MEMS法珀光纤压力传感器研究

作     者：王睿楠 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈海滨;祁克玉

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：MEMS 光纤传感器 压力测量 F-P干涉 

摘      要：压力是在实际应用中需要重点监测的物理量,高压油井、天然气勘探、航空工业以及深海探测的压力测量较多使用高压压力传感器。利用微机电系统(MEMS)制备的光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器与传统电学式压力传感器相比,具有抗电磁干扰能力强、精度高、体积小、适于批量化生产等突出优点,为实际环境下的高压测量提供了重要的技术途径。本文针对高压环境测量需求,对MEMS法布里-珀罗光纤传感器展开研究。主要研究内容有: (1)MEMS法珀光纤压力传感器工作原理、解调原理的分析介绍。论述多光束干涉原理,确定本文传感器的结构形式为膜片式非本征型F-P光纤压力传感器;分析传感器的感压原理,为后续传感器的设计提供理论基础;介绍光纤法珀传感器的解调方法,分析不同方法的优缺点。 (2)MEMS法珀光纤压力传感器的设计与仿真。基于MEMS工艺设计了硅-玻压力敏感结构,利用有限元分析软件中结构力学模块对影响传感器性能的敏感膜片参数进行了仿真,结合测试需求、加工工艺难度确定了传感器的尺寸参数;对传感器的整体敏感结构进行仿真分析,验证了其在20MPa载荷下具有良好的抗过载能力。 (3)MEMS法珀光纤压力传感器的制造加工。基于现有MEMS加工技术及尺寸参数,设计传感器敏感结构的MEMS加工工艺流程,完成传感器敏感结构的批量制造。通过粘接的方式实现光纤的纵向集成,最终得到MEMS光纤F-P压力传感器样件。 (4)MEMS法珀光纤压力传感器的实验测试。实验分为静态压力测量实验与动态压力测量实验。静态压力实验结果表明,传感器能够承受20MPa高压,其压力灵敏度为47.51nm/MPa,与仿真结果差距较小,且传感器具有较好的稳定性和重复性。动态压力实验结果表明,该传感器能够对动态压力信号进行响应。针对动态压力实验中单波长强度法无法实现腔长解调的问题,研究了解调范围更大、适用于动态检测的三波长解调算法。