微电子材料与工艺讲

一、光纤传感器的发展及现状一、光纤传感器的发展及现状二、光导纤维的结构和导光原理二、光导纤维的结构和导光原理三、光纤传感器的结构原理及优点三、光纤传感器的结构原理及优点四、光纤传感器的分类四、光纤传感器的分类五、光纤传感器的应用五、光纤传感器的应用六、光纤传感器的发展趋势六、光纤传感器的发展趋势七、自己遇到的问题和今后要做的七、自己遇到的问题和今后要做的 近几年，全球传感器的产量和年增长率均保持在近几年，全球传感器的产量和年增长率均保持在10%以以上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。近年来，传感器量一个国家科学技术水平发展的重要标志。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。 光纤传感技术是光纤传感技术是20世纪世纪70年代末新兴的一项技术，在全年代末新兴的一项技术，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐为传感家族的一名新成员由于其优越的性能而备受青睐 , 其其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度很高、 测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优测量带宽很宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点点 ，可以构成传感网络。特别是其灵敏度比传统的传感器，可以构成传感网络。特别是其灵敏度比传统的传感器高几个数量级，可以测量压力、温度、应力（应变）、磁场、高几个数量级，可以测量压力、温度、应力（应变）、磁场、折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，能用光纤传感折射率、形变、微震动、微位移和声压等等，能用光纤传感技术测量的物理量已经达到了技术测量的物理量已经达到了70多种。多种。1、光纤传感器结构、光纤传感器结构 光导纤维是比头发丝还要细的石英玻璃丝制成的，光导纤维是比头发丝还要细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形内芯和包层组成，而且内每一根光导纤维由一个圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率。芯的折射率略大于包层的折射率。图图1 光纤结构光纤结构2、导光原理、导光原理图图2 光纤导光示意图光纤导光示意图 凡是入射角大于临界角的光线，进入光纤后都不能传凡是入射角大于临界角的光线，进入光纤后都不能传播而在包层消失；相反，只有入射角小于临界角的安歇播而在包层消失；相反，只有入射角小于临界角的安歇光线才可以进入光纤被全反射传播。光线才可以进入光纤被全反射传播。光纤或非光纤光纤或非光纤图图3 光纤传感器示意图光纤传感器示意图 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图3（A）。）。 光光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统装置。由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图以及光纤构成，见图3（B）。）。 光纤传感器相比较传统的传感器具有的优点：光纤传感器相比较传统的传感器具有的优点： (1)、重量轻、结构紧凑、易多路复用、重量轻、结构紧凑、易多路复用 (2)、抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀、抗恶劣环境、抗电磁干扰、抗化学腐蚀 (3)、在传感点无需用电、可以长距离分布式传感、在传感点无需用电、可以长距离分布式传感 (4)、可低成本大规模生产、可低成本大规模生产1、根据光纤在传感器中的作用，、根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为功能型、非光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。功能型和拾光型三大类。 （1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊或特殊光纤光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器图图4 传感型光纤传感器原理传感型光纤传感器原理（2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续，此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容续，此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，而且成本低。但灵敏度也较低，主要用于对灵敏度易实现，而且成本低。但灵敏度也较低，主要用于对灵敏度要求不太高的场合。要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤图图5 传光型光纤传感器原理图传光型光纤传感器原理图（3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。射式光纤温度传感器等。 信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器图图6 是光型光纤传感器原理图是光型光纤传感器原理图 2、根据光受被测对象的调制形式、根据光受被测对象的调制形式分为：强度调制型、偏振分为：强度调制型、偏振调制型、频率调制型、调制型、频率调制型、相位调制型相位调制型。（1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大等影响较大 。（2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克尔斯磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克尔斯效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。的影响，因此灵敏度高。（3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体传感器；利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。度传感器等。 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤萨格纳克（缩的电场、电压传感器以及利用光纤萨格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。此成本高。 （4 4）相位调制传感器）相位调制传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤干干涉涉型型相位相位调制调制光线光线传感传感器器干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 强度调制强度调制光纤温度光纤温度传感器传感器遮光板遮断光路遮光板遮断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄膜光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位温度、振动、压力、加速度、位移移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调偏振调制光纤制光纤温度传温度传感器感器法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压、电场、电压、温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制频率调制光纤温度光纤温度传感器传感器多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型相位调制型光纤传感器（功能型光纤传感器）相位调制型光纤传感器（功能型光纤传感器）1、相位调制的原理、相位调制的原理 波长为波长为 的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度纤的长度L，纤芯折射率，纤芯折射率n1和纤芯直径和纤芯直径d有关。光纤受到物有关。光纤受到物理量的作用时，这理量的作用时，这3个参数就会发生不同程度的变化，从而个参数就会发生不同程度的变化，从而引起光的相位角的变化。一般来说，光纤纤芯直径引起光引起光的相位角的变化。一般来说，光纤纤芯直径引起光相位的变化很小，可以忽略。由普通物理学知道，在一长相位的变化很小，可以忽略。由普通物理学知道，在一长为为L、纤芯折射率为、纤芯折射率为n1的单模光纤中，波长为的单模光纤中，波长为 的输出光相的输出光相对输入端来说。其相角为对输入端来说。其相角为 Ln12 式（式（1） 就这样利用光的相位检测技术测量出温度、压力、加就这样利用光的相位检测技术测量出温度、压力、加速度、电流等物理量。由于光的频率很高，光电探测器不速度、电流等物理量。由于光的频率很高，光电探测器不能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此光波的相能跟踪以这样高的频率进行变化的瞬时值，因此光波的相位变化是不能够直接被检测到的。为此，应用干涉技术将位变化是不能够直接被检测到的。为此，应用干涉技术将相位调制转换成振幅调制。在光纤传感器中常采用马赫相位调制转换成振幅调制。在光纤传感器中常采用马赫泽德泽德 （MachZahnder） 干涉仪等几种不同的干涉测量干涉仪等几种不同的干涉测量仪。仪。)(2)(21111nnLnLLnL 当光纤受到物理量的作用时，则相位角的变化为当光纤受到物理量的作用时，则相位角的变化为式（式（2）2、相位调制型光纤压力和温度传感器、相位调制型光纤压力和温度传感器 利用马赫利用马赫泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光泽德干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器组成原理，如图纤传感器组成原理，如图7所示，激光器发出的一束相干光所示，激光器发出的一束相干光经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光经过扩束以后，被分束器分成两束光，分别耦合到传感光纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感纤和参考光纤中。传感光纤被置于被测对象的环境中，感受温度（或压力）信号；参考光纤不感受被测物理量。这受温度（或压力）信号；参考光纤不感受被测物理量。这两根单模光纤构成干涉仪的两个壁，再通过光纤耦合器组两根单模光纤构成干涉仪的两个壁，再通过光纤耦合器组合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉合起来，以便产生相互干涉，形成一系列明暗相间的干涉条纹。条纹。图图7 相位调制型光纤相位调制型光纤传感器组成原理图传感器组成原理图 当传感光纤感受温度变化时，光纤的折射率会发生变当传感光纤感受温度变化时，光纤的折射率会发生变化；而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式（化；而且因光纤的热胀冷缩使其长度发生改变。由式（2）知，光纤的长度和折射率的变化，将会引起传播光的相位知，光纤的长度和折射率的变化，将会引起传播光的相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位角变化。这样，传感光纤和参考光纤的两束输出光的相位也发生了变化，从而使合成光强的强弱随着相位的变化而也发生了变化，从而使合成光强的强弱随着相位的变化而变化。通过光电探测器就可以将合成光强的强弱变化转换变化。通过光电探测器就可以将合成光强的强弱变化转换成电信号大小的变化，如图成电信号大小的变化，如图8为一相位调制实例。为一相位调制实例。图图8 光相位变化、输出电光相位变化、输出电 流与温度的关系流与温度的关系 1、全光纤微型化：传感头由光纤构成且只使用一根光纤已、全光纤微型化：传感头由光纤构成且只使用一根光纤已成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠成为发展趋势。全光纤传感头的体积小且工作可靠 ，由于，由于目前光纤之间的熔接耗为目前光纤之间的熔接耗为 01dB左右左右 。 这样的损耗不影这样的损耗不影响探头的正常工作响探头的正常工作 ，目前，目前 ，光纤之间的粘接技术和光纤端，光纤之间的粘接技术和光纤端面抛光、镀膜等相关技术都还在研究中。面抛光、镀膜等相关技术都还在研究中。2、多参量实时化：一只传感器同时测量多个参量既减少测、多参量实时化：一只传感器同时测量多个参量既减少测量装置的元件数量，又可避免多只传感器之间相互影响。量装置的元件数量，又可避免多只传感器之间相互影响。因而多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研因而多只参量实时监测成为研究的热点。目前已有很多研究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅究者在研究能进行温度、应力、应变同时测量的光纤光栅类传感器，并取得类传感器，并取得 了一定的研究成果。了一定的研究成果。4、阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统：构成分布、阵列化，网络化，易于构成分布式检测系统：构成分布式检测系统可以大幅度提高检测效率，节约检测成本，节式检测系统可以大幅度提高检测效率，节约检测成本，节省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也省时间人力物力，利用无线传输与网络进行远距离监测也可为特殊环境下的实时检测提供极大的方便。可为特殊环境下的实时检测提供极大的方便。3、高精度实用化：光纤传感器在研究过程中各组成元件都、高精度实用化：光纤传感器在研究过程中各组成元件都是线性理想化的，和实际应用存在一定的差距。因此，光通是线性理想化的，和实际应用存在一定的差距。因此，光通道中的非线性研究、实际检测动态范围的增大是实用化的基道中的非线性研究、实际检测动态范围的增大是实用化的基础。础。 光纤传感器种类繁多，还要学习的东西也有很多，和它光纤传感器种类繁多，还要学习的东西也有很多，和它相关联的有材料方面、电路方面的、光谱学方面的、还有信相关联的有材料方面、电路方面的、光谱学方面的、还有信号处理和光电学的知识，这些都需要自己去熟悉并且加以学号处理和光电学的知识，这些都需要自己去熟悉并且加以学习。最大的问题就是看到的这些传感器都不是我想要专门研习。最大的问题就是看到的这些传感器都不是我想要专门研究的传感器，并且传感技术牵扯的学科很多，更是增加自己究的传感器，并且传感技术牵扯的学科很多，更是增加自己学习的难度。学习的难度。 此外在刚接触光纤传感技术的过程中也只能弄懂大概的此外在刚接触光纤传感技术的过程中也只能弄懂大概的原理，所以今后要结合自己导师的方向再加上自己的兴趣把原理，所以今后要结合自己导师的方向再加上自己的兴趣把这些学好，下一步就是多学习拾光型光纤传感器，因为它与这些学好，下一步就是多学习拾光型光纤传感器，因为它与自己的方向关系比较密切，并且我的老师希望我能在牛顿环自己的方向关系比较密切，并且我的老师希望我能在牛顿环测应力中应用到光纤传感器和光纤通信的知识，最好能将牛测应力中应用到光纤传感器和光纤通信的知识，最好能将牛顿环通过光纤传感器直接输出在电脑上观看牛顿环的变化，顿环通过光纤传感器直接输出在电脑上观看牛顿环的变化，这方面还需要我下去多看文章，对光纤传感器更加深入了解，这方面还需要我下去多看文章，对光纤传感器更加深入了解，最好就是自己能设计出这样一个光纤传感器。我相信通过自最好就是自己能设计出这样一个光纤传感器。我相信通过自己继续深入的学习加上自己的兴趣，一定会有所收获。己继续深入的学习加上自己的兴趣，一定会有所收获。谢谢观看！谢谢观看！