基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究

基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究光纤传感器技术是随着光纤的发展和光纤通信的出现而慢慢形成的一门新兴技术。它是以光作为载体，并且以光作为传输介质，对被测参数实现传感。由于它是一种光学的传感器，在传感方式传感原理、信号探测、信号传输方法和信号处理等方面都与传统的电子传感器完全不同，因此出现了很多种不同种类的光纤传感技术，引起了全世界的广泛的关注和研究。光纤传感技术和传统的电子传感器相比，有以下主要特点：抗电磁干扰；不产生电磁干扰；灵敏度更高；可以在很多危险和强电磁场干扰的场合使用：传输和传感集为一体；能够容易实现传感器的分布式测量等。传统传感器在应用中的诸多限制正是由于光纤的这些独特优点的存在得到了弥补。满足了现代测量技术的需要，也极大的促进了传感技术的发展。与此同时，光纤传感器在国防工业和军事领域也有重要的应用价值，光纤传感技术在现代的先进的设备中无处不在。光纤传感技术的发展和应用主要分为四个大的阶段：上世纪八十年代以前，强度调制型光纤传感器的研究占主要地位；八十年代以后，干涉型光纤传感技术开始了大规模的研究；进入九十年代后光纤光栅被发明，因此出现了大批基于光纤光栅的传感技术。进入新世纪后，各种各样的新型的光纤技术都逐步的完善，光纤传感技术从此步入商业化的进程，进入了实用阶段。目前，一方面，多种多样的新器件的出现推动了这一技术的进步；另一方面，新的需求也牵引着光纤传感技术向前发展。十九世纪初，用干涉实验证明了光具有波动这一特性，也就是著名的杨氏干涉实验。从此以后，人们开始对各种干涉测量技术的研究，并且逐步形成了高灵敏度的测量方法。激光的出现，高强度的相干光源也能很容易的得到，因此这－Ｎ量技术得到了快速的发展和应用。光纤的出现，使干涉仪中的光不必在空间中传播，可以在弯曲的损耗很低的波导中进行传播。全光纤系统可以使干涉仪变得更加可靠稳定，也更加紧凑，省去了麻烦的调节过程，也很大程度的降低了外界干扰形成的噪声，测量的灵敏度因此得到了大幅度的提高。干涉型光纤传基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究感器就在这样的背景下出现了。干涉型光纤传感器的基本原理是：通过被测物理参数的作用，使得光纤内传输的光的相位发生了变化，再用干涉测量的技术把光的相位的变化转换成光强的变化，从而检测出被测物理量。１．２光纤法布里．珀罗（Ｆ—Ｐ）传感器概述多光束干涉是指相互平行，而且任意两束光之间的光程差（相位差）都相同的一组同频率光束的相干叠加。很多光学现象，如布拉格衍射、薄膜干涉、牛顿环、以及干涉滤波片等，都是属于多光束干涉产生的。法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）干涉仪也称为Ｆ．Ｐ标准具，是一种典型的多光束干涉仪，它利用两个反射镜的很多次来回反射而设计制作的。当光的传输路径是光纤时，在光纤内部形成两个反射面。这样光就会在这两个反射面分别发生反射的现象。因此会形成后向传输的光，这两束光因为光程差的原因，就会产生干涉现象。因此，这两个反射面的距离变化就决定了反射光干涉的光谱的变化。我们可以通过对反射光的干涉谱进行检测，并且找到合适的解调方法，可以推导出两个反射面距离的变化。进而推导出影响距离变化的物理量。２．由于被测物理量对两个反射面距离的变化非常敏感，且光纤结构简单、小巧，并且能抗电磁干扰，检测灵敏度高，响应速度快，稳定性，体积好等优点，所以可以用作小型化的实时的温度，压力等物理量的传感。光纤法布里．珀罗（Ｆ．Ｐ）传感器的技术核心是基于Ｆ－Ｐ干涉仪原理的干涉腔来精确检测各种物理量。Ｆ．Ｐ干涉仪主要分为两个主要类型：本征型光纤Ｆ－Ｐ干涉仪（ＩＦＰＩ）和非本征型Ｆ—Ｐ干涉仪（ＥＦＰＩ）。美国弗吉尼亚大学王安波所领导的小组研制出了很多种光纤Ｆ－Ｐ传感探头结构，并且通过多种解调机理对一系列物理量进行测量【２．８】。在许多工业领域的物理测量中取得了重大突破。ＭｏｒｉｎＡ所在的科研小组【９ｊ利用多个光纤Ｆ．Ｐ传感器探测头形成一系列的阵列，用于分布式检测应变。研制出一种基于白光Ｆ．Ｐ干涉效应的光纤传感器用于监测桥梁结构中的压力、应变、结构损伤情况、结构振动、裂缝的产生等内部的状态，并取得良好的测试结果。并且用于我国的三峡工程、广西百色工程等一系列的大型土木工程的安全监测工程。第一章绪论１．３非本征Ｆ．Ｐ光纤传感器的应用背景两个相互平行的光学平面就构成了一个Ｆ．Ｐ腔。如果这两个平面都是光纤的端面，或者其中一个是光纤端面就构成了光纤Ｆ．Ｐ腔。３．如果作为传感器使用的话，在光纤的端面镀膜制作成的Ｆ．Ｐ干涉仪的成本就会相对较高。所以另外一种形成Ｆ．Ｐ干涉腔技术就是将光纤的一个端面进行切割，这样就可以利用切割后的光纤端面和空气之间大约有４％的菲涅尔反射。这样在两根光纤端面之间，或者一根光纤端面和另外一个反射面之间形成Ｆ—Ｐ腔，从而形成了这样一种低反射率的外腔式的光纤Ｆ—Ｐ干涉仪（ｅｘｔｒｉｎｓｉｃＦ．Ｐｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）。制作的关键是改变Ｆ．Ｐ腔的一些参数（如不同尺寸的输入光纤、准直管、和膜片），进而改变Ｆ－Ｐ腔的传感性能。由于Ｆ．Ｐ腔的材料有很多种可选择性，因此在一些高温、高压、高灵敏度、超强电磁干扰和强腐蚀性的恶劣的环境中，光纤ＥＦＰＩ传感器都可以适用。例如大型土木工程的内部应力监测，油井的温度和压力的健康监测，对于灵敏度高的Ｆ．Ｐ传感器来说，也可以用作生物传感和声波检测。上世纪，Ｍｕｒｐｈｙ领导的小纠１１１首次研制出光纤ＥＦＰＩ传感器，他们是通过一个毛细管把两根光纤用环氧树脂固定，利用光纤的端面反射形成Ｆ．Ｐ腔。并且成功的应用于军事领域。进入新世纪以来：大连理工大学王晓娜七所在的小组研制的膜片式光纤Ｆ－Ｐ压力传感器，成功的应用于油井内的长期压力监测。Ｊｉ．Ｘｉ所在的小组四也制作出一种ＥＦＰＩ光纤压力传感器。他们把光纤和厚壁毛细管一端熔接起来。另外一端和石英为材料的膜片熔接起来，并且对高强度的的压力进行了检测。ＹｉｚｈｅｎｇＺｈｕ〔１４１所在的小组也制作出对温度稳定性很好的光纤ＥＦＰＩ传感器。用ＨＦ溶液来腐蚀光纤的端面后进行熔接。Ｙ．Ｚｈｕｌｌ５１所在的小组研制出耐高温的光纤ＥＦＰＩ传感器。其传输光纤为蓝宝石光纤，它的工作温度达到一千度以上。ＩＢ．ＢｕｍＫｗｏｎ所在的小纠１６１研制出全反射式的光纤压力传感器。他们是通过在反射光纤的端面镀膜。他们对大型土木工程内部和机械内部的应变进行了测量。３基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究所在的小组【１７１通过ＭＥＭＳ技术研制了一种反射膜片作为光纤ＥＦＰＩ压力传感器。Ｖ．Ｒ．Ｍａｃｈａｖａｒａｍ所在的小组【１８１制作出了一种新型的微型ＥＦＰＩ应变传感器。他们也是利用湿法刻蚀光纤的端面，并将两个腐蚀后的光纤端面进行熔接。２００７年到２０１１年，小型化的ＥＦＰＩ光纤压力传感器逐渐成为国内外的研究焦点〔１９－３９】。微型光纤Ｆ－Ｐ传感器在工业、军事、医疗、生物等领域逐步的被广泛的应用。１．３．１工业上的应用能耐高温、高压和腐蚀性环境的微型压力传感器在工业领域，成为了目前最大的需要。比如，海底油井探测、飞机引擎和一些能量的产生设备等方面【４¨ｕ都非常需要压力的测试以及实时的监控，但是所处的环境都非常恶劣。因此传感器探头的设计和所用材料都受到了很大的限制。常用的很多电子元器件式的压力传感器有很多的不利因素。比如，易受电磁干扰，较大的温度依赖性，体积大，以及在机械的可靠性和重复性等方面不甚理想。目前，还有很多半导体式的压力传感器在工业上应用，主要是在高温环境中的压力测试。然而其所能达到的温度的工作范围还是远小于许多工业环境的温度。同时这种半导体传感器在腐蚀性环境中的可靠性能非常差，寿命短。如果要较好解决上述问题就需要采用光纤压力传感器。由于它具有尺寸小，化学活性，温度不敏感性好，基本不受电磁干扰，稳定性高等优点。它能被安全的用于恶劣的环境中进行实时的检测。种种优势证明它可以有效的代替半导体压力传感。１．３．２生物医学上的应用在生物医学治疗领域，人和动物体内各种压力的精确测量存在很大的难题。这些压力的测量在疾病的诊断和治疗方面有很广泛的应用。比如颅内压在人体头部疾病的检测以及诊断中，是一项很重要的指标，而眼压是评测眼病的重要依据，而血压则是衡量内部心血管疾病的重要指标。因此我们可以利用小型化的光纤压力传感器进行入体式的压力测量。比如在手术的过程中，对患者的动脉和静脉的血压、心内压、颅内压ｆ４２．４３】等参数进行实时的测量。医生可以通过测量的结果及时的了解病人的状况，进而尽快的采取措施减少病人痛苦。一般来说，在体内检测压力，需要通过人体内部的孔径来插入导管。因此，探头的尺寸和材料有很多的限制。这样就要求我们在尽可能的提高精确性，响应特性、灵敏度等特点以外，还要考虑到尺寸和材料的影响。此外，由于医学上的入体式检测需要避免患者之间的互相交叉感染，所以一次性的入体式的医疗器具成为必须，这就要求传感器的成本低，并且适合一次性使用。小型化的非本征型光纤压力传感器，具有响应速度快，灵敏度高，且不受电磁干扰的优点。由于以光纤作为传感材料，其本身价格很低并具有很好的生物适应性，而且光纤的尺寸小，对人体造成的创口也要小很多，它的成本能够满足一次性的使用要求。这些比传统传感器明显的优势使得光纤Ｆ．Ｐ压力传感器具有很广泛应用的医疗设备的发展潜力。４．１．３．３微型光纤传感器的膜片制作技术目前，微电子机械系统（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）技术已经应用到在微型传感器的研制技术方面。ＭＥＭＳ是２ｌ世纪建立在微米／纳米技术（ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）基础上的高新前沿技术，是可以对尺寸在微米／纳米量级的材料进行设计、加工、制造以及控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统ｆ４５１。这种微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体的微加工、硅表面微加工、ＬＩＧＡ和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统１４６‘。镀膜工艺也在Ｆ．Ｐ腔传感技术中也得到了广泛应用。当前常见的薄膜制备方法有以下几种：真空蒸膜、电镀、溅射、化学镀、离子镀、喷涂等。真空镀膜和化学镀则是常用于光纤Ｆ－Ｐ腔镀膜。真空镀膜是指在高真空度的蒸发室内，通过加热蒸发原材料，使分子或原子从材料中气化蒸发出来，契合在固体表面，并且凝聚成固态薄膜。它具有以下优点：镀好的薄膜质量好、纯度高、致密性和密度好。缺点是需要使用专门的设备，而且镀膜温度较高，镀层薄脆切容易断裂，镀膜时间较长。因此化学镀属于合适的制膜方法，不用任何电流，直接采用化学反５．５基于银薄膜的微型光纤压力传感器的研究应实现薄膜的沉积。具有工艺简单，常温下可操作。成本低廉等等优点，缺点是工艺较难掌握，需要对镀膜条件逐步摸索，这也是本论文研究内容之一。１．４论文的研究目的和意义随着科技的发展与进步，目前一些生物医疗、能源．化工、建筑、国防诸多领域都需要着精确实时的压力检测。ＥＦＰＩ光纤压力传感器研究的方向正朝着小型化、低成本、高灵敏度和能耐恶劣复杂的外界环境的方向发展。现代计算机技术和传感技术的应用与发展使生物医疗和工业建筑等领域健康状态的实时监测成为现实。本论文是在前人研究的基础上，充分借鉴了他们的研究成果，研究微型光纤ＥＦＰＩ压力传感器的研究目的和制作方法。用简单的化学方法制作出一种纳米银膜，基于此薄膜设计出一种高对比度的微型非本征型光纤Ｆ．Ｐ干涉腔，分析了腔长变化量对于干涉自由光谱范围以及输出光强的影响。采用优化方案确定干涉腔的长度和工作点的光波长，建立稳定的光纤Ｆ．Ｐ压力传感测试系统。试验结果表明，该传感器结构简单，体积小，对压强的响应具有合理的线性度，和高灵敏度。