李自亮 廖常銳 劉申 王義平

(深圳大學(xué)光電工程學(xué)院,光電子器件與系統(tǒng)教育部重點實驗室,深圳 518060)

1 引 言

光纖傳感技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代,是光電技術(shù)發(fā)展最活躍的分支之一[1?3].近十余年,隨著半導(dǎo)體光電技術(shù)、光纖通信技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,光纖傳感技術(shù)迅速發(fā)展.光纖傳感器具備獨特的優(yōu)勢,比如抗電磁場干擾、絕緣性高、靈敏度好等諸多優(yōu)點.典型的傳感器件包括光纖陀螺儀、光纖水聽器、光纖電流傳感器、光纖壓力傳感器及光纖溫度傳感器,適于在醫(yī)療、航空航天、橋梁建筑、高溫油井和國防等領(lǐng)域應(yīng)用[4?7].比如,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,利用光纖壓力傳感器在手術(shù)過程中對動脈和靜脈的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓等的實時監(jiān)測.[4].其中光纖壓力傳感器已經(jīng)產(chǎn)品化,比如美國強(qiáng)生Codman有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測儀以及加拿大FISO光纖壓力傳感器公司等[8,9].

自從1988年Lee和Taylor[10]首次成功制備了本征型法布里-珀羅干涉(intrinsic Fabry-Perot interferometric,IFPI)光纖傳感器和1991年Murphy等[11]首次成功制備了非本征型法布里-珀羅干涉(extrinsic Fabry-Perot interferometric,EFPI)光纖傳感器以來,光纖法布里-珀羅型傳感器逐漸成為光纖傳感器家族中的重要成員.目前,常見的F-P腔光纖溫度和壓力傳感器的制備方法包括:濕法化學(xué)腐蝕制備法[12?15]、電弧放電制備法[16?18],飛秒激光制備法[19?21]、聚合物輔助制備法[22?24]等.2005年,Donlagic和Cibula[12]提出了基于膜片設(shè)計的全光纖法布里-珀羅(F-P)腔壓力傳感器結(jié)構(gòu),利用氫氟酸腐蝕膜片,使膜片盡可能薄,并通過壓力容器裝置進(jìn)行實時監(jiān)測,以便得到設(shè)計的靈敏度.2011年,Ma等[16]利用電弧放電的方式在光纖端面制作出微米厚度的空氣腔制作完成的壓力傳感器的壓力靈敏度高達(dá)約315 mp/MPa,具有較好的高溫(600°C)穩(wěn)定性.2007年,Wei等[20]利用飛秒激光制備了微型法布里-珀羅干涉儀(micro Fabry Perot interferometer,MFPI),其測試溫度高達(dá)1100°C.此外,Hill等[22]利用SU-8復(fù)合材料研制的壓力傳感器在微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)中得到了廣泛應(yīng)用.

本文綜述了光纖法布里-珀羅干涉儀的基本原理、制備技術(shù)及其壓力和溫度傳感應(yīng)用的研究進(jìn)展;詳細(xì)介紹了濕法化學(xué)腐蝕制備法、電弧放電制備法、飛秒激光制備法、聚合物輔助制備法等常見光纖法布里-珀羅腔傳感器的制作工藝,分析了不同制作工藝的優(yōu)缺點;詳細(xì)介紹了光纖法布里-珀羅干涉儀在溫度傳感、壓力傳感和溫壓一體傳感領(lǐng)域的應(yīng)用;最后對光纖法布里-珀羅干涉溫度壓力傳感器的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望.

2 光纖F-P干涉原理

光纖F-P干涉?zhèn)鞲衅魇腔诙喙馐缮娑傻膫鞲袡C(jī)理.隨著18世紀(jì)末多光束干涉儀的發(fā)明而發(fā)展,從一開始研究體積較大的F-P干涉儀,到20世紀(jì)80年代左右出現(xiàn)了體積較小的F-P干涉儀,從此F-P干涉儀被逐步地應(yīng)用于各種傳感領(lǐng)域,也出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)的F-P腔傳感器[25].

一束光以一定角度入射至一對平行板中,會發(fā)生多次反射和折射,這些相同頻率的光會發(fā)生干涉,形成多光束干涉.干涉過程如圖1所示,光從折射率為n0的物質(zhì)中,以角度為θ1的入射角進(jìn)入距離為d、中間物質(zhì)折射率為n的平行板中,光在板內(nèi)的折射角為θ2,在板內(nèi)經(jīng)過多次反射和折射,其中任意兩束光程差相同的同頻光會發(fā)生干涉[26].相鄰兩束光的光程差為

對應(yīng)的相位差為

在理想情況下,平行板對光無吸收,即透射光T和反射光R滿足

這時,反射光強(qiáng)為

同理,透射光強(qiáng)為

且反射光強(qiáng)、透射光強(qiáng)滿足

(4)式和(5)式就是干涉強(qiáng)度分布公式,即艾里公式.

圖1 多光束干涉原理圖Fig.1.Multi-beam interference principle.

2.1 光纖F-P壓力傳感器干涉原理

一種典型的光纖F-P腔壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,將兩根光纖的端面作為反射面,使兩光纖端面嚴(yán)格平行、同軸,與中空光纖形成一個腔長為l的密封光纖F-P腔.當(dāng)傳感探頭受到外界均勻分布的壓力時,其腔體軸向變形表達(dá)式為

式中:ΔP為腔體內(nèi)外壓強(qiáng)差;l是腔體長度;ri,ro分別為腔體內(nèi)外半徑;E為腔體材料的楊氏模量;μ為泊松比.當(dāng)腔體長度l一定時,其變形量與所受的壓強(qiáng)成正比,而腔體長度的變化影響到光纖內(nèi)入射光與反射光的光程差,利用光電探測器等即可實現(xiàn)對光信號的解調(diào),最終實現(xiàn)對壓力的傳感.

圖2 光纖F-P腔壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic diagram of fiber F-P cavity pressure sensor.

另一種光纖F-P腔壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,由于二氧化硅/空氣界面的反射率低(＜3.5%),高階F-P干涉可以忽略不計[17].則輸出的光強(qiáng)度可以表示為

式中,E1,E2,和E3是三束反射波的振幅;d表示腔長;t是薄膜厚度;λ是光波長;nair和nsilica分別是空氣和SiO2的折射率.

圖3 光纖FPI空氣腔示意圖[17]Fig.3.Schematic diagram of the fiber-tip FPI[17].

2.2 光纖F-P溫度傳感器干涉原理

燕山大學(xué)畢衛(wèi)紅教授所設(shè)計的F-P光纖溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示[27].光纖溫度傳感是依據(jù)把被測的溫度轉(zhuǎn)換為光纖F-P干涉長度L的變化來測量分析的原理進(jìn)行設(shè)計的.根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變與溫度的關(guān)系,對于直角笛卡爾坐標(biāo)(x,y,z)由被測物體的溫度變化引起的應(yīng)變分量為[28]

式中,k為物體的熱膨脹系數(shù);Xij(i,j=x,y,z)表示被測物體在i,j方向上的應(yīng)變分量.若只考慮光纖溫度傳感器的軸向應(yīng)變Xzz=ΔL/L[29],則有

將兩根端面鍍膜的多模光纖插入到空芯光纖中,形成F-P干涉腔.其中入射光纖用膠固定,調(diào)節(jié)反射光纖直到有合適的腔長值后,用膠固定.從入射光纖進(jìn)入的光經(jīng)過端面M2后一部分透射,一部分反射形成第1束反射光;透射光經(jīng)F-P腔射到反射光纖的端面M2上,被M1反射.光再經(jīng)M2返回到入射光纖,與第1束反射光形成干涉光.由于F-P干涉儀的腔長與溫度載荷有一定關(guān)系,當(dāng)溫度發(fā)生變化時,使F-P腔長發(fā)生改變,從而改變輸出光的強(qiáng)度,利用光電探測器即可實現(xiàn)對光信號的解調(diào),從而實現(xiàn)對溫度的傳感.

圖4 光纖F-P溫度傳感器Fig.4.F-P fiber temperature sensor.

3 光纖F-P腔傳感器制備技術(shù)

國內(nèi)外諸多科研機(jī)構(gòu)對光纖F-P腔溫度和壓力傳感器進(jìn)行了廣泛的研究,形成了多種多樣的制備方法.基于制備方法、傳感器材料的不同,也已經(jīng)研制出多種類型的光纖F-P腔溫度和壓力傳感器.不同的制備方法各有優(yōu)勢,且通過不同制備方法得到的光纖F-P腔傳感器的光學(xué)特性也各不相同,以下對常見的光纖F-P腔傳感器的制備方法進(jìn)行簡單描述.

3.1 濕法化學(xué)腐蝕制備法

濕法化學(xué)腐蝕是出現(xiàn)較早也是較常見的光纖F-P腔傳感器的制備方法,它是使用液態(tài)腐蝕劑有目的性的移除材料,SiO2的濕法化學(xué)腐蝕幾乎都用添加或不加氟化氨(NH4F)的含水氫氟酸來腐蝕[30,31].濕法化學(xué)腐蝕在光纖傳感主要是用于光纖F-P壓力傳感器硅膜片的制備.濕法化學(xué)腐蝕工序需要考慮有效的腐蝕劑、腐蝕選擇性、腐蝕速率等影響因素.

圖5 二氧化硅膜片壓力傳感器[12]Fig.5.Pressure sensor with a SiO2diaphragm[12].

2005年,Donlagic和Cibula[12]提出了基于膜片設(shè)計的全光纖F-P腔壓力傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖5所示.它的工作機(jī)理是采用對壓力敏感的SiO2膜片作為光學(xué)反射平面,當(dāng)膜片隨著壓力的變化產(chǎn)生位移時,F-P腔腔長也相應(yīng)地隨之發(fā)生變化.

圖6 壓力傳感器制備流程[12]Fig.6.Fabrication procedure for the pressure sensor[12].

這種壓力傳感器制備流程如圖6所示.將外徑相同的單模光纖和多模光纖熔接在一起,然后切割多模光纖至40μm,對多模光纖的另一個端面進(jìn)行刻蝕,刻蝕完成后,與另一單模光纖熔接.熔接后,先利用比長儀切割單模光纖,使其厚度不大于20μm;完成傳感器主體部分的加工后,將光纖插入金屬套,分別用3,0.5μm砂紙對膜片進(jìn)行研磨,直至膜片厚度為3—5μm.最后再利用氫氟酸腐蝕膜片,使膜片盡可能薄.在進(jìn)行膜片刻蝕時使用如圖7所示的壓力容器裝置進(jìn)行實時監(jiān)測,以便得到設(shè)計的靈敏度.腔內(nèi)刻蝕控制和打磨SiO2膜片的控制是此類傳感器制作的難點.

2006年,Zhu等[13]提出了一種高溫壓力傳感器,其制備流程如圖7所示.熔接纖芯直徑為62.5μm的漸變折射率光纖(纖芯摻Ge包層不摻雜)和纖芯直徑為105μm的階躍折射率光纖(纖芯不摻雜包層摻F).然后切割纖芯直徑為105μm的階躍折射率光纖,切割完成后與另一單模光纖熔接,再切割纖芯直徑為62.5μm的漸變折射率光纖,然后利用氫氟酸腐蝕,待漸變折射率光纖的纖芯腐蝕完全后,與如圖8(a)所示步驟制備好的樣品熔接,然后重復(fù)圖8(b)的步驟.

圖7 膜片厚度控制系統(tǒng)[12]Fig.7.System for tuning pressure sensors[12].

圖8 高溫壓力傳感器的制備流程[13]Fig.8.Fabrication procedure for the high temperature pressure sensor[13].

圖9 溫壓一體傳感器的制備流程[14]Fig.9.Fabrication procedure for temperature and pressure sensor[14]

2012年,Pevec和Donlagic[14]提出了一種適用于壓力和溫度同時測量的F-P干涉儀.通過制備腔長各不相同的F-P腔來實現(xiàn)對溫度和壓力的同時測量.其制備流程如圖9所示,將切平的單模光纖和傳感光纖(sensor-forming fiber,SFF)置于氫氟酸溶液中,腐蝕時間分別為t1和t2,然后將單模光纖腐蝕端與另一單模光纖熔接,未被腐蝕的一端切平后與SFF的腐蝕端熔接,再通過精密切割、拋模、HF酸腐蝕形成對壓力敏感的SiO2膜片.

制備完成的F-P干涉儀如圖10所示.第一個F-P腔位于光纖端面的短空氣腔,該空氣腔采用SiO2膜片來實現(xiàn)對壓力的響應(yīng).第二個F-P腔基于光纖中光的傳輸對折射率的依賴特性來實現(xiàn)傳感器的溫度測量功能.通過分辨兩個諧振腔的光譜信號來實現(xiàn)對所施加壓力和溫度的準(zhǔn)確測定.

圖10 FP干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖[14]Fig.10.Schematic diagram of F-P interferometer[14].

2015年,Poeggel等[15]提出了一種類似上述結(jié)構(gòu)的光纖壓力和溫度傳感器(optical fiber pressure and temperature sensor,OPFTS),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示.制備工藝包括:將光纖布拉格光柵(FBG)用內(nèi)外徑為130μm和200μm的玻璃管封裝;封裝完成后,再與直徑為200μm的多模光纖熔接,精密切割至20μm左右,再用0.3μm砂紙進(jìn)行研磨,直至膜片厚度為6—10μm.然后再用氫氟酸腐蝕厚度至2μm.壓力和溫度的測量是通過內(nèi)置的FBG和端面F-P腔來實現(xiàn)的.

圖11 (a)基于內(nèi)置FBG的OFPTS的結(jié)構(gòu)示意圖;(b)OFPTS的光譜圖:FBG的波峰與FPI干涉光譜的重疊位置[15]Fig.11.(a)Schematic diagram of OFPTS based on a SMF with internal FBG;(b)OFPTS spectrum:illustrating the super position of the FBG peak and the broadband FPI spectrum[15].

通過濕法化學(xué)腐蝕來制備F-P腔干涉儀,是近年來比較常見的制備方法.該方法無需激光曝光,無需光纖具有光敏性,制作成本低,簡單易行.可直接使用氫氟酸等腐蝕劑有目的性地移除材料,但腐蝕效果難以控制,要求對腐蝕速率精確的控制.

3.2 電弧放電制備法

電弧放電制備光纖F-P腔溫度或壓力傳感器是一種實驗裝置簡單、可控性好的制備方法,并且可自由調(diào)節(jié)放電電流和放電時間,通過重復(fù)放電來實現(xiàn)對薄膜厚度的控制.這種方法不足之處是電弧放電區(qū)域較大,放電位置不夠精確,限制了空氣腔的制備,并且電極容易氧化影響放電強(qiáng)度的穩(wěn)定性[32].

2011年,Ma等[16]利用電弧放電的方式在光纖端面制備出微米厚度的空氣腔,氣壓靈敏度為315 pm/MPa.其制備流程如圖12(a)—(c)所示,將內(nèi)外徑為75μm和126μm的玻璃管與普通單模光纖熔接,然后切割玻璃管至50μm左右;另一端連接到裝有氮氣的氣壓室,隨著玻璃管內(nèi)部持續(xù)增壓,玻璃管壁可以減小到只有幾微米的厚度,但管壁不至于破裂;最后通過控制電弧放電參數(shù)使管線端面形成氣泡腔結(jié)構(gòu).氮氣壓力的控制和電弧放電參數(shù)的控制是此類傳感器制作的難點.

2014年,Liao等[17]提出了一種亞微米厚度薄膜的新型F-P干涉儀.通過改進(jìn)優(yōu)化的放電技術(shù)在光纖端面制備亞微米級厚度的全硅薄膜.這種亞微米厚度薄膜的新型F-P干涉儀制備流程如圖13所示,將兩單模光纖的端面熱熔成弧面,通過調(diào)節(jié)電弧放電參數(shù)來控制弧面尺寸;在弧面上涂抹液體,然后設(shè)置參數(shù)熔接,由于放電過程中液體汽化使熔接點形成一個空氣腔;設(shè)置馬達(dá)參數(shù)對空氣腔施加適當(dāng)軸向應(yīng)力進(jìn)行拉伸,在拉伸過程放電,使該氣泡分成兩個;制備完成后,重復(fù)放電使空氣腔的厚度盡可能變薄.在放電過程中,通過光譜儀實時監(jiān)測FPI的反射光譜,從而達(dá)到監(jiān)測該空氣腔壁厚度的目的.

圖12 微腔傳感器的制備工藝示意圖[16]Fig.12.Schematic diagram of the micro-cavity sensor[16].

圖13 浸油電弧放電加工過程示意圖[17]Fig.13.Schematic diagram of the fabrication process of using electrical arc discharge assisted with oil coating in advance[17].

圖14 (a),(b)空氣泡的掃描電鏡圖像;(c)不同薄膜厚度下氣泡的顯微圖像和相應(yīng)的反射光譜圖[17]Fig.14.(a),(b)SEM image of the air bubble;(c)re flection spectra and optical microscope images of the fiber-tip FPI pressure sensor at different states of the diaphragm thinning process[17].

圖14(a)是空氣腔的掃描電子顯微鏡(sanning electron microscope,SEM)圖像,氣泡內(nèi)表面非常光滑有助于增加薄膜的反射率.圖14(b)是其放大圖像,薄膜厚度320 nm.圖14(c)是不同薄膜厚度下的反射光譜圖和顯微圖片.

2015年,Liu等[18]提出了一種基于光纖中獨特的矩形氣泡的應(yīng)變傳感器,制備工藝如圖15(a)—(f)所示.將兩單模光纖的端面熱熔成弧面,通過調(diào)節(jié)熱熔參數(shù)控制弧面尺寸;在弧面上涂抹液體,設(shè)置熔接參數(shù)進(jìn)行熔接,在電弧放電過程中,由于電弧放電引起的高溫和空氣熱膨脹使得氣泡壁熔化,并且由于預(yù)施加的軸向拉伸應(yīng)力,從而在熔接點形成一個矩形的氣泡.

圖15 基于矩形氣泡FPI的制備流程示意圖[18]Fig.15.Schematic diagrams of fabrication process of in- fiber FPI based on an air bubble[18].

制備四個結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的樣品S1,S2,S3,S4.如圖16所示,其中樣品S1和S3所示的是橢圓形氣泡,腔長分別為88μm和62μm;樣品S2,S4表示矩形氣泡的顯微圖像,腔長分別為85μm和61μm.圖16(a)和圖16(b)為兩組橢圓形氣泡腔和矩形腔的顯微圖像,圖16(c)和圖16(d)為分別對應(yīng)的氣泡樣品的反射光譜.在1550 nm處測定相應(yīng)的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)分別為13.9,14.1,19.36和 19.94 nm.通過公式FSR=λ2/(2nL)計算出四個樣品的空腔長度L分別為85.2,86.4,62和60.2μm,與實測值大致符合.

圖16 (a),(b)四種氣泡樣品的顯微圖像;(c),(d)樣品對應(yīng)的反射光譜[18].Fig.16.(a),(b)Microscope images of four in- fiber air bubble samples;(c),(d)the corresponding re flection spectra of the air cavity-based FPI samples[18].

3.3 飛秒激光制備法

激光微加工技術(shù)為研究新型光纖傳感器等提供了新的技術(shù)手段.利用激光加工的光纖F-P干涉?zhèn)鞲衅鞯湫偷慕Y(jié)構(gòu)如圖17所示.先利用激光對單模光纖端面刻蝕,再對刻蝕端面進(jìn)行覆膜形成F-P腔體.

圖17 激光加工微型壓力傳感器[33]Fig.17.Laser processing miniature pressure sensor[33].

飛秒激光微加工實驗裝置如圖18所示,實驗采用脈寬50 fs、波長800 nm(基頻)或波長266 nm(三倍頻)、重復(fù)頻率 1 kHz的飛秒激光系統(tǒng),飛秒激光通過高數(shù)值孔徑的激光加工物鏡聚焦在光纖樣品上,光纖樣品通過兩個V形槽夾具固定在高精度的三維電移平臺上(最小步進(jìn)10 nm,重復(fù)定位精度+/?70 nm),移動平臺按照所設(shè)計的光柵周期值移動.激光脈沖能量通過調(diào)節(jié)半波片和偏振片進(jìn)行控制,激光曝光時間通過一個電子快門精密控制,置于加工物鏡上方的CCD用于加工時的在線觀察和影像記錄.

圖18 飛秒激光微加工實驗裝置示意圖[6].Fig.18.Schematic diagram of femtosecond laser micromachining[6].

2007年,Rao等[19]利用飛秒激光分別在SMF和光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)制備出MFPIS,其結(jié)構(gòu)和相應(yīng)干涉光譜如圖19所示.這種MFPIS的制備工藝包括:首先將SMF或者PCF固定在位移平臺,然后控制位移平臺移動速度為300μm/s,飛秒激光的單次曝光面積是80μm×30μm,重復(fù)幾次這個過程直到滿足設(shè)計要求.

圖19 (a)腔長為80μm的SMF-MFPIS的顯微圖像及對應(yīng)的反射光譜圖;(b)腔長為75μm的PCF-MFPIS的顯微圖像及對應(yīng)的反射光譜圖[19]Fig.19.(a)Optical micrograph and re flective spectrum of a MFPI with a 80μm cavity length based on the SMF;(b)optical micrograph and re flective spectrum of a MFPI with a 75μm cavity length based on the PCF[19].

2008年,Wei等[20]提出了另一種利用飛秒激光制備F-P干涉儀的結(jié)構(gòu),如圖20所示.制備完成的光纖FPI腔長約30μm,深度約72μm,F-P腔恰好穿過纖芯.這種結(jié)構(gòu)的FPI損耗小于16 dB,干涉可見度超過14 dB.測試溫度高達(dá)到1100°C.

圖20 (a)結(jié)構(gòu)說明;(b)前視圖;(c)截面圖[20]Fig.20. (a)Structural illustration;(b)top view;(c)cross section[20].

2015年,Tang等[21]利用飛秒激光在空芯光子帶隙光纖(hollow core photonic band gap fiber,HC-PBF)側(cè)邊開孔,制備出F-P干涉氣體壓力傳感器,如圖21所示.通過在普通單模光纖之間熔接一段HC-PBF,然后利用飛秒激光在HC-PBF側(cè)邊開孔,孔穿過HC-PBF的纖芯.通過這種方法制備出腔長分別為1300,415,60μm的三個不同的樣品.樣品的反射光譜圖如圖22所示,圖22(a)為樣品的反射光譜,圖22(b)為腔長與FSR的函數(shù)關(guān)系圖.

圖21 (a)HC-PBF的截面圖;(b)飛秒激光加工原理示意圖圖;(c)側(cè)邊開孔F-P腔側(cè)視圖[21]Fig.21.(a)Cross section of HC-PBF;(b)schematic diagram of FS laser fabrication;(c)side view of the side-opened drilled F-P cavity[21].

圖22 (a)測得的反射光譜;(b)腔長與FSR的函數(shù)關(guān)系圖[21]Fig.22.(a)Measured re flection spectrum;(b)the functional relationship between cavity length and FSR[21].

3.4 聚合物輔助制備法

聚合物輔助制備法是利用高分子聚合物形成超薄膜片來制備光纖F-P干涉?zhèn)鞲衅?由于全石英材料制作的光纖EFPI溫度敏感性低,石英膜片的楊氏模量大、膜片加工的最小厚度有限,不適合微弱聲信號的感測.有機(jī)聚合物材料因其楊氏模量小、易加工成超薄膜片,所以利用聚合物材料制作超薄膜片具有無可比擬的優(yōu)勢[30].常用膜片材料的主要性能如表1所列.

2007年,Hill等[22]研制的SU-8復(fù)合材料壓力傳感器在MEMS中應(yīng)用得越來越廣泛.SU-8是一種紫外敏感的負(fù)性厚光刻膠,由于SU-8膠光敏性較好,同時吸收系數(shù)也較小,對幾百微米厚的SU-8進(jìn)行紫外光刻,在短時間內(nèi)即可達(dá)到曝光劑量的要求[35].利用SU-8復(fù)合材料制備的光纖F-P壓力傳感器的模型及結(jié)構(gòu)如圖23所示,傳感器由SU-8膠帽和單模光纖組成.F-P腔的直徑100μm,腔長50μm,薄膜厚度2μm.

圖23 傳(左)感器的三維橫截面示意圖;(右)傳感器的掃描電鏡圖像[22]Fig.23.(Left)The 3 D cross-section schematic of sensor;(right)SEM image of sensor[22].

圖24 SU-8材料微型壓力傳感器制作流程[22]Fig.24.Fabrication and assembly process for the sensor[22].

圖25 (a)基于聚合物金屬復(fù)合膜片壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖;(b)傳感器制備原理示意圖[23]Fig.25.(a)Structure of the miniature fiber optic pressure sensor element that makes use of a polymer-metal composite diaphragm as a pressure transducer;(b)schematic of sensor fabrication[23].

SU-8復(fù)合材料壓力傳感器制備流程如圖24(a)—(f)所示.首先,硅晶片上依次制作基底膜和2μm厚的SU-8層作為橫振膜;然后在此基礎(chǔ)上,制作孔徑100μm,厚50μm的環(huán)狀SU-8材料腔以及孔徑125μm,厚100μm的SU-8套管;為控制端面反射率,在上述結(jié)構(gòu)件的表層進(jìn)行金屬鍍膜,再將光纖插入,光纖端面與SU-8金屬鍍層之間就形成了F-P腔體;拔出光纖,用氰基丙烯酸鹽黏合劑在大氣壓力下黏結(jié),形成最終的傳感器結(jié)構(gòu).鍍膜厚度的控制及傳感器頂端加工的控制是此類傳感器制作的難點.

2008年,Nesson等[23]提出了基于多層高分子-金屬復(fù)合膜片壓力傳感器,多層高分子金屬復(fù)合膜片包括150 nm厚的聚酰亞胺層、1μm厚的金屬反射層;另外,150 nm厚的聚酰亞胺層作為保護(hù)層和隔離層.這種多層高分子-金屬膜片壓力傳感器結(jié)構(gòu)及其制備原理如圖25所示.

制備工藝包括:將聚酰亞胺滴在一個直徑為100 mm的培養(yǎng)皿中(培養(yǎng)皿中裝有水),聚酰亞胺漂浮在水面上并擴(kuò)散形成薄層,聚酰亞胺的體積控制在1 mm3,通過觀察聚合物層的著色和控制鋪展時間,可以控制聚酰亞胺層在水面均勻地鋪展.然后使用紫外(UV)光預(yù)固化聚合物層,使其有足夠的強(qiáng)度,然后將其覆蓋于玻璃管端部.最后再用紫外光固化,使聚合物層固定在玻璃管端面.接著利用直流磁控鍍膜機(jī),在聚合物層鍍上鎳/鈦金屬反射層.然后重復(fù)上述操作,在金屬反射層的基礎(chǔ)上再鍍一層聚合物層作為保護(hù)層.最后,將光纖插入玻璃管中形成傳感器件,光纖端面距離聚合物-金屬薄膜15μm,用環(huán)氧樹脂固定接口處.鍍膜厚度的控制是此類傳感器的制備難點.

圖26 (a),(b),(c),(d)基于聚合物液滴FPI的制備流程圖;(e)光纖端面FPI傳感器示意圖[24]Fig.26.(a),(b),(c),(d)Schematic diagram of the fabrication process of the FPI sensor based on pendant polymer droplet;(e)schematic diagram of the fiber-tip FPI sensor[24].

2015年,Sun等[24]制備出基于聚合物液滴的F-P干涉儀,其制備工藝如圖26(a)—(d)所示.控制馬達(dá)使浸泡過紫外固化液的單模光纖SMF1緩慢移動,逐漸靠近SMF2的端面,使SMF2接觸到紫外固化液,然后將SMF2取出.用強(qiáng)度270 mW/cm2的紫外光在室溫下照射30 min,得到折射率1.524固體聚合物.制備完成的基于聚合物液滴的F-P干涉儀如圖26(e)所示,L表示FPI的腔長.

圖27所示為不同腔長對應(yīng)的反射光譜及FSR與腔長的函數(shù)關(guān)系.

圖27 (a)室溫下不同腔長相應(yīng)的反射光譜和顯微圖像;(b)FSR與腔長的函數(shù)關(guān)系圖[24]Fig.27.(a)Re flection spectra and optical microscope images of FPIs with different cavity lengths in air at room temperature;(b)the functional relationship between FSR and cavity length[24].

4 光纖F-P干涉儀傳感應(yīng)用

4.1 溫度傳感器

2008年,Wei等[20]提出了利用飛秒激光制備微型F-P傳感器.腔長隨溫度的變化函數(shù)如圖28所示,腔長隨著溫度近似呈線性增加.該光纖F-P干涉儀測試溫度高達(dá)1100°C,但是當(dāng)溫度增加到1100°C時,干涉條紋可見度減小2 dB.這種特殊的F-P干涉儀對溫度的敏感性0.074 pm/°C.

圖28 傳感器對溫度變化的響應(yīng)[20]Fig.28.Fiber inline F-P device in response to temperature change[20].

2015年,Yang等[36]研制的基于一個充滿汞的石英管光纖F-P干涉溫度傳感器,傳感器的F-P腔是由水銀柱和單模光纖端面之間的空氣腔形成,腔長隨溫度的變化情況如圖29所示.這種傳感器表現(xiàn)出?41.9 nm/°C的一種超高的溫度靈敏度.

圖29 空氣腔腔長關(guān)于溫度的函數(shù)[36]Fig.29.A function between air-cavity length and the temperature[36].

此外,用于溫度傳感的F-P干涉儀已經(jīng)有了很多改進(jìn),例如,它可以與邁克耳孫干涉儀相結(jié)合,制作一個混合式的溫度傳感器[37].2010年,Kou等[38]提出的全玻璃F-P模態(tài)干涉儀(Fabry-Perot modal interferometer,FPMI)的溫度靈敏度大約在20 pm/°C.2010年,Zhu等[39]利用薄芯光纖制作的高溫F-P傳感器的靈敏度約為18.3 pm/°C,測試溫度高達(dá)850°C.2010年,柯濤等[40]研制一種全光纖微型F-P高溫傳感器,測溫上限為1200°C,干涉長度為3.46 mm,靈敏度為103 nm/°C.2012年,Rong等[41]提出了一種微型光纖F-P干涉儀在高于80°C 溫度下具有高達(dá)173.5 pm/°C?1的靈敏度并且可以提供恒定的溫度讀數(shù).2013年,Jia和Wang[42]提出了一種基于壓電陶瓷反饋控制腔長的全二氧化硅光纖F-P傳感器可同時用于加速度和溫度的傳感.也有一些基于F-P干涉儀型溫度傳感器的專利[43,44].

4.2 壓力傳感器

2005年,Donlagic和Cibula[12]提出的基于SiO2膜片的全光纖F-P壓力傳感器結(jié)構(gòu),該壓力傳感器對三種不同壓力范圍的響應(yīng)如圖30所示,可實現(xiàn)0—1 MPa的壓力范圍測量.在1550 nm處達(dá)到最大靈敏度為1.1 rad/40 kPa、分辨率為300 Pa.

圖30 傳感器對三種不同壓力范圍的響應(yīng)[12]Fig.30.Responses of pressure sensors for three different pressure ranges[12].

2014年,Liao等[17]提出的亞微米級厚度薄膜的新型F-P干涉儀,三個樣品的壓力性能進(jìn)行比較如圖31所示.樣品S1,S2,S3的薄膜厚度分別為約6.7,1.8和0.5μm,通過計算壓力靈敏度分別約為137 pm/MPa,599 pm/MPa和1036 pm/MPa.

早在1997年,Kim等[45]提出了一種基于Si3N4/SiO2/Si3N4薄膜的光纖F-P壓力傳感器,具有0.11 rad/kPa的壓力靈敏度.2003年,Zetterlind等[46]提出了一種光纖F-P應(yīng)力傳感器,在不同應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)力靈敏度為1526 nm/RIU.2007年,Aref等[47]提出了一種EFPI壓力傳感器,敏感性為2.75×10?8kPa?1.2013 年,Wang等[48]提出了一種超高F-P壓力傳感器,壓力敏感性超過1000 nm/kPa.此外,在文獻(xiàn)[10,45,49—54]中也有學(xué)者研制出其他類型的光纖F-P壓力傳感器.同時,也有一些基于FPI型壓力傳感器的專利[55?58].

圖31 三個樣品在1550 nm處波長隨氣壓的漂移[17]Fig.31.Wavelength shift of the interference dip at 1550 nm for the three sensor samples with the gas pressure applied[17].

大多數(shù)光纖F-P腔壓力傳感器仍處于實驗室研制階段,不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用.但是在實驗室研究的基礎(chǔ)上,也有一些國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和公司研究開發(fā)了一些用于實際應(yīng)用的光纖F-P腔壓力傳感器.2007年,大連理工大學(xué)物理系和中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院設(shè)計研制了基于光纖EFPI腔的波長解調(diào)型光纖壓力傳感系統(tǒng).該系統(tǒng)采用激光熔接制備的光纖F-P傳感頭,在壓強(qiáng)0—30 MPa范圍內(nèi),系統(tǒng)壓力測量分別率達(dá)到0.003 MPa[59].2010年,由山東省科學(xué)院激光研究室承擔(dān)的“光纖高溫高壓井測試技術(shù)”課題通過科技部驗收.該課題組根據(jù)高溫高壓油井的特殊應(yīng)用環(huán)境,深入開展了耐高溫光纖傳感技術(shù)研究,在國內(nèi)首次自主研制出了可在溫度220°C和壓力100 MPa下長期使用的固定式高精度光纖壓力傳感器,除了油井檢測應(yīng)用之外,這一光纖溫度壓力傳感器在電力、化工、礦山等許多領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景[60].此外,加拿大FISO公司在醫(yī)療應(yīng)用中引入光纖傳感技術(shù),憑借其光纖壓力傳感器系列,已達(dá)到世界領(lǐng)先的光纖壓力傳感器OEM供應(yīng)商地位[61].該公司研制的小型光纖壓力傳感器在顱內(nèi)壓、動脈血壓、膀胱/尿道壓力、椎間盤內(nèi)壓、內(nèi)髓內(nèi)壓等醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用.

4.3 溫壓一體傳感器

隨著光纖F-P腔溫壓傳感器制備技術(shù)的成熟,功能齊全、制作簡單的溫壓一體化光纖傳感器被越來越多的科研人員關(guān)注.2016年,Xu等[62]提出了一種光纖F-P干涉儀用于氣體壓力和溫度的測量.室溫下(25°C)該傳感器在1520—1535 nm波長范圍內(nèi)不同氣壓下的反射光譜如圖32(a)所示.在圖32(b)中,氣壓從0到1.12 MPa變化,諧振峰向長波方向漂移.通過線性擬合,得到兩個諧振峰的氣壓靈敏度分別為2126 pm/MPa和1711 pm/MPa.不同環(huán)境溫度下器件的反射光譜如圖33(a)所示.溫度從20.0°C到36.0°C變化時,諧振峰波長的漂移情況如圖33(b)所示.通過線性擬合,得到兩個諧振峰的溫度靈敏度分別為7.1 pm/°C和5.6 pm/°C.

此外,2011年,Wu等[63]提出了一種基于PCF的光纖F-P傳感器,分別研究了在25—700°C和0—40 MPa的溫壓特性,得到其溫度靈敏度為13 pm/°C,壓力靈敏度為?5.8 pm/MPa.同時,也有學(xué)者研究了溫壓一體傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,2015年,Sven等[15]提出一種用于人體尿動力學(xué)檢測的溫壓一體傳感器,分辨率優(yōu)于0.1 cmH2O(～10 Pa),穩(wěn)定性優(yōu)于1 cmH2O/h.

圖32 (a)溫壓一體傳感器承受不同壓力時反射光譜的演變;(b)不同壓力情況下諧振峰的漂移[62]Fig.32.(a)Re flection spectra of the temperature and pressure sensor under different pressures;(b)dip wavelength versus pressure[62].

圖33 (a)溫壓一體傳感器不同溫度變化時反射光譜的演變;(b)不同溫度下諧振峰漂移情況[62]Fig.33.(a)Re flection spectra of the temperature and pressure sensor under different temperatures;(b)dip wavelength versus temperature[62].

5 結(jié) 論

本文對幾種常用光纖F-P腔溫度和壓力傳感器的制作工藝做了總結(jié)性介紹.對比分析了不同加工工藝下傳感器的性能.光纖傳感器正朝微型化、低成本、耐惡劣環(huán)境和實用化方面發(fā)展.我國對光纖F-P腔溫度和壓力傳感器的研究水平與國際領(lǐng)先水平還有不小的差距,主要表現(xiàn)在實用化方面,多處于實驗室研制階段,不能投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用.近年來,國內(nèi)各大高校和科研院所都加大了對光纖F-P腔溫度和壓力傳感技術(shù)的研究工作,取得了很大的進(jìn)展.光纖傳感器的各種優(yōu)異性能決定了其廣泛的應(yīng)用前景,所以對光纖F-P腔壓力傳感器的制作工藝進(jìn)行深入的研究是很有必要的.

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