文档介绍：采用激光处理膜片的
光纤法珀压力传感器研究

Research on the Fiber Optic Fabry-Perot
Pressure Sensor with Laser-Machined
Diaphragm

学科专业:光学工程
研究生:刘宇
指导教师:江俊峰副教授

天津大学精密仪器与光电子工程学院
二零一二年五月
独创性声明

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摘要

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、非线
性度为 %、测量精度为 %;复合法珀腔型光纤法珀压力传感器
灵敏度为、非线性度为 %、传感器测量精度为 %。

关键词: 光纤法珀气体压力传感膜片式光纤法珀复合法珀腔表面微结构
激光加工阳极键合
ABSTRACT
Diaphragm-based optical fiber Fabry-Perot(F-P) pressure sensor uses the elastic
diaphragm to sense pressure, which modulates the cavity length of the F-P. This kind
of sensor, which is simple in structure, high in sensitivity, easily controlled in the
initial length of the F-P cavity and has varied choices of the materials of the elastic
diaphragm, has a wide range of applications among fields.
From the structures and fabrications of Diaphragm-based optical fiber F-P
pressure sensor, bining the excellent characteristics of silicon in mechanic and
optic