微電子材料與工藝講

1、光纖傳感器原理與應(yīng)用,專業(yè)： 學(xué)生：,內(nèi)容提要,一、光纖傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀 二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理 三、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)點(diǎn) 四、光纖傳感器的分類 五、光纖傳感器的應(yīng)用 六、光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 七、自己遇到的問(wèn)題和今后要做的,一、光纖傳感器的發(fā)展及現(xiàn)狀,近幾年，全球傳感器的產(chǎn)量和年增長(zhǎng)率均保持在10%以上，目前全球從事傳感器生產(chǎn)和研制的單位達(dá)5000多家。傳感技術(shù)作為當(dāng)今世界迅猛發(fā)展起來(lái)的技術(shù)之一，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的重要標(biāo)志。近年來(lái)，傳感器朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代末新興的一項(xiàng)技術(shù)，在全世界成了研究熱門，

2、已與光纖通信并駕齊驅(qū)。光纖傳感器作為傳感家族的一名新成員由于其優(yōu)越的性能而備受青睞 , 其具有體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、防腐蝕、靈敏度很高、 測(cè)量帶寬很寬、檢測(cè)電子設(shè)備與傳感器可以間隔很遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn) ，可以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。特別是其靈敏度比傳統(tǒng)的傳感器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可以測(cè)量壓力、溫度、應(yīng)力（應(yīng)變）、磁場(chǎng)、折射率、形變、微震動(dòng)、微位移和聲壓等等，能用光纖傳感技術(shù)測(cè)量的物理量已經(jīng)達(dá)到了70多種。,二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理,1、光纖傳感器結(jié)構(gòu),光導(dǎo)纖維是比頭發(fā)絲還要細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。,圖1 光纖結(jié)構(gòu),二、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和

3、導(dǎo)光原理,2、導(dǎo)光原理,圖2 光纖導(dǎo)光示意圖,凡是入射角大于臨界角的光線，進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；相反，只有入射角小于臨界角的安歇光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。,三、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)點(diǎn),光纖或非光纖,圖3 光纖傳感器示意圖,以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見(jiàn)圖3（A）。 光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見(jiàn)圖3（B）。,三、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)點(diǎn),光纖傳感器相比較傳統(tǒng)的傳感器具有的優(yōu)點(diǎn)：

4、(1)、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、易多路復(fù)用 (2)、抗惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、抗化學(xué)腐蝕 (3)、在傳感點(diǎn)無(wú)需用電、可以長(zhǎng)距離分布式傳感 (4)、可低成本大規(guī)模生產(chǎn),四、光纖傳感器的分類,1、根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。 （1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。

5、,信號(hào)處理,光受信器,光纖敏感元件,光發(fā)送器,圖4 傳感型光纖傳感器原理,四、光纖傳感器的分類,（2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)，此類光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，而且成本低。但靈敏度也較低，主要用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。,圖5 傳光型光纖傳感器原理圖,四、光纖傳感器的分類,（3）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。,信號(hào) 處理,光受 信器,光發(fā)送器,光纖,耦合

6、器,圖6 是光型光纖傳感器原理圖,四、光纖傳感器的分類,2、根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分為：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型、相位調(diào)制型。 （1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。,四、光纖傳感器的分

7、類,（2）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡克爾斯效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影響，因此靈敏度高。 （3）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的拉曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)

8、測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,四、光纖傳感器的分類,其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖薩格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。,（4）相位調(diào)制傳感器,四、光纖傳感器的分類,光學(xué)現(xiàn)象,被

9、測(cè)量,光纖,干涉型,相位調(diào)制光線傳感器,干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應(yīng) 光彈效應(yīng) 干涉,電流、磁場(chǎng) 電場(chǎng)、電壓 角速度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 溫度,SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器,遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動(dòng)膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜,溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移 振動(dòng)、壓力、位移 氣體濃度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振調(diào)制光纖溫度

10、傳感器,法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng),電流、磁場(chǎng) 電場(chǎng)、電壓、 溫度 振動(dòng)、壓力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,頻率調(diào)制光纖溫度傳感器,多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光,速度、流速、振動(dòng)、加速度 氣體濃度 溫度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,五、光纖傳感器的應(yīng)用,相位調(diào)制型光纖傳感器（功能型光纖傳感器）,1、相位調(diào)制的原理,波長(zhǎng)為 的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度L，纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)。光纖受到物理量的作用時(shí)，這3個(gè)參數(shù)就會(huì)發(fā)生不同程度的變化，從

11、而引起光的相位角的變化。一般來(lái)說(shuō)，光纖纖芯直徑引起光相位的變化很小，可以忽略。由普通物理學(xué)知道，在一長(zhǎng)為L(zhǎng)、纖芯折射率為n1的單模光纖中，波長(zhǎng)為 的輸出光相對(duì)輸入端來(lái)說(shuō)。其相角為,式（1）,五、光纖傳感器的應(yīng)用,就這樣利用光的相位檢測(cè)技術(shù)測(cè)量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。由于光的頻率很高，光電探測(cè)器不能跟蹤以這樣高的頻率進(jìn)行變化的瞬時(shí)值，因此光波的相位變化是不能夠直接被檢測(cè)到的。為此，應(yīng)用干涉技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅調(diào)制。在光纖傳感器中常采用馬赫澤德 （MachZahnder） 干涉儀等幾種不同的干涉測(cè)量?jī)x。,當(dāng)光纖受到物理量的作用時(shí)，則相位角的變化為,式（2）,五、光纖傳感器的應(yīng)用,2

12、、相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器,利用馬赫澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理，如圖7所示，激光器發(fā)出的一束相干光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束以后，被分束器分成兩束光，分別耦合到傳感光纖和參考光纖中。傳感光纖被置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中，感受溫度（或壓力）信號(hào)；參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)壁，再通過(guò)光纖耦合器組合起來(lái)，以便產(chǎn)生相互干涉，形成一系列明暗相間的干涉條紋。,圖7 相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理圖,五、光纖傳感器的應(yīng)用,當(dāng)傳感光纖感受溫度變化時(shí)，光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化；而且因光纖的熱脹冷縮使其長(zhǎng)度發(fā)生改變。由式（2）知，光纖的長(zhǎng)度和折射率的變化，將會(huì)引起傳播光的相位角

13、變化。這樣，傳感光纖和參考光纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化，從而使合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱隨著相位的變化而變化。通過(guò)光電探測(cè)器就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的變化，如圖8為一相位調(diào)制實(shí)例。,圖8 光相位變化、輸出電 流與溫度的關(guān)系,六、光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì),1、全光纖微型化：傳感頭由光纖構(gòu)成且只使用一根光纖已成為發(fā)展趨勢(shì)。全光纖傳感頭的體積小且工作可靠 ，由于目前光纖之間的熔接耗為 01dB左右 。 這樣的損耗不影響探頭的正常工作 ，目前 ，光纖之間的粘接技術(shù)和光纖端面拋光、鍍膜等相關(guān)技術(shù)都還在研究中。 2、多參量實(shí)時(shí)化：一只傳感器同時(shí)測(cè)量多個(gè)參量既減少測(cè)量裝置的元件數(shù)量，又可避免多只傳感

14、器之間相互影響。因而多只參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為研究的熱點(diǎn)。目前已有很多研究者在研究能進(jìn)行溫度、應(yīng)力、應(yīng)變同時(shí)測(cè)量的光纖光柵類傳感器，并取得 了一定的研究成果。,六、光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì),4、陣列化，網(wǎng)絡(luò)化，易于構(gòu)成分布式檢測(cè)系統(tǒng)：構(gòu)成分布式檢測(cè)系統(tǒng)可以大幅度提高檢測(cè)效率，節(jié)約檢測(cè)成本，節(jié)省時(shí)間人力物力，利用無(wú)線傳輸與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)也可為特殊環(huán)境下的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供極大的方便。,3、高精度實(shí)用化：光纖傳感器在研究過(guò)程中各組成元件都是線性理想化的，和實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距。因此，光通道中的非線性研究、實(shí)際檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍的增大是實(shí)用化的基礎(chǔ)。,七、自己遇到的問(wèn)題和今后要做的,光纖傳感器種類繁多，還要學(xué)習(xí)的東西也有很多，和它相關(guān)聯(lián)的有材料方面、電路方面的、光譜學(xué)方面的、還有信號(hào)處理和光電學(xué)的知識(shí)，這些都需要自己去熟悉并且加以學(xué)習(xí)。最大的問(wèn)題就是看到的這些傳感器都不是我想要專門研究的傳感器，并且傳感技術(shù)牽扯的學(xué)科很多，更是增加自己學(xué)習(xí)的難度。 此外在剛接觸光纖傳感技