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, медицине.
Известен амплитудный 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).
Также известен амплитудный волоконно-оптический сенсор давления (журнал "Sensors and Actuators", А, №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 этот 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 сенсора при сохранении хороших метрологических характеристик) необходимо изменять форму чувствительного элемента. Все это 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 этой конструкции сенсора используется один фотоприемник, который изготовлен на толстой рамке в плоскости, параллельной плоскости мембранного упругого элемента. Это приводит к тому, что:
1) 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 ярко выраженный максимум), следствием чего является большая нелинейность преобразовательной характеристики сенсора.
2) чувствительность сенсора, определяемая апертурой оптического волокна и расстоянием от торца оптического до фотоприемника, относительно мала.
Поэтому измерение давления при помощи такого сенсора может носить только качественный характер (можно измерить только наличие или отсутствие давления, но не его количественную величину).
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание амплитудного волоконно-оптического сенсора давления, имеющего более высокую чувствительность и более низкую нелинейность преобразовательной характеристики.
Это достигается тем, что в амплитудный волоконно-оптический сенсор давления, содержащий кремниевый мембранный упругий элемент с жестким центром, оптическое волокно, передающее излучение от внешнего источника и закрепленное на мембранном упругом элементе с возможностью перемещения только вместе с его жестким центром пропорционально измеряемому давлению, и один фотоприемник, введены дополнительный фотоприемник, зеркало и две параллельные кремниевые пластины, расположенные перпендикулярно мембранному упругому элементу, при этом оба фотоприемника включены по дифференциальной схеме и расположены на одной кремниевой пластине, а на другой пластине размещено зеркало, которое представляет собой плоскую отражающую поверхность кристаллографической ориентации типа (100) с углублениями пирамидальной формы, стенки углублений сходятся в одной точке, а кристаллографическая ориентация стенок типа (111).
На чертеже приведен предлагаемый амплитудный кремниевый сенсор давления. Сенсор содержит: кремниевый мембранный упругий элемент (1) с жестким центром (2), оптическое волокно (3), кремниевую пластину (4) с двумя фотоприемниками (5). Кремниевая пластина (4) закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1). Другая кремниевая пластина (6) с зеркалом (7) также закреплена перпендикулярно мембранному упругому элементу (1) и параллельно кремниевой пластине (4).
Цифрами (8) и (9) обозначены падающее на зеркало (7) излучение и отраженное от зеркала (7) излучение соответственно.
Зеркало (7) представляет собой плоскую отражающую поверхность с кристаллографической ориентацией типа (100) с изготовленными в ней углублениями пирамидальной формы (10). Стенки углублений (10) сходятся в одной точке, кристаллографическая ориентация стенок - (111). Каждое из углублений (10) представляет собой уголковый отражатель, однако угол между каждой из стенок углубления (10) и плоскостью зеркала (7) составляет 54°, а не 45°, вследствие чего оптическое волокно и фотоприемники могут быть разнесены в пространстве.
Сенсор работает следующим образом. Измеряемое давление 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 (8) и далее отраженного от зеркала излучения (9). В результате величина электрического сигнала на выходе фотоприемников (5), включенных по дифференциальной схеме, изменяется пропорционально измеряемому давлению, то есть происходит амплитудная модуляция падающего излучения. При этом оптическое излучение падает на фотоприемники в результате двукратного отражения от стенок углублений (10).
Вследствие того, что оптическое излучение падает на фотоприемники (5) под углом, близким к 90° к плоскости, на которой расположены фотоприемники (5), а сами фотоприемники (5) включены по дифференциальной схеме, преобразовательная характеристика предлагаемого амплитудного волоконно-оптического сенсора давления имеет монотонный характер, что уменьшает ее нелинейность, а чувствительность характеристики вследствие увеличения расстояния от торца оптического волокна до фотоприемников значительно выше, чем в прототипе, а значит и чувствительность сенсора.