發(fā)布時(shí)間：2020-02-27 10:32

【摘要】：光纖MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))傳感器既具備MEMS傳感器體積小、功能強(qiáng)、靈敏度高和易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),又具備光纖傳感器傳輸頻帶寬、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大、易于組成分布式測(cè)量網(wǎng)的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹了光纖法布里-珀羅干涉型MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制作以及測(cè)試方法,并提出了一種新型的光纖MEMS溫度傳感器。設(shè)計(jì)了一種光纖MEMS微壓傳感器。討論了敏感膜厚度對(duì)壓力敏感膜撓度的影響,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了臺(tái)面膜結(jié)構(gòu)的光纖壓力傳感器,建立了臺(tái)面膜的力學(xué)模型,分析了敏感膜厚度以及臺(tái)面高度對(duì)傳感器性能的影響,并用有限元分析軟件ANSYS仿真模擬了臺(tái)面膜的力學(xué)性能。討論了法-珀腔腔長(zhǎng)對(duì)傳感器性能的影響�？紤]傳感器實(shí)際結(jié)構(gòu),建立了熱應(yīng)力情況下壓力敏感膜撓度的公式。采用控制變量法,分別討論了壓力敏感膜膜厚、半徑以及玻璃管壁厚對(duì)撓度的影響,利用麥夸特(Levenberg-Marquardt)算法對(duì)ANSYS仿真結(jié)果進(jìn)行擬合修正,得到了適用于實(shí)際結(jié)構(gòu)周邊用玻璃管固支情況下壓力敏感膜的公式。研究了傳感器的加工工藝,并搭建了壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。詳細(xì)討論了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取與處理方法,利用雙峰追蹤的峰值解調(diào)法對(duì)從ENLIGHT中提取的大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行腔長(zhǎng)計(jì)算。對(duì)制作好的傳感器樣品進(jìn)行線性度、靈敏度性能的測(cè)試,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)并制作了一種基于雙金屬效應(yīng)的新型光纖法布里-珀羅MEMS溫度傳感器。研究了傳感器的力學(xué)模型,討論了傳感器的靈敏度,確定了雙金屬材料,并用有限元軟件ANSYS驗(yàn)證了模型的合理性。建立實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)溫度傳感器進(jìn)行了性能測(cè)試。為研究硅基壓力傳感器的溫度補(bǔ)償提供一定的參考價(jià)值。
【圖文】：

圖１．２體硅工藝制作的光纖法布里一珀羅干涉型ＭＥＭＳ壓力傳感器逡逑２００５年美國(guó)弗吉利亞理工大學(xué)的Ｊ．Ｘｕ［８】等人利用氫氟酸刻蝕石英光纖獲得逡逑石英薄膜，制作了完全由石英構(gòu)成的光纖法－珀壓力探頭，結(jié)構(gòu)如下圖１．３所示。逡逑該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，具有２．９３ｍｎ／ＰＳｉ的壓強(qiáng)靈敏度，并且對(duì)溫度的敏感系數(shù)低，逡逑能在７００°Ｃ的高溫下工作。逡逑Ｆｕｓｅｄ邋ｓｉｌｉｃａ逡逑ｄｉａｐｈｒａｇｍ逡逑１，ｎ：．．．．．．．．．．．．．ｒ［ｙ逡逑Ｊ｜邐＼邋Ｔｈｅｍｉａｌ邋ｔｌｉｓｉｏｎ逡逑Ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ邋＾邐＾邋ｂｏｎｄｉｎｇ逡逑ｆｉｂｅｒ邐Ｉ逡逑Ｓｉｎｇｌｅ邋ｍｏｄｅ邋邐邋｜邐邋Ｆｕｓｅ＜１邋ｓｉｌｉｃａ逡逑ｆｉｂｅｒ邐ｔｅｍｊｌｅ逡逑圖丨．３熔融石英構(gòu)成的法珀腔逡逑２００７年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Ｇ．Ｃ．ＨＵ１和Ｒ．Ｍｅｌａｍｕｄ等人［９１設(shè)計(jì)了基于ＳＵ－８逡逑光刻膠結(jié)構(gòu)的光纖Ｆ－Ｐ壓力傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖１．４所示。他們利用三次光逡逑３逡逑

圖１．４基于ＳＵ－８結(jié)構(gòu)的光纖Ｆ－Ｐ壓力傳感器示意圖逡逑２０１０年，，美國(guó)馬里蘭大學(xué)Ｈ．Ｂａｅ等人［１Ｇ］，設(shè)計(jì)了一個(gè)利用４５度光纖和光逡逑刻工藝巧妙結(jié)合的微壓傳感器，如圖１．５所示。他們先將單模光纖一端研磨成４５逡逑度角，并鍍上金屬膜，然后在４５度光纖外部涂覆光刻膠，將紫外光由光纖入射，逡逑光束在４５度發(fā)生反射，在光纖側(cè)壁出射，紫外光照射到的區(qū)域的光刻膠被曝光，逡逑進(jìn)行顯影后，光纖側(cè)壁光出射處光刻膠形成一個(gè)凹坑。在凹坑上方制作一層內(nèi)逡逑表面鍍有金屬膜的有機(jī)膜，就形成了光纖Ｆ－Ｐ壓力傳感器。這是首次運(yùn)用４５度逡逑光纖制作軸向垂直結(jié)構(gòu)的Ｆ－Ｐ壓力傳感器，其靈敏度為０．００９ｕｍ／ｐｓｉ。但由于敏逡逑感膜是有機(jī)膜，整個(gè)傳感器的機(jī)械性能不太理想。逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2583260