锥环的环形面平行于树脂玻璃膜片；树脂玻璃膜片与镀金属膜的光纤拉锥环之间的空隙填充应力弹性敏感材料(PDMS)，两块平行的树脂玻璃膜片间的边缘缝隙处通过外层密封胶密封；所述镀金属膜的光纤拉锥环的光纤环结构是基于多模光纤(MMF)进行环绕和固定制得，其光纤拉锥结构由光纤环结构熔融拉锥制得，作为SPR敏感区，光纤环在径向上保持对称结构，锥区短半轴L1为1cm～1.5cm，锥腰中心直径D2：45μm～65μm；所述的镀金属膜为在光纤环SPR敏感区的表面利用离子溅射技术在其表面镀制的一层Au金属膜，该膜在敏感波段400nm～1000nm处的有效折射率：nAu＝0.3～1.6，整个环结构的膜厚在各处保持一致。2.根据权利要求1所述的测量压力载荷的高灵敏度光纤探针式膜片结构，其特征在于，多模光纤(MMF)其外径r1＝62.5μm，纤芯直径r0＝31.25μm；纤芯折射率ncore＝1.85，包层折射率ncladding＝...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，吴奇鲁，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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