基于波长解调的光纤MEMS压力和温度传感器的研究

发布时间：2020-02-27 10:32

【摘要】：光纤MEMS (微机电系统)传感器既具备MEMS传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的优点,又具备光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、易于组成分布式测量网的特点。本文重点介绍了光纤法布里-珀罗干涉型MEMS压力传感器的设计、制作以及测试方法,并提出了一种新型的光纤MEMS温度传感器。设计了一种光纤MEMS微压传感器。讨论了敏感膜厚度对压力敏感膜挠度的影响,在此基础上设计了台面膜结构的光纤压力传感器,建立了台面膜的力学模型,分析了敏感膜厚度以及台面高度对传感器性能的影响,并用有限元分析软件ANSYS仿真模拟了台面膜的力学性能。讨论了法-珀腔腔长对传感器性能的影响。考虑传感器实际结构,建立了热应力情况下压力敏感膜挠度的公式。采用控制变量法,分别讨论了压力敏感膜膜厚、半径以及玻璃管壁厚对挠度的影响,利用麦夸特(Levenberg-Marquardt)算法对ANSYS仿真结果进行拟合修正,得到了适用于实际结构周边用玻璃管固支情况下压力敏感膜的公式。研究了传感器的加工工艺,并搭建了压力测试系统进行性能测试。详细讨论了实验数据的提取与处理方法,利用双峰追踪的峰值解调法对从ENLIGHT中提取的大量光谱数据进行腔长计算。对制作好的传感器样品进行线性度、灵敏度性能的测试,并给出了实验结果。设计并制作了一种基于双金属效应的新型光纤法布里-珀罗MEMS温度传感器。研究了传感器的力学模型,讨论了传感器的灵敏度,确定了双金属材料,并用有限元软件ANSYS验证了模型的合理性。建立实验测试系统,对温度传感器进行了性能测试。为研究硅基压力传感器的温度补偿提供一定的参考价值。
【图文】：

图１．２体硅工艺制作的光纤法布里一珀罗干涉型ＭＥＭＳ压力传感器逡逑２００５年美国弗吉利亚理工大学的Ｊ．Ｘｕ［８】等人利用氢氟酸刻蚀石英光纤获得逡逑石英薄膜，制作了完全由石英构成的光纤法－珀压力探头，结构如下图１．３所示。逡逑该结构稳定可靠，具有２．９３ｍｎ／ＰＳｉ的压强灵敏度，并且对温度的敏感系数低，逡逑能在７００°Ｃ的高温下工作。逡逑Ｆｕｓｅｄ邋ｓｉｌｉｃａ逡逑ｄｉａｐｈｒａｇｍ逡逑１，ｎ：．．．．．．．．．．．．．ｒ［ｙ逡逑Ｊ｜逦＼邋Ｔｈｅｍｉａｌ邋ｔｌｉｓｉｏｎ逡逑Ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ邋＾逦＾邋ｂｏｎｄｉｎｇ逡逑ｆｉｂｅｒ逦Ｉ逡逑Ｓｉｎｇｌｅ邋ｍｏｄｅ邋逦邋｜逦邋Ｆｕｓｅ＜１邋ｓｉｌｉｃａ逡逑ｆｉｂｅｒ逦ｔｅｍｊｌｅ逡逑图丨．３熔融石英构成的法珀腔逡逑２００７年，美国斯坦福大学的Ｇ．Ｃ．ＨＵ１和Ｒ．Ｍｅｌａｍｕｄ等人［９１设计了基于ＳＵ－８逡逑光刻胶结构的光纤Ｆ－Ｐ压力传感器，传感器结构如图１．４所示。他们利用三次光逡逑３逡逑

图１．４基于ＳＵ－８结构的光纤Ｆ－Ｐ压力传感器示意图逡逑２０１０年，，美国马里兰大学Ｈ．Ｂａｅ等人［１Ｇ］，设计了一个利用４５度光纤和光逡逑刻工艺巧妙结合的微压传感器，如图１．５所示。他们先将单模光纤一端研磨成４５逡逑度角，并镀上金属膜，然后在４５度光纤外部涂覆光刻胶，将紫外光由光纤入射，逡逑光束在４５度发生反射，在光纤侧壁出射，紫外光照射到的区域的光刻胶被曝光，逡逑进行显影后，光纤侧壁光出射处光刻胶形成一个凹坑。在凹坑上方制作一层内逡逑表面镀有金属膜的有机膜，就形成了光纤Ｆ－Ｐ压力传感器。这是首次运用４５度逡逑光纤制作轴向垂直结构的Ｆ－Ｐ压力传感器，其灵敏度为０．００９ｕｍ／ｐｓｉ。但由于敏逡逑感膜是有机膜，整个传感器的机械性能不太理想。逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】

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本文编号：2583260