АМПЛИТУДНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДАВЛЕНИЯ
AMPLITUDE FIBRE-OPTIC PRESSURE SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к области сенсорной электроники и может быть использовано для измерения параметров технологических сред, в медицине.
Известен волоконно-оптический сенсор давления (журнал ″Sensors and Actuators″, А, №39 (1993 г.), стр.49-54.), содержащий в качестве чувствительного элемента вертикальную кремниевую мембрану, изготовленную методами микромеханики, оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, электронную схему обработки сигнала. Минимальный детектируемый сигнал для мембранного чувствительного элемента толщиной 4 мкм составляет в этом приборе 1 мкВ, что соответствует давлению 5 Па.
Однако для достижения такого результата необходимо дорогое одномодовое волокно, а также источник когерентного излучения (лазер).
Известен волоконно-оптический сенсор давления (журнал ″Sensors and Actuators″, A, №66 (1998 г.), стр.150-154). Этот сенсор имеет оптическое волокно в качестве проводящей свет среды, в качестве чувствительного элемента мембрану, изготовленную из золота и покрытую хромом, закрепленную на кремниевом основании, что приводит к дополнительным нелинейным искажениям вследствие разного температурного коэффициента линейного расширения материала чувствительного элемента и основания, на котором это чувствительный элемент закреплен; исключается возможность изготовления чувствительного элемента и основания в едином технологическом цикле.
Сенсор имеет ограниченные функциональные возможности, так как может измерять только большие давления (более 0.5 МПа).
При необходимости измерить меньшие перепады давления (то есть повысить чувствительность преобразователя при сохранении хороших метрологических характеристик) необходимо изменять форму чувствительного элемента.
Все вышеописанное приводит к увеличению погрешности измерений, что отрицательно сказывается на точности измерений, ухудшаются функциональные возможности сенсора.
Известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал ″Sensors and Actuators″, А, №32 (1992 г.), стр.628-631), являющийся прототипом предлагаемого устройства, содержащий мембранный упругий элемент, изготовленный методами микромеханики (жидкостным анизотропным травлением), оптическое волокно, фотоприемник. Мембранный упругий элемент изготовлен из монокристаллического кремния и содержит толстую рамку, тонкую часть и жесткий центр. Оптическое волокно закреплено на жестком центре таким образом, что его ось находится в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. При этом оптическое волокно имеет возможность перемещаться только вместе с жестким центром мембранного упругого элемента.
В конструкции сенсора используется один фотоприемник, который изготовлен на толстой рамке в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента, что приводит к тому, что оптическое излучение падает на фотоприемник под неоптимальным углом (угол между направлением распространения оптического излучения и плоскостью, в которой расположен фотоприемник, составляет единицы градусов) и преобразовательная характеристика сенсора имеет немонотонный характер (возрастающий и ниспадающий участки и ярковыраженный максимум). Следствием этого является большая нелинейность преобразовательной характеристики сенсора, что приводит к тому, что измерение давления при помощи такого сенсора может носить только качественный характер (можно измерить только наличие или отсутствие давление, но не его количественную величину).
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание амплитудного волоконно-оптического сенсора давления, имеющего монотонную преобразовательную характеристику с уменьшенной нелинейностью преобразовательной характеристики.
Это достигается тем, что в амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, служащее для передачи излучения от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе так, что оптическое волокно имеет возможность перемещаться только вместе с жестким центром упругого элемента пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, введен дополнительный фотоприемник, и оба фотоприемника, включенные по дифференциальной схеме, размещены на отдельной кремниевой пластине, закрепленной параллельно мембранному упругому элементу.
На чертеже приведен предлагаемый амплитудный кремниевый сенсор давления. Сенсор содержит: кремниевый мембранный упругий элемент (1), с жестким центром (2) оптическое волокно (3), кремниевая пластина (4) с фотоприемниками (5) и (6). Кремниевая пластина (4) закреплена параллельно мембранному упругому элементу (1) в посадочной канавке (7). Боковой скос (8), плоскость которого составляет с плоскостью кремниевого мембранного упругого элемента (1) угол 54°, с алюминиевым покрытием (9) играет роль наклонного зеркала. Такой боковой скос возникает благодаря особенностям процесса жидкостного анизотропного травления. Цифрами (10) и (11) обозначены падающее на зеркало излучение и отраженное от зеркала излучение соответственно.
Сенсор работает следующим образом.
Измеряемое давление с некоторой интенсивностью воздействует на кремниевый мембранный упругий элемент (1), смещая его вместе с оптическим волокном (3) от положения равновесия. Вследствие этого изменяется пространственное положение падающего на зеркало излучения (10) и, далее, отраженного от зеркала излучения (11). В результате величина электрического сигнала на выходе фотоприемников (5) и (6), включенных по дифференциальной схеме, изменяется пропорционально измеряемому давлению, то есть происходит амплитудная модуляция падающего излучения. При этом оптическое излучение падает на фотоприемники в результате отражения от бокового скоса мембранного упругого элемента, играющего роль наклонного зеркала и возникшего в результате жидкостного анизотропного травления.
Вследствие того, что оптическое излучение падает на фотоприемники (5) и (6) под углами, близкими к 90° к плоскости, на которой располагаются фотоприемники, а сами фотоприемники включены по дифференциальной схеме, преобразовательная характеристика предлагаемого амплитудного волоконно-оптического сенсора давления имеет монотонный характер, а ее нелинейность меньше, чем в конструкции прототипа.