采用激光处理膜片的光纤法珀压力传感器研究

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膜片式光纤法珀压力传感器由弹性膜片直接感受压力实现法珀腔长调制。这种传感器结构简单,灵敏度高,初始法珀腔长容易控制,弹性膜片材料选择多样,在各个领域有着广泛的应用,是光纤法珀传感研究的重要方向之一。本文从光纤法珀结构和制作出发,结合单晶硅材料在力学、光学方面的优良特性和激光加工高效的优点,开展了基于激光处理的膜片式光纤法珀压力传感器研究。完成的工作主要有以下几点:1.阐述了膜片式光纤法珀压力传感器的传感原理,对弹性膜片的受压变形和传感器光谱信号进行了分析。2.使用有限元软件ANSYS对具有表面微结构的膜片变形进行了仿真计算,详细分析了微结构图案、微结构图案尺寸、微结构图案偏心参数对硅膜片受压变形的影响,并讨论了微结构图案偏心对光学干涉的影响。使用基于Nd:YAG激光器的3维激光加工系统在硅膜片表面制作了微结构,并利用其封装成硅膜片式光纤法珀压力传感器。3.研究了“硅/玻璃/硅”三层叠合结构的法珀腔基本原理,分析了其制作的工艺要求。阐述了阳极键合技术的基本原理和特点,采用阳极键合工艺制作了三层叠合结构,在此基础上完成了复合法珀腔型光纤法珀压力传感器的封装。4.对光纤法珀压力传感器进行了压力测试实验。实验结果表明,具有正交网格型图案的硅膜片式光纤法珀压力传感器灵敏度为12.7nm/kPa、非线性度为2.6%、测量精度为2.445%;复合法珀腔型光纤法珀压力传感器灵敏度为19.4nm/kPa、非线性度为8.79%、传感器测量精度为0.7379%。
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