DE3608599C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Drucksensor ist zum Beispiel aus der FR 24 80 433 bekannt. Bei diesem Drucksensor befindet sich am Boden eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Behälters eine optische Faser, in deren eines Ende durch eine Leuchtdiode Licht eingestrahlt wird. Am anderen Ende der optischen Faser befindet sich eine Fotodiode. Ein Vergleicher empfängt das Ausgangssignal der Fotodiode und ein direkt von der Leuchtdiode empfangenes Signal.

Als Drucksensoren sind außerdem Widerstands-Dehnungsmeßgeräte und Halbleiter-Drucksensoren bekannt, die jeweils Drücke in elektrische Signale umwandeln. Die bekannten Geräte sind jedoch nicht überall einsetzbar: Befindet sich der Sensor in einem elektromagnetischen Feld, zum Beispiel in der Nähe eines Kopiergeräts, oder ist der Drucksensor extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt, so wird das elektrische Signal erheblich gestört. Aufgrund der elektrischen Signale darf der Drucksensor nicht in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden.

Bei dem oben erläuterten bekannten Drucksensor ist dafür Sorge getragen, daß zumindest in dem Bereich, wo der Druck gemessen werden soll, keine elektrischen Signale anfallen. Allerdings macht die Druckmessung einen erheblichen apparativen Aufwand erforderlich und ist praktisch nur zum Messen von Drücken in Flüssigkeiten verwendbar.

Bei optischen Drucksensoren gibt es verschiedene Typen: Einen schalterähnlichen Sensor, der den Lichtweg in Abhängigkeit vom Druck mechanisch blockiert, einen Sensor, der den fotoelastischen Effekt beim Detektieren der Lichtstärkenveränderung aufgrund einer Druckänderung nutzt sowie einen Sensor, der den opto-akustischen Effekt beim Detektieren von Schwingungen nutzt. Wenn der Sensor die Lichtstärke unter Verwendung der Polarisierungsebene des Lichts erfassen soll, sind bei jedem dieser Sensor-Typen nicht nur eine Detektionssubstanz erforderlich, sondern außerdem ein Polarisator, ein Analysator, ein polarisierender Strahlungsteiler, ein g/4-Plättchen und eine Stablinse, um eine Verbindung zwischen dem Sensorelement und der optischen Faser zu schaffen. Diese vielen optischen Komponenten verbieten einen kompakten Aufbau. Insbesondere die Fixierung der einzelnen Komponenten ist schwierig und erfordert handwerkliches Geschick.

Bei einem weiteren Typ von Drucksensoren werden Druckschwankungen dadurch gemessen, daß eine Lichtstärkenänderung aufgrund von Interferenzen erfaßt wird. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist das Michelson-Interferometer oder das Mach-Zehnder-Interferometer, bei dem ein aus LiNbO₃ gebildeter anorganischer Fotoleiter als Sensorelement verwendet wird. Dieser Sensor weist eine relativ geringe Anzahl optischer Bauteile auf und eignet sich deshalb besser für die Massenherstellung als der oben erwähnte Sensor. Nachteilig ist jedoch, daß der Sensor Druck auf der Basis von Interferenz erfaßt und mithin monochromatisches Licht benötigt.

Bei einem anderen Sensor-Typ ist eine Hohlraum-Struktur an eine Monomode-Faser angeschlossen. Die durch Druckschwankungen hervorgerufenen Änderungen des Wand-zu-Wand- Abstands der Hohlraumstruktur werden in Form von Lichtstärkeänderungen des reflektierten oder hindurchgelassenen Lichts nach dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferenz detektiert. Dem Vorteil einer kompakten Bauweise steht der Nachteil gegenüber, daß ein solcher Sensor nicht mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann. Schwierig ist die einheitliche Ausbildung des Abstands zwischen den sich gegenüberliegenden Wänden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und Druckänderungen mit hoher Genauigkeit zu erfassen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Für die Lichtübertragung zu dem Drucksensor und von dem Drucksensor wird eine Multimodefaser verwendet. Im Gegensatz zu den Monomodefasern besitzt die Multimodefaser einen großen Durchmesser, wodurch sie an den Kerndurchmesser des optischen Leiters angepaßt ist. Eine verlustarme Verbindung zwischen Drucksensor und optischer Faser ist möglich.

Das von einer Lichtquelle kommende Licht wird nach Maßgabe eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs in zwei Teile aufgeteilt. Ein Anteil wird von einem Filter reflektiert und dient als Referenzsignal. Der andere Anteil des Lichts geht durch das Filter hindurch und durchläuft den druckempfindlichen Teil des Sensors, wird also in der Lichtstärke variiert.

Vorteile des erfindungsgemäßen Drucksensors sind:

• 1. Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Induktion und hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen;
• 2. Fernmessungen mit großen Abständen zwischen Drucksensor und Meßstelle sind möglich;
• 3. die Herstellung dünner und kompakter Drucksensoren wird durch die Verwendung eines optischen Leiters begünstigt;
• 4. es ist eine geringe Anzahl optischer Bauelemente erforderlich;
• 5. es sind Feinmessungen möglich, da der Zustand der Totalreflexion erfaßt wird;
• 6. durch Verwendung von Multimodefasern ist eine relativ verlustarme Signalübertragung möglich;
• 7. der Drucksensor läßt sich mit bekannten Herstellungsverfahren produzieren, zum Beispiel unter Einsatz der Fotolithographie.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Ansicht eines Konstruktionsmodells eines Ausführungsbeispiels eines einen hochpolymeren optischen Leiter aufweisenden Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar bevor eine obere Hüllschicht mit einer optischen Faser verbunden ist; und

Fig. 2 eine weitere Ansicht des Konstruktionsmodells des in Fig. 1 gezeigten Drucksensors, nachdem die obere Hüllschicht mit der optischen Faser verbunden ist.

Fig. 1 zeigt ein Konstruktionsmodell eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines einen polymeren optischen Leiter aufweisenden Drucksensorelements, bei dem eine obere Hüllschicht noch nicht mit einer optischen Faser verbunden ist. Fig. 2 zeigt das Konstruktionsmodell des in Fig. 1 gezeigten Sensorelements, bei dem die obere Hüllschicht mit der optischen Faser verbunden ist. Das Drucksensorelement umfaßt: einen polymeren optischen Leiter, der aus einem polymeren Substrat 1 als untere Hüllschicht, einer Kernschicht 2, einer über dem polymeren Substrat 1 ausgebildeten seitlichen Hüllschicht 3 beidseits der Kernschicht 2 sowie aus einer über der Kernschicht 2 und der seitlichen Hüllschicht 3 ausgebildeten oberen Hüllschicht 9 gebildet ist; ein Filter 8, das an demjenigen Ende des polymeren optischen Leiters vorgesehen ist, an dem das durch die optische Faser übertragene Licht einfällt; sowie einen reflektierenden Spiegel 4, der an dem polymeren optischen Leiter vorgesehen ist. Die optische Faser 10 wird gleichzeitig mit der Aushärtung der oberen Hüllschicht mit dem Drucksensorelement verbunden. Genauer gesagt wird die optische Faser 10 mittels Fixierblöcken 5 und 6, die für die optische Faser vorgesehen sind und mittels Resists bzw. Abdeckmaterial gebildet sind, in eine für die optische Faser vorgesehene Verbindungsnut 7 gesetzt und dort verbunden, während die obere Hüllschicht 9 ausgehärtet wird. Das Herstellungsverfahren und das Detektionsprinzip, wie diese bei dem erfindungsgemäßen Drucksensorelement zur Anwendung kommen, werden im folgenden im Detail beschrieben.

Der polymere optische Leiter wird durch das selektive Photopolymerisationsverfahren hergestellt. Eine Acrylharzschicht (Brechungskoeffizient: n = 1,49), wie z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA), wird als Substrat bzw. untere Hüllschicht verwendet. Polycarbonatlösung (PcZ; n = 1,59), die aus Bisphenol Z synthetisiert ist und Methylacrylat-(MA-)Monomer mit einem niedrigen Brechungskoeffizienten (n = 1,48 bei polymerisiertem Monomer) sowie ein lichtempfindliches Mittel enthält, wird auf das Acrylharzsubstrat aufgebracht. Danach läßt man Methylenchlorid-Lösungsmittel verdampfen, um eine Basisschicht zu erzielen. Die Basisschicht sollte etwa 150 µm dick sein, um eine Verbindung zwischen der Multimodenfaser und dem optischen Leiter zu ermöglichen. Da das Methylacrylat-Monomer einen höheren Siedepunkt als das Methylenchlorid-Lösungsmittel besitzt, enthält die Basisschicht etwa 20% Methylacrylat-Monomer. Hier werden organische polymere Schichten als Substratschicht und Basisschicht verwendet. In Anbetracht der Tatsache, daß die Substratschicht und die Basisschicht die Hülle bzw. den Kern bilden, sind verschiedene Kombinationen der polymeren Schichten für die Verwendung möglich, vorausgesetzt, daß das Polymer für die Hüll- bzw. Substratschicht einen niedrigeren Brechungskoeffizienten als das Polymer für die Kern- bzw. Basisschicht aufweist, und daß wenigstens eines der Polymere einen Brechungskoeffizienten aufweist, der sich in Abhängigkeit vom Druck ändert, wie dies bei photoelastischen Substanzen der Fall ist. Solche photoelastische Substanzen sind: Acrylharz, Polycarbonat, Polybutadien, Polystyrol, Diäthylenglykol-Bis- allylcarbonat-(CR-39-)Polymer, Diallylphthalatharz, Epoxidharz, Phenolharz und Siliconharz. Die Substratschicht bzw. Hülle kann aus optischem Glas, Quarzglas oder aus einem anderen anorganischen Material gebildet sein, vorausgesetzt, daß der Brechungskoeffizient desselben niedriger als der des Materials für das Polymer ist.

Ein Lichtstrahlenbündel hoher Energie, wie z. B. ein UV-Lichtstrahlenbündel, ein Röntgenstrahlenbündel, ein Elektronenstrahlbündel oder ein Strahlungsbündel, wird auf die Basisschicht gelenkt, und zwar durch eine Photomaske hindurch, die ein Kernmuster aufweist (der Kernbereich der Basisschicht muß gegen die Bestrahlung mit dem Strahlenbündel hoher Energie geschützt sein), so daß das in der Basisschicht enthaltene Monomer mit einem niedrigen Brechungskoeffizienten entlang des Musters teilweise polymerisiert wird, so daß dieses für den niedrigen Brechungskoeffizienten in der Basisschicht fixiert ist. Danach läßt man die Basisschicht im Vakuum bei einer Temperatur von ca. 100°C trocknen, um das restliche Monomer, das nicht reagiert hat, aus demjenigen Basisschichtbereich zu entfernen, der der Bestrahlung mit dem Strahlenbündel hoher Energie nicht ausgesetzt war. Auf diese Weise erhält man ein optisches Leitermuster, das mit dem Muster der Maske exakt identisch ist. Danach wird die Verbindungsnut 7 für die optische Faser in dem auf diese Weise erzielten polymeren optischen Leiter gebildet, und das Filter 8 wird an demjenigen Ende des optischen Leiters bzw. an demjenigen Ende der Kernfläche vorgesehen, mit dem die optische Faser 10 zu verbinden ist; diese Vorgänge erfolgen in der nachstehend beschriebenen Weise. Zuerst wird eine Masken-Resist (d. h. ein Maskenabdeckmaterial zu Maskierungszwecken) auf dem Basispolymer gebildet, und zwar unter Verwendung einer Dickschicht- Resist, wie z. B. einer Trockenschicht-Resist. Danach wird derjenige Bereich des Basispolymers, der der Verbindungsnut für die optische Faser entspricht, durch einen Trockenätzvorgang unter Verwendung von Sauerstoffplasma geätzt, um dadurch die End-Ebene für die Verbindung mit der optischen Faser zu bilden. Ein Filter aus einer halbdurchlässigen Metallmembran oder aus einer mehrlagigen Schicht aus einer dielektrischen Substanz oder aus einer halbdurchlässigen Metallmembranstruktur wird an der End-Ebene durch ein Vakuum-Aufdampfverfahren gebildet, so daß Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich von der End- Ebene reflektiert wird und Licht in einem anderen bestimmten Wellenlängenbereich nach dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferenz durch das Filter hindurchtreten kann.

Danach werden die Fixierblöcke 5 und 6 für die optische Faser an der Verbindungsnut 7 für die optische Faser gebildet, und zwar mittels Photolithographieverfahren, die von Dickschicht- Resists wie z. B. Trockenschicht-Resists Gebrauch machen. Somit werden die eigentlichen Resists für die Fixierblöcke für die optische Faser verwendet. Danach wird eine reflektierende Metallschicht aus Al, Au oder Ag durch Vakuum-Aufdampfung an der anderen Endfläche des optischen Leiters gebildet, die der End-Ebene, an der die Verbindung der optischen Faser erfolgt, gegenüberliegt. Schließlich wird dann die optische Faser (und zwar vorzugsweise eine optische Multimodenfaser aus Quarzmaterial (multi-mode quartz optical fiber) mit einem Durchmesser von 125 µm) mit dem optischen Leiter verbunden, und zwar gleichzeitig mit der Bildung der oberen Hüllschicht 9; dies erfolgt in der nachfolgend beschriebenen Weise. Die optische Faser 10 wird an den Fixierblöcken 5 und 6 fixiert und in der Verbindungsnut für die optische Faser in Position gebracht. Die obere Oberfläche des optischen Leiters wird mit Acrylharz beschichtet. Nachdem das Acrylharz durch Trocknen ausgehärtet ist, sind die Bildung der oberen Hüllschicht und die Verbindung der optischen Faser gleichzeitig erzielt. Bei dem Material für die obere Hüllschicht 9 handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Material wie für die Substratschicht. Der einen polymeren optischen Leiter aufweisende Drucksensor, bei dem das Drucksensorelement mit der optischen Faser verbunden ist, ist nun durch die vorstehend erläuterte Verfahrensweise gebildet.

Der in dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte, einen polymeren optischen Leiter aufweisende Drucksensor detektiert Druckänderungen, wie dies nachfolgend erläutert wird. Wenn keine Druckänderung für das Sensorelement gegeben ist, wird das von der optischen Faser 10 in das Sensorelement d. h. in den Kern des polymeren optischen Leiters gelangende Licht durch den Kern hindurchgeleitet, wobei die Brechungsindizes die Bedingung der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Kernschicht 2 und der Hüllschicht 3 erfüllen. Das Licht wird an der reflektierenden Schicht an dem dem Lichteinfalls-Ende gegenüberliegenden Ende zurück in die optische Faser reflektiert. Wenn eine Druckänderung für das Sensorelement gegeben ist, verändert sich mindestens einer der Brechungskoeffizienten der Kernschicht 2 und der Hüllschicht 3, da zumindest der Kern oder aber die Hülle aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungskoeffizient sich in Abhängigkeit von dem Druck ändert. Bei dem vorliegenden Beispiel ändert sich der Brechungskoeffizient der Kernschicht 2 (PcZ). Als Ergebnis hiervon unterscheidet sich der kritische Winkel von demjenigen Winkel, der bei nicht vorliegender Druckänderung im Zustand der Totalreflexion vorhanden ist, wie dies durch die nachfolgenden Gleichungen gezeigt wird:

n₁ sinR₁ = n₂ sinR₂

wobei

n₁der Brechungskoeffizient des Kerns ist, n₂der Brechungskoeffizient der Hülle ist, R₁der Lichteinfallswinkel von dem Kern zu der Hülle ist, und R₂der Lichtübertragungswinkel in der Hülle ist.

In diesem Fall ist die Bedingung der totalen Reflektion dann erfüllt, wenn R₂ 90° beträgt, wobei R₁ dem kritischen Winkel (R th) entspricht, wenn R₂ 90° beträgt. Somit erhält man folgende Gleichung:

sin R th= n₂/n₁ ∴R th= sin^-1 (n₂/n₁)

Aus dem vorstehend Genannten ergibt sich, daß der kritische Winkel ( R th) in Abhängigkeit zu den Brechungskoeffizienten der Kernschicht und der Hüllschicht steht. Wenn sich wenigstens einer der Brechungskoeffizienten des Kerns und der Hülle ändert, ändert sich der kritische Winkel somit dementsprechend, wodurch der Lichtverlust in dem Kern des optischen Leiters dazu veranlaßt wird, sich zu ändern. Das Ergebnis hiervon ist eine Veränderung der Stärke bzw. Helligkeit des durch den Kern des optischen Leiters hindurchgeleiteten Lichts. Somit wird eine Druckänderung auf der Basis einer Veränderung der Lichtstärke detektiert bzw. festgestellt.

Während der Messung kann eine mögliche Lichtstärkenschwankung bei der eigentlichen Lichtquelle dazu führen, daß dies einen Einfluß auf das Sensordetektionssignal hat. Störungen, wie z. B. eine gebogene optische Faser, können ebenfalls zu einem Lichtverlust führen, wodurch das Sensordetektionssignal beeinträchtigt wird. Um diese Einflüsse auf ein Minimum zu reduzieren, ist das Filter an dem Lichteinfallsende des polymeren optischen Leiters bzw. des Sensorelements vorgesehen, so daß das von der Lichtquelle kommende Licht in zwei Teile geteilt wird, und zwar anhand einer vorbestimmten Wellenlänge. Der eine der beiden Teile wird durch das Filter reflektiert und wird zu einem Bezugssignal, und der andere Teil wird durch den polymeren optischen Leiter hindurchgeleitet und wird zu einem Detektionssignal, dessen Stärke sich in Abhängigkeit von dem Druck ändert. Der Signaldetektor bzw. Lichtsensor erhält das übertragene Licht bzw. das Detektionssignal sowie das reflektierte Licht bzw. das Bezugssignal durch ein Filter, das dieselbe Charakteristik wie das Filter in der Lichteinfallsebene des optischen Leiters aufweist. Somit handelt es sich bei dem Sensorausgangssignal um das Verhältnis des Detektionssignals zu dem Bezugssignal. Auf diese Weise läßt sich eine genaue Druckmessung erzielen, da sich das Verhältnis des Detektionssignals zu dem Bezugssignal ausschließlich in Abhängigkeit von dem auf das Sensorelement ausgeübten Druck ändert und für eine Lichtstärkenschwankung der eigentlichen Lichtquelle sowie für externe Störungen nicht empfänglich ist.

Claims (4)

1. Drucksensor, mit einem einen Kern aufweisenden optischen Leiter, der Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizies aufweist, von denen der Brechungsindex mindestens eines Bereichs durckabhängig veränderlich ist, so daß in den Kern des Leiters eingespeistes Licht in Abhängigkeit des Drucks eine erfaßbare Dämpfung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß der polymere optische Leiter aufweist: ein Substrat (1);
eine auf dem Substrat (1) gebildete erste organische polymere Schicht (2, 3), deren Brechungsindex sich innerhalb eines gemusterten Bereichs (2) von demjenigen des Substrats (1) unterscheidet und deren Brechungsindex außerhalb des gemusterten Bereichs (2) demjenigen des Substrats (1) etwa gleicht;
eine der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) überlagerte zweite organische polymere Schicht (9), deren Brechungsindex demjenigen außerhalb des gemusterten Bereichs befindlichen Bereichs (3) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) etwa gleicht;
und eine optisch reflektierende Schicht (8), die an der Stirnseite der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) in dem gemusterten Bereich (2) vorgesehen ist;
und daß sich der Brechungsindex mindestens der ersten (2, 3) oder der zweiten (9) organischen polymeren Schicht bei sich änderndem Druck ändert.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einer organischen polymeren Schicht, aus optischem Glas oder aus Quarzglas gebildet ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor mit einer Verbindungsnut (7) für eine optische Faser (10) versehen ist, die zum Verbinden des Endes der optischen Faser (10) mit demjenigen Ende des gemusterten Bereichs (2) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) dient, an dem die reflektierende Schicht (4) nicht ausgebildet ist.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Filter (8) an demjenigen Ende des gemusterten Bereichs (2) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) vorgesehen ist, an dem die reflektierende Schicht (4) nicht ausgebildet ist, daß das optische Filter (8) das einfallende Licht in einen Teil, dessen Wellenlänge länger als eine vorbestimmte Wellenlänge ist, und einen Teil, dessen Wellenlänge kürzer als die vorbestimmte Wellenlänge ist, aufteilt, und daß der eine Teil des aufgeteilten Lichts durch das Filter (8) hindurchtreten kann und der andere Teil von dem Filter (8) reflektiert wird.