以扫描法布里-珀罗共振器作为传感部分元件的光学压力传感器

摘要

测力传感器包括：主体15，感应元件27(用其相对主体的变位计算所加的力)和光检测组件1，8，该主体和元件组成短的法布里-珀罗共振器21、23。该组件包括宽谱光源和共振器的光强检测器8及光导3。扫描法布里-珀罗共振器41，49，51位于光源和检测器之间，其光程周期可控的检测器显示强度最小或最大值，而相角检测元件在来自扫描共振器的强度信号为最小或最大时检测，以确定与施加在感应元件上的外力成比例的感应共振器4的光程。

说明书

本发明涉及一种测力传感器，更具体地涉及包括：主体部分，弹性地安装在所述主体部分上的感应元件，作为一个受力元件的致动后感应元件可利用其相对于主体部分的弯曲度计算施加在所述感应元件上的力，和决定感应元件弯曲度的光学检测装置的光学压力传感器。

本发明主要用于测量绝对压力、压差和加速度。它同时适用于测量力。

温度和压力是工业过程中最普通的测量变量，压力传感器已经迅速地朝着更小型、和高性能的方向发展。这主要归功于把微电子技术的硅技术应用到以硅为基础的传感器上。

硅有着极佳的力学性质，它遵循胡克定律直至达到致断应力并且在600℃以下是无磁滞的。硅上可生成一层氧化物或氮化物使之耐化学腐蚀。

传感器以固定结构和振动结构为基础。传统做法是，压力变化是借助压阻效应，电容变化或光强变化以固定结构形式测得。压阻传感器是利用硅的电特性和力学性质;而电容或光学传感器则只利用硅的力学特性。

电容传感器的灵敏度对温度的依赖和残留误差漂移（offset    drift）明显地比压阻传感器小。而且电容传感器在低温范围内保有优越的性能。

B.Culshaw′已发现一种以硅技术为基础的光敏压力传感器。所述传感器的内部包括有一个机械的震动桥，其张应力与所施加的力有关。该桥的共振频率是张应力的一个函数。由传感器输出的信号正是桥的共振频率。

该传感元件的输出频率可以被高精度地测得。该结构的另一优点是传感元件的操作本身无需接电。将传感元件以真空密封，以获得振动元件的足够高的品质因数，但是这一性能带来的缺点是该传感器不适于压差测量。因为应用时必须在传感器内部施加所需的参考压力。这样的传感器对撞击也敏感，即撞击也能够改变该传感应元件的振荡模式。

使振动传感器工作的激励功率越小，振动元件的品质因数就越高。一般地，品质因数通过使传感器的内部变为真空而得到提高。其推论是那些先有技术中的传感器不能用于压差测量是因为该传感器允许振动元件处于参考气压的包围之中，从而使该元件的品质因数降到一个不可接受的低值。

I.A.Dziuban等人已发现一种以硅技术为基础的光敏压力传感器。该传感器的一条光学纤维的末端附着在由单晶硅制成的振动膜上。随着施加压力的变化，振动膜和附着的纤维下垂变弯。纤维末端位于探测元件附近，因而使落在探测元件上的光强取决于纤维末端相对于探测元件的位置。当由于光照射到探测元件上产生了电压或电流时才能得到该传感器的输出信号。

以上实施例因输出信号的灵敏度受到光源强度变化的损害，因此需要利用一个参考通道作为补偿。以往作者们的著作没有揭示任何一种实现这种补偿的方法。另外一个缺点是探测元件输出信号对温度的高度灵敏性，因此必需检测传感器内部温度以供补偿之用。

本发明的一个目的在于克服上述先有技术中的缺点，以获得一种完全新颖的光学压力传感器。

本发明发现一种用于压力和加速度测量的压力传感器。所述传感器既包含固定结构又包含可变位结构。

本发明的基础在于把一个法布里珀罗共振器组成传感器中一个完整的部分，并由在可变共振波长下工作的一独立法布里珀罗共振器检测第一共振器的共振波长。

更确切地说，依本发明该传感器的特征如权利要求1中特征部分所述，即所述传感器的所述主体部分和所述感应元件组成一短的，在反射状态下工作的光学法布里珀罗共振器;所述光学检测装置包括：宽频谱光源;把一束光从所述光源导向所述共振器并导回到检测元件的光导体;把所述共振器接收到的光谱分辨成若干波段的色散元件;检测色散光谱中吸收最大值的波长的检测元件;借此可利用光强最小值的位置计算出与施加在感应元件上的外力成比例的共振器的光程。

本发明有明显的好处。

换句话说，依照本发明的该传感器具有作为传感器的传感部分的一般特性，包含一扫描式法布里珀罗共振器，它对于全部所需被测压力范围都是相同的，感应共振器内可变位的感应反射元件的刚性可由（例如）改变其厚度而选定。以使可移动的反射元件的变位在外力为某一相对值时保持相同，而与测量范围内的最大值无关。于是该扫描共振器总是在相同波长范围内工作。

依照本发明的传感器不带有任何可由撞击致损的振动元件，因而具有极佳的防震特性。传统的传感器也会随周围环境的振动特别是那些近似于传统传感器内部振动元件的共振频率的振动而发生共振。相反，依照本发明的传感器可把振动膜在压力下的共振频率设计得很高，因此任何外界振动的可能影响只能通过加宽线性排列传感元件上光敏区域的光谱谱线才能表现出来，但这并不妨碍检测光谱中的最小值。

依据本发明的传感器中传感部分的电子仪器外壳不易被感应部分遭受的正常撞击所破坏。

依据本发明的该传感器利用一种宽频谱光源，例如小型白炽灯泡或发光二极管。对比激光器而言它们是较廉价的元件，由于温度变化而引起它们波长光谱的任何变化都不会象用激光器时那样降低传感器的功能。

利用宽光谱光源还可以在测量时把有关纤维干扰影响减到最小。

依照本发明的该传感器可以承受光源输出强度的变化而不损害到传感器的测量精度。这是因为检测是基于分辨光强信号的光谱最小值或最大值，而不是检测光强绝对值。

依据本发明的实施例不必为获得最佳品质因数而把传感器腔内变为高度真空，因为感应膜不会振动。测量压差时只需简单地在共振器内部加上参考压力。

先有技术的传感器除带有振动元件的类型之外，均适于测量加速度。振动元件只在张应力下可工作，因此不适于测量在元件上可产生压缩应力的力。这种传感器其内部为其空，因此不能装有感应振动膜，因为振动膜必须得经得起环境压力。本发明不受这个限制，因如果光学共振器的可移动反射元件振动膜的两面都在同一压力作用下则可制得极其灵活。当需要一个特别灵敏的加速度传感器时，则最好在共振器的反射元件振动膜上装备一个附加质量。

下面结合实施例的附图详细说明本发明。

图1以图解方式表示本发明的传感器中光学共振器的功能;

图2用图解法表示本发明的传感器;

图3为图1所示传感器结构的一个可选实施例;

图4为图1所示传感器结构的另一个可选实施例;

图5表示图1所示传感器结构的又一个可选实施例;

图6表示图1所示传感器结构的另外一个可选实施例;

图7表示本发明的感应法布里珀罗共振器的纵向剖面侧视图;

图8表示本发明的扫描式法布里珀罗共振器的纵向剖面侧视图;

图9表示图7所示感应光学共振器的可选加速度型实施例的纵向剖面侧视图。

参照图1，当为扫掠感应共振器4的整个光程X而设计扫描范围S时，则每当共振器4和6的光程重合时，检测器8就显示光强最小值。因为扫描共振器6在光程范围S内作周期重复扫描，因此，可从测得最小值时扫描共振器6的相角分辨出感应共振器4的光程。感应共振器4的光程因施加的力，（如压力），的影响而改变，并由于结构刚性是已知的，施加的力的大小可由共振器的光程变化计算出来。其结果是，该装置必须配以在检测强度最小值或最大值时能够分辨扫描共振器6的相角的相位检测元件。测得的相角直接表示扫描共振器4的光程，因而能够计算出所施加的力，光源1可为任何一种宽光谱光源，如白炽灯或发光二极管。

参考图2，由光源1发出的一束白光沿光学纤维5先通过扫描共振器，后沿一主纤维3到达感应共振结构4。该结构反射除一个或多个窄带波段以外的全部光。因此，感应共振结构4起到一个带阻滤波器的作用。反射后的光谱沿主纤维3返回到分支耦合器9，一部分光从那里经过分支纤维7到达检测器8，扫描共振器6大大衰减除不能与共振器发生共振的所有其它波长，从而起到了一个带通滤波器的作用。

参照图3，光源1和扫描共振器6位于分支纤维7的一侧。本实施例的原理与图2所示原理相同。

参照图4，为实现本发明的传感器，因此只在分支纤维7的末端放置光源1，一束光则直接经过分支耦合器9到达感应共振器4在这一实施例中，带通滤波后的返回光谱在扫描共振器6中经带通滤波。如有需要，检测器8可直接与共振器6合成一整体，从而可省略连接纤维5。

参照图5，依照图4沿主纤维3和分支纤维7放置的元件之间可以互换。

参照图6，感应共振器4和扫描共振器6位于主纤维3的两端。由光源发出的光线沿分支纤维11先经过扫描共振器6，在本实施例中，该扫描共振器作为一个反射共振器并因此执行带阻滤波作用。接着该光线传到主纤维3的另一端并从那里到达感应共振器4。当共振器4和5的光程相等，一个光强最大值沿分支纤维7经过分支耦合器10被送到检测器。

参照图7，光线沿光学纤维3组成的光导导入传感器结构4。传感器结构4包括主体部分15和完整的致动感应振动膜27。该振动膜很薄，以致于一个施加在振动膜上的外力F可以在所述振动膜27和传感器结构的主体部分之间的距离上产生一个可测量的变化。所以，致动的感应振动膜27可被认为是弹性附着在传感器主体部分15上的一个元件。由光学纤维3发出的一束光穿过主体部分15的透光段从而照射到与主体部分15结成一体的部分透光的反射元件21上。一部分光通过该反射元件进入共振空间33，并穿过该空间照射到致动感应振动膜上的反射元件表面23。当共振器的光程d等于半波长的整数倍时，则那些宽频谱光中的波长组分就衰减得多，因此这种波长在从光学纤维3接收到的返回信号中被检测为吸收最大值。当一个更大的力F′施加在致动振动膜27上，振动膜27和传感器主体部分之间的距离减到值为d′时，就可检测出新的吸收最大值。

如图2所示，在工业生产中，传感器结构4是利用传统的薄膜淀积工艺制造的。在该过程中，单晶硅的基片15上被涂敷一层部分透光的金属镀层21。接着，在金属镀层21上生成二氧化硅层25，其厚度决定了共振空间33的基本高度。在二氧化硅涂层25上再淀积第二金属镀层23，其作用是作为共振器33的另一个反射元件。在金属镀层23上淀积一层多晶硅层27其厚度和直径（或边长）决定传感器4的机械灵敏度。运用适当的方法，刻蚀二氧化硅涂层25以形成共振器空间33。利用（例如）玻璃的中间涂层29把保护元件30附着在由多晶硅制成的感应振动膜27上。保护元件30有一适当的进气口，以便在压差测量时把被测压力引入传感器内部。在金属镀层23上淀积一层多晶硅涂层27，其厚度和直径（或边长）决定传感器4的机械灵敏度。运用适当的方法，刻蚀二氧化硅涂层25以形成共振器空间33。利用（例如）一玻璃的中间涂层29把保护元件30附装到由多晶硅制成的感应振动膜27上。保护元件30有一适当的进气口，以便在压差测量时把被测压力引入传感器内部。在绝对压力测量中，由于感应共振器的结构与扫描共振器的相似。因此保护元件30是多余的。参考压力经通道31引入共振器，但在绝对压力传感器中则可省略这一步骤。

下表给出传感器元件的典型尺寸：

参照图8，扫描共振器8的结构很大程度上与图7所示感应共振器相似。图中所示光学纤维5和3的标号对应图2和图4中所用标号。共振器包括与作为反射元件的金属镀层41互补的主体部分55。金属镀层41的边由二氧化硅涂层57从下面支承，该二氧化硅涂层的厚度决定了共振腔51的光程d。在二氧化硅涂层57的下面是作为共振器51的另一反射元件的第二金属镀层49。第二金属镀层49下面由充当可变位涂层结构的支撑元件的多晶硅涂层53支撑主体部分55与第一电极43合为一体，多晶涂层载有第二电极45，利用加在所述电极上的电压U来调节（例如）共振器51在d与-d′值之间的长度。共振器的光程根据下列公式由静电压力Ps来调整。

Ps＝ 1/2 ε₀（>2

由此，振动膜涂层53可借助于所施加电压U来移动。

为决定施加在传感器上的力的大小可能会有多个不同的可选实施例。例如，图8所示扫描共振器的带通波长与电压U的关系可以通过实验方法轻易地确定。利用类似的实验方法，也能确定图7所示共振器的共振波长与所施加压力的关系。因此当对应于测量系统检测器8所显示的强度最小值或最大值的电压U是已知时，外加力或压力最终由校准曲线确定。

对扫描共振器的控制可以多种不同方法实现。控制电子线路可设计成使检测器经常锁定在强度最小值（或最大值），从而使电压U跟随所施加的压力。

另一方面，可调整电压U，使振动膜53周期循环地在共振器的最大波长和最小波长之间变位。之后，检测器8在每半周期间指示一个最小值（或最大值），使调整后的电压相角与共振器的瞬时光程有关，因此与施加压力或力的大小有关。为指示相角（或瞬时时间），可采用一由适当算法控制的微处理机来检测强度最小值。

下面给出这样一种计算算法的示范性实施例：

当扫描共振器被控制在位置0时，即处于扫描变位S（参照图1）的起始位置时启动计数器，并在接到检测器的最小值信号Imin时停止计数。则

(t)/(ts) ＝ (x)/(s)

其中t是从瞬时时间0（等于扫描开始）到强度最小值Imin的时间;s是扫描的光程;x是最小值的显示位置;ts是扫描全程s的所需时间

X＝ (t)/(ts) ×S

参照图9，在感应振动膜27上可配备一个附加物37，从而使传感器极适于测量加速度。

在生产过程中，整个传感器可在一个基片上制成。

注：

1.B.Culshaw，“Micromachined    Silicon-A    Synergistic    Approach    to    Optical    Fibre    Sensing?”，Proc.7th    Optical    Fibre    Sensors    Conference，Dec.2-6，1990，Sydney，New    South    Wales.

2.l.A.Dziuban    et    al.，“Silicon    Optical    Pressure    Sensor”，Eurosensors    V，Book    of    Abstracts，30    Sept.-2    Oct.1991，Rome.