CN117268279B - 一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器，设计光纤不同区域不同的有效热胀冷缩与杨氏模量系数，可以区分应变和温度引起的光学响应，能很好的得到应变信号，能够很好的提取应变参数同时减小传感器的尺寸与复杂度，并制造出结构紧凑的光纤应变传感器。

Description

一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器

技术领域

本发明涉及光子与光电子技术领域，尤其涉及一种应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器。

背景技术

光纤应力传感器具有分辨率高、结构紧凑、重量轻、小型化、抗腐蚀、抗电磁干扰等突出优点。尤其是基于光纤低损耗传输，可以实现分布式传感。基于以上优点，其可以用于各类管道、大型建筑、地质工程、铁路工程等众多场景。目前光纤应力传感器主要基于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,MZ)滤波器、法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)干涉仪、光纤光栅、光纤微纳结构以及在光纤端面微反射镜等结构。

具体地，MZ结构需要制作光纤双臂结构，其中一个是传感臂，另一个参考臂。传感臂用于应力响应。由于应力的作用，实现传感臂上光纤光程改变，从而得到干涉峰的改变。这种方案参考臂需要保持很好的稳定性。FP干涉结构可以采用单模-多模-单模光纤结构，因为单模与多模的有效折射率不同，所以形成FP谐振。由于应力导致FP腔体形变，所以FP谐振峰发生改变。光纤微纳结构通过在光纤表面刻蚀微纳结构，由于应变导致了光纤的导致模体积发生改变，从而透射的光功率发生变化。此外，光纤布拉格光栅也是一种广泛使用的应力传感器方案。由于应力导致光纤形变，从而改变光纤布拉格光栅的反射峰，探测波长的改变得到应变量。

目前光纤应力传感器的工作原理都是基于形变从而改变光纤传感器的光学响应。通过检测光功率、波长等参数改变，从而提取应力传感参数。但是应力与温度对光纤传感器的效应都是形变，所以在传感器中很难直接区分光学参数的改变来自于温度还是应力，即温度应力交叉敏感问题。一般在在制作光纤应力传感器需要特殊封装，避免温度影响。或者同时测量温度与应力。但是这些方案也导致了传感器结构复杂，增加制造成本。

发明内容

本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明的一个方面提供了一种应变光纤传感器，包括：光纤表面设置至少三个级联式沟槽结构，每个所述沟槽结构的深度与宽度互不相同，在各个所述沟槽结构中填充互不相同的热胀冷缩与杨氏模量参数的介质；至少三个测试端，每个所述测试端对应一个所述沟槽结构，用于根据测试所述沟槽结构的谐振波长间隔的改变量确定应力与温度参数。

其中，所述光纤包括：塑料光纤和光子晶体光纤。

其中，所述介质包括：固化胶或者镀介质膜。

其中，所述固化胶包括环氧树脂、胶、或者按照不同比例混合所述环氧树脂和所述胶。

其中，所述镀介质膜包括：氧化硅、氮化铝和氧化铝。

本发明的另一个方面提供了一种集成波导传感器，将上述的光纤替换为波导。

其中，集成波导传感器还包括：可调谐激光器宽带光源芯片；所述可调谐激光器宽带光源芯片与所述集成波导传感器的波导传感区域探测器集成在一个载体上。

本发明的又一个方面提供了一种应变光纤传感器制造方法，包括：将光纤放置于石英或者硅片带有V型槽中固定，按照预设沟槽宽度设计光刻板，进行曝光，显影后高温烘烤，坚固带有图案的光刻胶；确定沟槽结构以及填充的介质种类，制作至少三个级联式沟槽结构，每个所述沟槽结构的深度与宽度互不相同，各个所述沟槽结构中填充的介质的热胀冷缩与杨氏模量参数互不相同；利用氢氟酸腐蚀出沟槽结构，在所述沟槽处进行介质填充；在光纤的不同位置设置不同工作波长的光纤应变传感器。

其中，所述利用氢氟酸腐蚀出预设沟槽结构包括：通过控制腐蚀时间或者调整氢氟酸浓度来确定腐蚀的沟槽深度；或者采用高功率激光器进行表面烧蚀，制作沟槽，并通过光功率与时间确定沟槽深度。

其中，方法还包括：保持温度恒定，并改变光纤应力，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定杨氏模量系数E_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与杨氏模量系数E_eff的数据曲线；无外界应力，并改变环境温度，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定有效热胀冷缩系数α_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与有效热胀冷缩系数α_eff的数据曲线。

由此可见，通过本发明提供的应变光纤传感器及其制造方法、集成波导传感器，设计光纤不同区域不同的有效热胀冷缩与杨氏模量系数，可以区分应变和温度引起的光学响应，能很好的得到应变信号，能够很好的提取应变参数同时减小传感器的尺寸与复杂度，并制造出结构紧凑的光纤应变传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的单沟槽填充固化胶结构示意图；

图2为本发明实施例提供的三沟槽填充固化胶级联结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三沟槽填充固化胶级联结构透射谱示意图；

图4为本发明实施例提供的Δλ₁₂与应力和温度的变化曲线

图5为本发明实施例提供的Δλ₂₃与应力和温度的变化曲线

图6为本发明实施例提供的Δλ₁₂与应力和温度同时变化的曲面图；

图7为本发明实施例提供的应变光纤传感器制造方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了本发明实施例提供的单沟槽填充固化胶结构示意图，图2示出了本发明实施例提供的三沟槽填充固化胶级联结构示意图，参见图1和图2，本发明实施例提供的应变光纤传感器，包括：

光纤表面设置至少三个级联式沟槽结构，每个沟槽结构的深度与宽度互不相同，在各个沟槽结构中填充互不相同的热胀冷缩与杨氏模量参数的介质；

至少三个测试端，每个测试端对应一个沟槽结构，用于根据测试沟槽结构的谐振波长间隔的改变量确定应力与温度参数。

具体地，如图1所示，在光纤的包层处设置沟槽结构，并填充介质，使得该部分形成形变区。本发明可以进行有效热胀冷缩α与杨氏模量参数E的设计。

具体实施时，如图1所示的单沟槽填充固化胶结构，在光纤表面刻蚀沟槽结构，其宽度为w，深度为d，填充固化胶。由于固化胶的热胀冷缩系数α、杨氏模量系数E与光纤材料不同。所以在形变区有效热障冷缩与杨氏模量系数与固化胶本身的热胀冷缩系数与杨氏模量以及沟槽深度与宽度都有关系。通过填充不同参数α与E以及w与d可以得到有效热胀冷缩系数α_eff与杨氏模量系数E_eff。具体的参数(α、E、w、d)与α_eff和E_eff的对应关系可通过实验获得。具体地，保持环境温度不变，从而改变(α、E、w、d)数值，光纤两端施加外界应力。由于固化胶的折射率与光纤材料的折射率不同，所以在沟槽两侧界面出形成反射，从而形成FP谐振效应。当外界应力的改变，由于沟槽宽度w的微小变换，导致FP谐振峰的改变。通过谐振峰值的变化量得到对应的E_eff。或者,保证外界不施加应力，从而改变(α、E、w、d)数值，以及改变环境温度，通过FP谐振峰的改变，得到对应的α_eff。保存相关参数，在后续的光纤应变传感器设计中选择所需要的优化数据。

如图2所示，本发明实施例提供的光纤应变传感器的光纤表面制作三个以上级联式沟槽结构。沟槽结构的深度与宽度不同，并填充不同热胀冷缩与杨氏模量参数的介质(固化胶或镀介质膜)。通过测试对应这三个沟槽谐振波长间隔(2个波长间隔量)的改变量确定应力与温度参数。

具体实施时，如图2所示，设计三沟槽填充固化胶级联结构。基于前述有效有效热胀冷缩与杨氏模量参数设计方法。设计三个沟槽对应的形变区不同的α_eff和E_eff参数。此外，这里由于是三个沟槽形成三个基本的FP腔结构，所以可以得到图3所示的透射谱。在测试波长范围内的λ₁，λ₂和λ₃对应了形变区1，形变区2和形变区3的谐振腔的透射谱。其中Δλ₁₂＝λ₂-λ₁；Δλ₂₃＝λ₃-λ₂。

如果外界环境温度不变，光纤两端施加应力。此时，三个形变区由于不同的Eeff，所以导致的沟槽区的宽度改变量不同。根据光学谐振的基本原理可以知道三个形变区的谐振峰λ1，λ2和λ3的改变量不同。因此，如果在环境温不变情况下，若有应力，根据每个波长改变量Δλ1，Δλ2和Δλ3即可以得到应力检测数据。

如果光纤两端不施加应力，改变环境。此时，三个形变区由于不同的αeff，也会导致的沟槽区的宽度改变量不同。根据光学谐振的基本原理可以知道三个形变区的谐振峰λ1，λ2和λ3的改变量不同。因此，如果在光纤两端不施加应力情况下，若环境温度改变，根据每个波长改变量Δλ1，Δλ2和Δλ3也可以得到温度检测数据。

以上两种情况下，可以很好的实现单独的应力或温度传感。但是当改变环境温度以及光纤两端施加应力时，该光纤结构出现特殊的光学响应。具体地，因为不同的α_eff和E_eff，每个形变区的热胀冷缩与形变引起的波长改变是不同的，不同形变区波长改变也是不同的。由于温度和应力引起的结构形变量不同，所以波长改变量也不同。通过改变环境温度(T)与应力(σ)，测试Δλ₁₂与Δλ₂₃的量，得到一一对应的关系，即Δλ₁₂＝f(T,σ)；Δλ₂₃＝g(T,σ)。对于具体的光纤应力传感器测试相关数据，这样只要测试Δλ₁₂与Δλ₂₃的量，即可获得施加在光纤传感器的应力参数。为了进一步说明这个问题，把测试情况更加具体化。如图4所示，首先测出来Δλ₁₂与温度变化曲线T以及Δλ₁₂与应力变化σ曲线。可以看出Δλ₁₂的变化量δ(Δλ₁₂)对应了可能的温度变化ΔT，也可能是应变变化Δσ。这时候是无法根据一个波长间隔Δλ₁₂或Δλ₂₃确定温度与应变。但是如图5所示，由于三个沟槽α_eff和E_eff参数不同，所以Δλ₂₃关于温度与应力的变化曲线是和Δλ₁₂的情况不同的。因此，如图6，Δλ₁₂的变化量δ(Δλ₁₂)以及Δλ₂₃与δ(Δλ₂₃)对应不同的变化量ΔT与Δσ。这样通过同时测量Δλ₁₂与Δλ₂₃的变化可以唯一确定ΔT与Δσ。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，光纤包括：塑料光纤和光子晶体光纤。具体地，本发明实施例提供的应变光纤传感器可在塑料光纤、光子晶体光纤上制作沟槽结构以及填胶，从而实光纤应变传感器以及分布式传感。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，介质包括：固化胶或者镀介质膜。其中，固化胶包括环氧树脂、胶、或者按照不同比例混合环氧树脂和胶。镀介质膜包括：氧化硅、氮化铝和氧化铝。具体地，可以在沟槽中可以填EPO-TEK牌的UV353nd环氧树脂、日本NTT6001胶，以及它们的不同比例混合的混合物；在沟槽中可以镀氧化硅、氮化铝、氧化铝等介质膜，替代固化胶。不同沟槽中镀膜种类不同，也可以膜的材料组分不同。

作为本发明的另一个实施例，本发明提供了一种集成波导传感器，该集成波导传感器将上述应变光纤传感器中的光纤替换为波导。同样可以实现波导传感器的分布式传感。

作为本发明实施例的一个可选实施方式，集成波导传感器还包括：可调谐激光器宽带光源芯片；可调谐激光器宽带光源芯片与集成波导传感器的波导传感区域探测器集成在一个载体上。具体地，将可调谐激光器宽带光源芯片与集成波导传感功能与以及探测器集成一个载体上，从而可以实现小型化的传感器模组。

具体地，基于本发明的原理，也可以在集成波导上制作沟槽与填胶，从而实集成化应力与温度传感。具体地，可以在波导上刻蚀不同的宽度与深度的波导结构，并填充不同的固化胶，从而实现微小型应变与温度传感器。波导集成芯片的另一优点是可以将宽带光源芯片与波导传感区以及探测器集成在一个载体上，从而实现结构小型化的传感器模组。

基于本发明的原理，也可以在光纤沟槽区镀氧化硅、氮化铝等不同的介质膜。由于不同材料的介质膜的热膨胀系数以及杨氏模量不同，此外也可以通过镀膜的厚度等参数结合沟槽结构调控有效热膨胀系数与杨氏模量值。尤其是对于集成波导传感器，镀膜工艺与波导微纳工艺是兼容的。

由此可见，通过本发明实施例提供的应变光纤传感器，通过在光纤表面制作三种以上沟槽结构。每种沟槽的宽度和深度不同，并填充不同热膨胀系数和杨氏模量的固化胶。通过调整沟槽的宽度和深度，以及填充的不同固化胶可以实现调节具有沟槽的光纤区域内有效热膨胀系数以及有效杨氏模量参数。填充固化胶的沟槽会形成法布里-珀罗光学谐振。因为光纤应变以及温度导致沟槽形变，法布里-珀罗(FP)谐振峰会发生改变。但是由于每个填胶沟槽光纤区域的有效热膨胀系数和杨氏模量参数不同，所以谐振峰的波长该变量也不同，这样可以实现对温度和应变量的提取。本发明避免了传统基于法布里-珀罗谐振的光纤应变传感中无法直接区分传感量来自于温度与应变的困难，从而降低对光纤传感器封装的要求，实现低成本的传感应用。

本发明实施例提供的应变光纤传感器，结构紧凑且灵敏度高，可以用于管道、建筑、机械等方面实现应变的点测量以及分布式传感、物联网等领域。

图7示出了本发明实施例提供的应变光纤传感器制造方法的流程图，通过该方法可以制造出上述应变光纤传感区，参见图7，本发明实施例提供的应变光纤传感器制造方法，包括：

S1，将光纤放置于石英或者硅片带有V型槽中固定，按照预设沟槽宽度设计光刻板，进行曝光，显影后高温烘烤，坚固带有图案的光刻胶。

具体地，本步骤在光纤表面进行沟槽制作：

将光纤放置于石英或者硅片带有V型槽中固定，对于需要的沟槽宽度设计光刻板，进行曝光，显影后高温烘烤，坚固带有图案的光刻胶。

S2，确定沟槽结构以及填充的介质种类，制作至少三个级联式沟槽结构，每个沟槽结构的深度与宽度互不相同，各个沟槽结构中填充的介质的热胀冷缩与杨氏模量参数互不相同。

具体地，选择合适的沟槽结构以及填的胶种类，制作至少三个沟槽的级联结构，每个沟槽参数不同，从而确保Δλ₁₂与Δλ₂₃关于温度和应力不同的曲线。建立同时温度与应力变化的Δλ₁₂与Δλ₂₃变化曲线与数据库。根据这些数据，可以确定在待测温度与应力改变时候获取的Δλ₁₂与Δλ₂₃等反推出温度与应力参数。

S3，利用氢氟酸腐蚀出沟槽结构，在沟槽处进行介质填充。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，利用氢氟酸腐蚀出预设沟槽结构包括：通过控制腐蚀时间或者调整氢氟酸浓度来确定腐蚀的沟槽深度；或者采用高功率激光器进行表面烧蚀，制作沟槽，并通过光功率与时间确定沟槽深度。

具体地，利用氢氟酸腐蚀出沟槽结构。通过控制腐蚀时间或者调整氢氟酸浓度来确定腐蚀的沟槽深度。也可以采用高功率激光器进行表面烧蚀，制作沟槽。通过光功率与时间确定深度。

具体地，在确定沟槽结构以及填充的介质种类后，可以进行点固化胶操作，选择合适的固化胶，具体比如EPO-TEK牌的UV353nd环氧树脂，在沟槽中进行点胶处理。胶量的大小控制点胶时间进行确定。若是紫外固化胶利用紫外光进行固化，高温固化胶，进行高温下烘烤进行固化。具体去情况根据选择的胶而定。

S4，在光纤的不同位置设置不同工作波长的光纤应变传感器。

具体地，在光纤的不同位置制作不同工作波长的光纤应变传感器，从而形成分布式传感器。

作为本发明实施例提供的一个可选实施方式，本发明实施例提供的应变光纤传感器制造方法还包括：保持温度恒定，并改变光纤应力，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定杨氏模量系数E_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与杨氏模量系数E_eff的数据曲线；无外界应力，并改变环境温度，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定有效热胀冷缩系数α_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与有效热胀冷缩系数α_eff的数据曲线。

具体地，针对不同的沟槽结构以及填胶情况测定α_eff和E_eff参数。

设计不同的沟槽结构以及填的胶种类，重复上述步骤，保持温度恒定，并改变光纤应力，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定E_eff，从而建立不同沟槽结构与胶种类与E_eff的数据曲线。

设计不同的沟槽结构以及填的胶种类，重复上述步骤，无外界应力，并改变环境温度，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定α_eff，从而建立不同沟槽结构与胶种类与α_eff的数据曲线。

由此可见，通过本发明实施例提供的应变光纤传感器的制造方法，可以制造出结构紧凑且灵敏度高，可以用于管道、建筑、机械等方面实现应变的点测量以及分布式传感、物联网等领域的应变光纤传感器。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种应变光纤传感器，其特征在于，包括：

光纤表面设置至少三个级联式沟槽结构，每个所述沟槽结构的深度均不相同、宽度均不相同，在各个所述沟槽结构中填充热胀冷缩参数与杨氏模量参数均不相同的介质；

至少三个测试端，每个所述测试端对应一个所述沟槽结构，用于根据测试所述沟槽结构的谐振波长间隔的改变量确定应力与温度参数。

2.根据权利要求1所述的应变光纤传感器，其特征在于，所述光纤为：塑料光纤或光子晶体光纤。

3.根据权利要求1所述的应变光纤传感器，其特征在于，所述介质为：固化胶或者镀介质膜。

4.根据权利要求3所述的应变光纤传感器，其特征在于，所述固化胶为环氧树脂。

5.根据权利要求3所述的应变光纤传感器，其特征在于，所述镀介质膜为：氧化硅、氮化铝或氧化铝。

6.一种集成波导传感器，其特征在于，将权利要求1至5任一项所述的光纤替换为波导。

7.根据权利要求6所述的集成波导传感器，其特征在于，还包括：可调谐激光器宽带光源芯片；

所述可调谐激光器宽带光源芯片与所述集成波导传感器的波导传感区域探测器集成在一个载体上。

8.一种应变光纤传感器制造方法，其特征在于，包括：

将光纤放置于石英或者硅片带有V型槽中固定，按照预设沟槽宽度设计光刻板，进行曝光，显影后高温烘烤，坚固带有图案的光刻胶；

确定沟槽结构以及填充的介质种类，制作至少三个级联式沟槽结构，每个所述沟槽结构的深度均不相同、宽度均不相同，各个所述沟槽结构中填充的介质的热胀冷缩参数与杨氏模量参数均不相同；

利用氢氟酸腐蚀出沟槽结构，在所述沟槽处进行介质填充；

在光纤的不同位置设置不同工作波长的光纤应变传感器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述利用氢氟酸腐蚀出沟槽结构包括：

通过控制腐蚀时间或者调整氢氟酸浓度来确定腐蚀的沟槽深度；或者

采用高功率激光器进行表面烧蚀，制作沟槽，并通过光功率与时间确定沟槽深度。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

保持温度恒定，并改变光纤应力，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定杨氏模量参数E_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与杨氏模量参数 E_eff的数据曲线；

无外界应力，并改变环境温度，根据结构参数以及通过测试FP谐振峰的改变测定有效热胀冷缩参数α_eff，建立不同沟槽结构与介质种类与有效热胀冷缩参数α_eff的数据曲线。