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CN111982171A - 一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检测方法 - Google Patents

一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检测方法 Download PDF

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CN111982171A
CN111982171A CN202010893048.5A CN202010893048A CN111982171A CN 111982171 A CN111982171 A CN 111982171A CN 202010893048 A CN202010893048 A CN 202010893048A CN 111982171 A CN111982171 A CN 111982171A
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尹锐
罗艳霞
黄庆捷
季伟
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Shandong University
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Shandong University
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Abstract

本发明涉及一种基于马赫‑曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检测方法，该传感器包括马赫‑曾德尔结构，马赫‑曾德尔结构包括输入分束器、长度不等的两个干涉臂、输出合束器，当压力作用在压力感知区时，通过器件输出光谱的中心波长的改变量求出压力感知区的有效折射率改变量，再由光弹效应计算出压力感知区所施加压力的大小，输出光谱的中心波长为输出强度与输入强度比值最大时对应的波长。本发明提供的压力传感器及其检测方法具有超大量程，器件测量的量程可达40MPa，当外界压力在0‑40MPa变化时，器件的中心波长在1525‑1565nm之间随压力线性变化。

Description

一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检 测方法
技术领域
本发明涉及一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器及其检测方法，属于压力测量技术领域。
背景技术
高精度压力传感器主要应用于汽车工业、自动控制、航天航海、医疗卫生和军事等方面，在未来的机器人、机械臂感知、自动驾驶、人工智能控制等方面有着广阔的应用。光学测量理论上具有比机械方法更高的精度，目前高精度传感主要依靠光学方法来实现。光学芯片传感器具有传感器本质绝缘、抗电磁干扰、高集成度，高带宽、可复用以及生物化学相容性等特点，在生物分子检测、环境污染治理及化学过程控制等领域具有广泛应用。目前集成光学实现压力传感主要有两种形式：马赫-曾德尔干涉型和微环。
马赫-曾德尔干涉型集成光波导传感器通过采用干涉测量法产生相位调制以便获得较高的灵敏度和分辨率，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪的新型光波导传感器具有许多优点，例如插入损耗低，制造方法简单，结构紧凑，成本低。因此，该类型的光波导传感器被用以测量各类参数，其发展前景相当广阔。传统的马赫-曾德尔型传感器是基于光强度检测的，待测量与光强之间的关系为正弦余弦曲线，在实际使用中通常采用的方法是仅使用其中线性度较好的一段；同时在压力测量范围较大的情况下，压力变化量引起的光强的变化较小，其灵敏度与测量范围之间存在一定的矛盾。而且由于这种测量方法本身不是线性的，给出厂校准和后期校准带来极大的不便。
微环结构的压力传感器的压力与反射谱的中心波长是线性的，但是中心波长的改变量太小，几十兆帕压力下中心波长改变量不到1nm，而一般波长解调仪的精度只能达到1pm，因此微环结构的压力传感器的分辨率太低是主要缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，具有测量范围大、测量结果线性、成本低、灵敏度高、抗干扰性能强、制作简单且结构坚固等优点。
本发明还提供了一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法。
本发明的技术方案为：
一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，所述传感器包括马赫-曾德尔结构，所述马赫-曾德尔结构包括输入分束器、长度不等的两个干涉臂、输出合束器，输入分束器的两个输出端口分别与两个干涉臂的一端相连接，两个干涉臂的另一端分别与输出合束器的两个输入端口相连接；在其中一个干涉臂上设置压力感知区，当压力作用在压力感知区时，会导致压力感知区中干涉臂的有效折射率改变，进而引起器件输出光谱的中心波长的变化，并且压力感知区中干涉臂的有效折射率改变量与中心波长的变化量是线性的，所述输出光谱的中心波长为输出强度与输入强度比值最大时对应的波长。
在传感器中，输入耦合器用于把输入光信号在保持相位不变的前提下等分为两份；两根长度不同的单模波导用于在上下两光路间产生相位差；输出耦合器用于把两路光信号耦合进一个输出通道。经过所述输入耦合器，宽谱光信号按功率被等分为两束，两束单波长光信号具有相同的相位，经过两根长度不同的单模波导后，将两束单波长光信号送入所述输出耦合器发生干涉叠加，再输出合束器的输出端得到输出光谱，从而得到输出光谱的中心波长。
根据本发明优选的，压力感知区中干涉臂的长度为1000-106μm。压力感知区包含的波导长度越长，测量灵敏度越高，干涉臂长度在该范围内能够达到较高测量灵敏度。
根据本发明优选的，两个干涉臂之间的长度差为1～500μm；进一步优选的，两个干涉臂之间的长度差为42.4μm。长度差越大，感知的量程越小，在该长度差范围内，检测效果最好。
根据本发明优选的，干涉臂的横截面宽度为1～10μm，横截面厚度均为1～10μm。
根据本发明优选的，所述干涉臂包括芯层和包层，所述包层包围在所述芯层的外侧。
根据本发明优选的，芯层的折射率为1.45-1.51，包层的折射率为1.40-1.45；进一步优选的，芯层的折射率为1.4746，包层的折射率为1.4448。
根据本发明优选的，输入分束器为Y分支型或1分2型输入分束器，输出合束器为Y分支或2合1型输出合束器。在Y分支型输入分束器中，光从Y分支型的单波导部分输入，从Y分支型的两个分支输出光；在Y分支型输出合束器中，光从Y分支从Y分支型的两个分支输入，从单波导部分输出。
上述基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法，包括步骤如下：
(1)将宽谱光输入到所述压力传感器，并使用光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到未施加压力时器件输出光谱的中心波长λ0；
(2)在压力感知区施加压力块或将压力感知区暴露在压力测量区，施加已知压力P1，并将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到当前已知压力下器件输出光谱的中心波长λ1，完成器件的校准；从而确定压力感知区上施加的压力与输出光谱中心波长的变化的线性关系；
(3)将压力传感器的压力感知区暴露在待测压力P2下，将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到待测压力P2下器件的输出光谱中心波长λ2；待测压力P2由式(VI)计算得出，式(VI)为：
Figure BDA0002657493540000031
本发明提供基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法的工作原理：当压力作用在压力感知区时，会导致压力感知区中干涉臂的有效折射率改变，根据非对称马赫-曾德尔干涉器的基本干涉原理得出：
Figure BDA0002657493540000032
式(I)中，ne为两个干涉臂波导的有效折射率，L1为短干涉臂的长度，Ls+L′为长干涉臂的长度，Ls为压力感知区中干涉臂的长度，M＝int[n(L1-Ls-L’)/λ0]，int(·)表示向下舍入取整实数，λ0为未施加压力下，衍射级数为M时的器件输出光谱的中心波长；
当施加压力时，长度为Ls的压力感知区中干涉臂的有效折射率改变量为Δn，此时得到的输出光谱的中心波长λ3，此时的干涉方程为：
Figure BDA0002657493540000041
将两式两边分别同乘以λ0和λ3，然后相减，化简得：
M(λ0-λ3)＝Δn·Ls (III)
令Δλ＝λ0-λ3可得(I)式：
Δλ＝Δn·Ls/M (IV)
再根据光弹效应由式(V)计算得出施加在压力感知区的压强σ，式(V)为:
Figure BDA0002657493540000042
式(V)中，n为材料原本的折射率，πij为光弹矩阵的值，与材料有关，可查资料得到。式(V)代入式(IV)中可得：
Figure BDA0002657493540000043
最后，施加在压力感知区的压力P可由受力面积与压强σ相乘计算得出。因此由式(VII)可知，施加在压力感知区的压力与探测器输出光谱的中心波长的变化Δλ之间为正比例关系。
在光学器件制作及计算的过程中存在误差，通过步骤(1)、(2)确定施加在压力感知区的压力P与输出光谱的中心波长的变化Δλ之间的具体线性关系。
根据本发明优选的，宽谱光输出光谱的谱宽为40nm。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的压力传感器，制作成本低、制备简单、结构坚固，并且器件中心波长的改变量与待测压力的改变量呈线性关系，因此可以做到超大量程，器件测量的量程可达40MPa，当外界压力在0-40MPa变化时，器件的输出光谱的中心波长在1525-1565nm之间随施加的压力线性变化。
2.本发明提供的压力传感器在马赫-曾德尔干涉仪上进行特殊设计，将其中一臂作为感知臂，另外一臂为参考臂，由于两臂可以增加至几十厘米，因此分辨率达到1Pa的分辨率。
3.本发明提供的压力传感器是基于半导体光波导的器件，结构紧凑，尺寸小。
附图说明
图1为实施例1提供的压力传感器的结构示意图；
图2为实施例1中长干涉臂的横截面结构示意图；
1、输入分束器，2、长干涉臂，3、短干涉臂，4、压力感知区，5、输出合束器，6、包层，7、芯层。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，如图1所示，传感器包括宽谱光源、马赫-曾德尔结构和光谱仪，马赫-曾德尔结构包括输入分束器1、长度不等的两个干涉臂、输出合束器5，输入分束器1的两个输出端口分别与两个干涉臂的一端相连接，两个干涉臂的另一端分别与输出合束器5的两个输入端口相连接；在其中一个干涉臂上设置压力感知区4。
当压力作用在压力感知区4时，会导致压力感知区4中干涉臂的有效折射率改变，进而引起器件输出光谱的中心波长的变化，并且压力感知区4中干涉臂的有效折射率改变量与中心波长的变化量是线性的，所述输出光谱的中心波长为输出强度与输入强度比值最大时对应的波长。
其中，宽谱光源和光谱仪在图1中未标识出来。
在传感器中，宽谱光源发出的宽谱光经过马赫-曾德尔结构的输入分束器1分别进入到长度不等的两个干涉臂中，再由输出合束器5输出，经过光谱仪得到宽谱光的输出光谱；
输入耦合器用于把输入光信号在保持相位不变的前提下等分为两份；两根长度不同的单模波导用于在上下两光路间产生相位差；输出耦合器用于把两路光信号耦合进一个输出通道。经过输入耦合器，宽谱光信号按功率被等分为两束，两束单波长光信号具有相同的相位，经过两根长度不同的单模波导后，将两束单波长光信号送入输出耦合器发生干涉叠加，再输出合束器5的输出端得到输出光谱，从而得到输出光谱中心波长。本发明中，器件输出光谱中心波长的改变量与待测折射率的改变量呈线性关系。
本实施例中，长度不等的两个干涉臂分别为长干涉臂2和短干涉臂3，在长干涉臂2上设置压力感知区4，如图1中虚线区域为压力感知区4；压力感知区4中干涉臂的长度为1000μm。压力感知区4包含的波导长度越长，测量灵敏度越高，干涉臂长度在该范围内能够达到较高测量灵敏度。
本实施例中，光波导芯片的总长度为30mm，长干涉臂2长度为22042.4μm，短干涉臂3长度为22000.0μm，两个干涉臂的长度差为42.4μm。长度差越大，感知的量程越小，在该长度差范围内，检测效果最好。
如图2所示，干涉臂的横截面宽度为4μm，横截面厚度为4μm。
干涉臂包括芯层7和包层6，包层6包围在芯层7的外侧。本实施例中，干涉臂由低折射率的二氧化硅包围正方形高折射率二氧化硅组成；芯层7二氧化硅的折射率为1.4746，包层6二氧化硅的折射率为1.4448。
输入分束器1为Y分支型或1分2型输入分束器1，输出合束器5为Y分支或2合1型输出合束器5。在Y分支型输入分束器1中，光从Y分支型的单波导部分输入，从Y分支型的两个分支输出光；在Y分支型输出合束器5中，光从Y分支从Y分支型的两个分支输入，从单波导部分输出。
实施例2
实施例1提供的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法，包括步骤如下：
(1)将宽谱光输入到所述压力传感器，并使用光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到未施加压力时器件输出光谱的中心波长λ0；
(2)在压力感知区4施加压力块或将压力感知区4暴露在压力测量区，施加已知压力P1，并将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到当前已知压力下器件输出光谱的中心波长λ1，完成器件的校准；从而确定压力感知区4上施加的压力与输出光谱中心波长的变化的线性关系；
(3)将压力传感器的压力感知区4暴露在待测压力P2下，将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到待测压力P2下器件的输出光谱中心波长λ2；待测压力P2由式(VI)计算得出，式(VI)为：
Figure BDA0002657493540000071
根据
Figure BDA0002657493540000072
可知，压力与中心波长Δλ的变化量为线性关系，πij为光弹矩阵的值，代表不同方向的光弹系数，与材料相关，可由光弹效应相关的资料查得，如二氧化硅的光弹矩阵为
Figure BDA0002657493540000073
其中π11＝8.3433×10-6/MPa,π12＝7.6901×10-6/MPa。理想情况下可根据式(VII)计算出压力，但是考虑到在光学器件制作的过程中，和计算的过程中存在误差，通过步骤(1)-(2)的校准过程，抵消掉相应的误差，使得压力的测试结果更加准确。
本发明提供的检测方法与传统的马赫-曾德尔传感器相比，具有大量程，并且通过输出光谱的中心波长改变量实现对压力的线性检测。
其中，压力传感器的宽谱光源为ASE宽谱光源，谱宽为40nm。
本发明提供的器件测量的量程可达40MPa，当外界压力在0-40MPa变化时，器件的中心波长在1525-1565nm之间随压力线性变化。

Claims (9)

1.一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，所述传感器包括马赫-曾德尔结构，所述马赫-曾德尔结构包括输入分束器、长度不等的两个干涉臂、输出合束器，输入分束器的两个输出端口分别与两个干涉臂的一端相连接，两个干涉臂的另一端分别与输出合束器的两个输入端口相连接；在其中一个干涉臂上设置压力感知区，当压力作用在压力感知区时，会导致压力感知区中干涉臂的有效折射率改变，进而引起器件输出光谱的中心波长的变化，并且压力感知区中干涉臂的有效折射率改变量与中心波长的变化量是线性的，所述输出光谱的中心波长为输出强度与输入强度比值最大时对应的波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，压力感知区中干涉臂的长度为1000-106μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，两个干涉臂之间的长度差为1～500μm；进一步优选的，两个干涉臂之间的长度差为42.4μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，干涉臂的横截面宽度为1～10μm，横截面厚度均为1～10μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，所述干涉臂包括芯层和包层，所述包层包围在所述芯层的外侧。
6.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，芯层的折射率为1.45-1.51，包层的折射率为1.40-1.45。
7.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器，其特征在于，输入分束器为Y分支型或1分2型输入分束器，输出合束器为Y分支或2合1型输出合束器。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将宽谱光输入到所述压力传感器，并使用光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到未施加压力时器件输出光谱的中心波长λ0；
(2)在压力感知区施加压力块或将压力感知区暴露在压力测量区，施加已知压力P1，并将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到当前已知压力下器件输出光谱的中心波长λ1，完成器件的校准；从而确定压力感知区上施加的压力与输出光谱中心波长的变化的线性关系；
(3)将压力传感器的压力感知区暴露在待测压力P2下，将宽谱光输入到所述压力传感器中，通过光谱仪检测所述压力传感器的输出光谱，得到待测压力P2下器件的输出光谱中心波长λ2；待测压力P2由式(VI)计算得出，式(VI)为：
Figure FDA0002657493530000021
9.根据权利要求8所述的基于马赫-曾德尔结构的大量程线性压力传感器的检测方法，其特征在于，宽谱光输出光谱的谱宽为40nm。
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