автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления на основе технологии микроэлектроники

'Ч

БЯЛИК Александр Давидович

ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность 05 27 01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2007

003062392

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования ^Новосибирский Государственный технический университет"

Научный руководитель дтн , профессор

Защита состоится 17мая 2007 в «Ю00» на заседании диссертационного совета Д 212 173 03 Новосибирского Государственного технического университета, 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского Государственного Технического Университета

Автореферат разослан « ¡/^» апреля 2007 Ученый секретарь диссертационного совета,

Гридчин Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты дтн, профессор

Серьезнов Алексей Николаевич

д ф-м н , профессор

Борыняк Леонид Александрович

Ведущая организация Омский государственный университет

д ф-м н , доцент

Гринберг Я С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа являются новым направлением развития датчиков механических величин Главным достоинством таких датчиков по сравнению с традиционными тензорезистивными и емкостными является возможность их работы в пожаро- и взрывоопасных средах, в условиях сильных электромагнитных помех

Применение микроэлектронной технологии при создании таких датчиков позволяет создавать высокочувствительные и малогабаритные приборы Однако к настоящему времени информация об особенностях проектирования, конструкционных решений, особенностях изготовления и методах обеспечения заданных метрологических параметров волоконно-оптических датчиков с применением микроэлектронной технологии имеет отрывочный и неполный характер Это затрудняет их проектную разработку и реальное применение в составе измерительных систем

Целью данной работы является комплексное рассмотрение вопросов проектирования, в частности, теоретический расчет преобразовательной характеристики, и изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа на основе технологии микроэлектроники и исследование их экспериментальных характеристик

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были

1) Исследованы особенности преобразовательных характеристик датчиков,

2) Рассмотрены общие вопросы проектирования таких датчиков,

3) Исследованы особенности применения микроэлектронной технологии для создания чувствительных элементов датчиков

4) Методами математического моделирования проведен расчет преобразовательных характеристик чувствительных элементов датчиков и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными,

5) Созданы экспериментальные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа с применением микроэлектронной технологии,

6) Исследовано действие изменений температуры на преобразовательные характеристики датчиков

Научная новизна работы.

- В диссертационной работе предложено двухволоконное приближение для анализа частной преобразовательной характеристики оптической модуляции р2 и исследовано влияние на нее различных конструктивных параметров,

- Показана целесообразность обобщения двухволоконной модели на кластер волокон оптического кабеля Установлена возможность повышения чувствительности волоконно-оптических датчиков при слоистом расположении излучающих и приемных волокон,

Показана возможность управления частной преобразовательной характеристикой Рг,

- Предложено выражение для функции механического преобразования Б] микрозеркала в нелинейном приближении по прогибам, исследовано влияние конструктивных параметров на ее чувствительность и нелинейность,

- Экспериментально и методом конечных элементов исследованы особенности функции механического преобразования р! для микрозеркала с различной геометрией,

Практическая ценность работы.

- Предложен алгоритм расчета полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа,

- Даны рекомендации по выбору режима работы волоконно-оптического преобразователя датчика,

- Разработан технологический маршрут изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков с использованием методов микроэлектронной технологии,

Предложены и реализованы методы компенсации температурной нестабильности блока электронной обработки и временной нестабильности источника оптического излучения амплитудных волоконно-оптических датчиков давления,

- Разработан практический вариант конструкции амплитудного волоконно-оптического датчика перепадов давления на диапазон 100-1500 Па

Реализация результатов работы.

1 Созданы лабораторные образцы амплитудных волоконно-оптических датчиков малых давлений рефлектометрического типа,

2 Разработанный амплитудный волоконно-оптический датчик давления рефлектометрического типа применен в СибНИИЭ, г Новосибирск в качестве измерителя перепадов давления трансформаторного масла в силовых трансформаторах

3 Результаты исследований применяются при чтении курса лекций «Компоненты микросистемной техники» для студентов по специальности 200100 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

Апробация работы Основные резучьтаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 1998 год, 1999 год, Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-98», АПЭП-2000, Международной научно-технической конференции «KORUS-2000», Новосибирск, 2000 год, Международной научно-технической конференции IEEE «М1А-МЕ», Новосибирск, 1999 год, Международной научно-технической конференции «Electron devices and materials, EDM-2002»

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 13 печатных работах, из них 2 работы в изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 2 работы в сборниках научных трудов НГТУ, 1 патент на изобретение РФ, 1 свидетельство на полезную модель РФ, 7 работ в сборниках трудов международных научно-технических конференций

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения Работа изложена на 155 страницах основного текста и иллюстрируется 57 рисунками и 3 таблицами Список цитируемой литературы содержит 112 наименований

Автор защищает следующие основные положения'

- Предложенный в работе подход к расчету полной преобразовательной характеристики амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа,

- Результаты исследования влияния конструктивно-технологических факторов на характеристики датчиков,

- Технологическую реализацию кремниевого микрозеркала и схемотехническую реализацию волоконно-оптических датчиков

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы построения и применения волоконно-оптических датчиков для целей измерения Анализ литературных данных показал перспективность разработки волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа В таких датчиках световой поток подводится и отводится через набор оптических волокон к упругому микрозеркалу, имеющему вид жестко защемленной диафрагмы, прогиб которого меняется под воздействием измеряемого давления, модулируя световой поток, падающий на фотоприемник

Такие датчики просты по конструкции и дешевы по технологическому исполнению Чувствительные элементы в виде упругого микрозеркала целесообразно изготавливать из кремния с помощью методов микроэлектроники Амплитудная модуляция не требует обязательного

применения когерентных источников света, а результаты измерений можно сравнительно просто анализировать В датчиках удобно использовать серийно изготавливаемые оптические волокна, что снижает стоимость изделий При изготовлении эчектронных блоков первичной обработки информации применимы серийно выпускаемые приборы и детали

Однако характеристики, методы проектирования, технологии изготовления волоконно-оптических датчиков в настоящее время исследованы недостаточно полно, а применительно к датчикам давления отсутствуют В литературе отсутствуют обобщенные сведения о теоретическом расчете преобразовательных характеристик таких датчиков и сравнение этих характеристик с экспериментальными данными Описание основных параметров носит в основном оценочный характер либо относится к конкретным приборам, из чего не ясно, как повлияют изменения в конструкции на характеристики датчиков

В главе сформулированы цель и задачи исследования Во второй главе и частично в третьей главе формулируется математическая модель преобразовательной характеристики рассматриваемых датчиков

Преобразовательная характеристика амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа может быть представлена в виде

^з^р.Ср)]} (1)

где р - измеряемое давление, и - выходной сигнал датчика, Г,, Р2, Р3 частные функции преобразования, которые соответствует 3 этапам преобразования

Р] - функция механического преобразования описывает зависимость смещения микрозеркала ВОД под воздействием давления, Р2 - функция преобразования оптической модуляции описывает изменение интенсивности светового потока, отраженного от поверхности микрозеркала в зависимости от смещения последнего, Р3 - функция электрического преобразования

Описывает изменение электрического выходного сигнала в зависимости от изменения интенсивности светового потока

Преобразовательной характеристике соответствует разработанная в диссертации структурная схема ВОД давления, показанная на рис 1

Стабилизированный источник тока (1) металлический корпус 11 (2) с ик- источником оптического излучения (3) и

\ д_ фотоприемником (4), оптические волокна (5), упругое

I \ I микрозеркало (7), закрепленное на кремниевом основании (6), цифрой (8) обозначен ход световых лучей, блок электронной обработки (9), бток термостабилизации (10), индикатор (11)

Рис 1 Структурная схема амплитудного ВОД давтения рефлектометрического типа

Функция преобразования оптической модуляции (Р2) определяет свойства ВОД давления как особого класса датчиков

Все элементы конструкции амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа в смысле влияния на функцию Б2 можно разделить на 2 группы 1 элементы со стандартизованными характеристиками, 2 элементы с вариабельными свойствами и характеристиками, которые могут изменяться при построении

вод

К первой группе относятся материал, форма, геометрические размеры, количество оптических волокон, источники и приемники оптического излучения, элементы, составляющие схему электронной обработки оптического сигнала Ко второй группе относятся относительное пространственное расположение излучающих и приемных оптических волокон и упругого микрозеркала [1]

Вопрос об оптимальном взаимном размещении излучающих и приемных волокон относительно друг друга и микрозеркала применительно к амплитудным датчикам в литературе детально не рассмотрен В диссертации для количественного описания преобразовательной функции Р2 в основу анализа предложена двухволоконная модель (рис 2-а)

А

Приемное, волокно L

Б

Приемное',

2г

Излучающее; волокно I

L/2

Микрозфкало

Излучающее | волокно I

Микрозеркало

Рис 2 Схема, объясняющая зависимость плотности светового потока в приемном волокне от взаимного распотожения оптических волокон и отражающей поверхности а - без учета параметра у, б - с учетом параметра у

При анализе рассматривались два единичных волокна (одно приемное, другое излучающее) круглого сечения одинаковых диаметров, причем торцы лежат в одной плоскости, параллельной плоскости зеркала Отражение зеркальное, любые потери не учитывались, в отраженном пятне интенсивность светового потока не зависит от координат, а характер прохождения оптического излучения соответствует законам геометрической оптики В этом приближении преобразовательная функция Р2 имеет вид

■bi = ± /,, 2 л-

.0+* tgey

■ + ß-smß

(2)

где

а=2 arccos

г +а —R

■, /? = 2 arcsir

R

г ' 1 а г

In; 1.1 - интенсивности светового потока, падающего на торец приемного волокна и испускаемого излучающим волокном соответственно, г - радиус сердцевины волокон, L/2 - расстояние от плоскости зеркала до плоскости, в которой лежат торцы оптических волокон, а - расстояние между осями волокон, 9 - угол расхождения светового пучка

Р2Н 100%

Графики зависимости функции преобразования Г2 от расстояния Ь приведены на рис 3, на которых имеется ярко выраженный максимум и 2 квазилинейных участка, более крутой восходящий и ниспадающий Из (6) следует выражение для чувствительности частной

преобразовательной функции Р2 от расстояния до микрозеркала 8 = с№2/С1Х

Из анализа видно, что чувствительность уменьшается с ростом межосевого расстояния «а» и уменьшением угла расхождения светового пучка «в»

Выражение для ¥2 в диссертации обобщено на важный

практический случай, когда торцы испускающих и приемных

Рис 3 Зависимость функции преобразования

оптической модуляции ?2 от расстояния между волокон, а также микрозеркало не торцами оптических волокон и отражающей

поверхностью чувствительного элемента при лежат в СТРОГО параллельных разных а (1 - а=3г, 2 - а=6г, 3 - а=9г) плоскостях Чтобы учесть эту

особенность в модель введен параметр у - угол между идеализированной (нормальной к оси оптических волокон) и фактической плоскостями отражения светового пучка (рис 2-Б) В этом случае световое пятно в плоскости приемного волокна будет иметь эллиптическую форму Тогда выражение (2) для функции преобразования Р2 принимает вид

Рабочие квазилинейные участки преобразовательной характеристики

Расстояние, Ь/г

I г —81па) + аа Ъ3 ахссо^!а3)-ху

1\\

п а. Ь.

(3)

,где аэ, Ьэ - большая и малая полуоси эллиптического светового пятна в плоскости приемного волокна соответственно, а — угол между точками пересечения эллипса и приемного волокна с координатами х и у

12 10 8 6 4 2 О

F2H 100%

т -■-7=0 -•-у=2 5 1 у=10 -T-v-20 -

▼ ▼ 1 . А4* .

Т - А ' А А А -

▼ А А А • -

▼ А • • • *

А г V • • • • - -- 1IIIIII

'А А « • ........ ..... Рас< стояние -.- Jr -г-

25

3 75

6 25

Установлено (рис 4), что с ростом угла у увеличивается крутизна функции Р2, уменьшается величина квазилинейного

участка, который при этом смещается в сторону меньших расстояний до микрозеркала

Поскольку в датчике используется не два, а набор волокон, собранных в кабель, просуммировать волокна в

преобразовательную характеристику Из выражений для Р2 (2) и (3) следует сильная зависимость светового потока в приемном волокне от расстояния между осями волокон «а» При выполнении условия а/г >11 вклад излучающих волокон в преобразовательную функцию Р2 оказывается менее 0,5% Это позволяет ввести понятие кластера — набора излучающих волокон, которые дают вклад в световой поток данного приемного волокна Общая интенсивность светового потока,падающего на фотоприемник, определяется

(4)

125

Рис 4 Зависимости преобразовательной необходимо функции F2 от до микрозеркала Угол у принимает значения 0.2 5,10,20 градусов вклад каждого

~ Л ^ _ о S па

к к а

где 1а , пп - вклад в интенсивность светового потока от излучающего волокна и количество излучающих волокон на расстоянии «а» до приемного в пределах кластера, - вклад данного кластера в общую интенсивность светового потока, к — общее число кластеров Отметить, что параметр «а» принимает только дискретные значений, определяемых размерами кластера

При рассмотрении выражений (2) и (3) оказывается, что общий световой поток зависит от взаимного расположения излучающих и приемных волокон в оптическом кабеле

В главе показано, что чувствительность частной преобразовательной функции р2 при

расположении излучающих и приемных оптических волокон чередующимися слоями {на рис 5-6) оказывается на 8-15% больше, чем при случай но-равномерном расположении (на рис 5-а), В частности, при рассмотрении волоконно-оптического кабеля с общим числом волокон N=300, при случайно-равномерным распределении оптических волокон и при их слоистом чередующимся распределении по площади торца кабеля приведенная чувствительность в рабочем диапазоне расстояний Ь1т составила соответственно 0,029 и 0,032. Данное положение подтверждается свидетельством на полезную модель РФ №26652,

В третьей глав« рассмотрено обоснование выбора типа чувствительного элемента для датчиков давления рефлектометрического типа. Теоретически и экспериментально исследована частная функция преобразования Рг-

В диссертации предложено формировать упругое микрозеркало из кремния с использованием технологии трехмерного профилирования. Кремний как материал обладает механическими свойствами, допускающими высококачественную обработку поверхности и нанесения отражающих покрытий. В составе кремниевого мккрозеркаяа должно быть кольцо жесткости, а тонкая часть (диафрагма) может быть как плоской, так и профилированной и иметь жесткий центр (рис 6).

Для определения преобразовательной функции связывающей перемещение микрозеркада V/ и давление р, в диссертации применялись вариационный и конечно-элементный методы.

Рис. 5. Случайно-равномерное (А) и слоистое (Б) расположение оптических волокон в кабеле

^ ^Г ^ ^

к

Рнс 6 Схема кремниевого упругого микрозеркала и его иагружения

А - микрозеркало в виде плоской профилированной диафрагмы, Б - микрозеркало в виде профилированной диафрагмы с жестким центром, 1 - рамка, 2 — тонкая часть, 3 - боковой скос, 4 -жесткий центр, 2а, 2Ь — размеры сторон диафрагмы и жесткого центра, Ь и Ьжц -толщина диафрагмы и жесткого центра, р - давление

Вариационный метод применялся для анализа микрозеркал в виде квадратной плоской жесткозащемленной диафрагмы (см рис 6-а) При анализе исходили из преобразовательной характеристики микрозеркала в нелинейном по нагрузке приближении [2]

У = ехр

(5)

где X - Р а , У - - давление и прогиб микрозеркала в безразмерной к п

форме, К — толщина микрозеркала, Ох — изгибные жесткости, Е - модуль Юнга, v — коэффициент Пуассона

10 15 20 13 0 5 10 15 20 25

Приведенное давление, X Приведенное давление, X

Рис 7 Зависимость приведенной рис 8 Зависимость приведенной

чувствительности упругого нелинейности упругого микрозеркала от

микрозеркала от приведенного давления приведенного давления

Удобная форма преобразовательной характеристики позволяет получить важные для проектирования выражения для производных, через которые определяется чувствительность и нелинейность по перемещению (рис 7 и 8)

Метод конечных элементов применялся как для плоских, так и для профилированных микрозеркал При расчете применялся пакет программ А^Ув

Расчеты при помощи методов математического моделирования позволили выявить некоторые особенности преобразовательной характеристики Р] Результаты моделирования показывают, что в двойном логарифмической масштабе зависимость чувствительности микрозеркала от его толщины представляет собой семейство прямых линий, причем тангенс угла их наклона к и отрезок, отсекаемый на оси ординат У0, зависит от наличия и ширины жесткого центра Аппроксимируя результаты численного моделирования в полиномиальной форме, получаем

1ё8=У0+к1§Ь

к = - 2 7294 - 4 69527 10"4Х+ 6 25109 10"7Ь2 (6)

У0 = - 4 78744 + 5 7363 10"4 X - 1 39169 10"6 Ь2 где Б = <НУ<1р -чувствительность микрозеркала, Ь - полуширина жесткого центра в микрометрах, 0 < X < 1500 мкм Ошибка аппроксимации не превосходит 2% Выражения (6) позволяют упрощенным путем определить чувствительность микрозеркала Расчеты приведены для микрозеркала со стороной а = 5 мм

Для экспериментальных исследований частной функции преобразования Р( упругих микрозеркал при воздействии на них избыточного статического давления на базе газового Не-Ые - лазера 1 (А,=0,63 мкм) был собран интерферометр Майкельсона, схема которой показана на рис 9

Разрешение такой измерительной системы по перемещению составляет Х/4 Давление на упругое микрозеркало подавалось при помощи

грузопоршневых манометров МП-04 и МП-6М класса точности 0,02 и рассчитанных на диапазон давлений 6,67-40 кПа и 40-600 кПа соответственно, в результате чего наблюдалась интерференционная картина, отражающая зависимость прогибов упругого микрозеркала от давления Графики типичной частной функции преобразования Б] приведен на рис 10

Рис 9 Схема установки для исследования механических свойств микрозеркал 1- лазер, 2- ход лучей лазера, 3

- полупрозрачное зеркало, 4 -зеркало, 5 - упругий чувствительный элемент, 6 -металлическая станина, 7 -штуцер, 8 - шланг для подачи давления, 9 - задатчик давления, 10 - видеокамера, 11

- контрольный монитор, 12 -компьютер

30-, 25 20 15 10 5 0

Про) иб, мкм

] 1лосКое микрозер] :ало -МКЭ_

вари;

ЭКСШ1

[ационнь :еримент

М

-МКЭ, экспе

н

жрозерк; ло с ж« гким центром

50 100 150 200 250 300

Давление, кПа

Рис 10 Сравнительные функции преобразования полученных в результате расчета

методом конечных

элементов, вариационным методом и в эксперименте для плоского

микрозеркала (А) и микрозеркала с жестким центром (Б) Размеры микрозеркал а = 5 мм, Ь = 40 мкм, Ь = 1 8 мм, Ьжц = 420 мкм

Данные, полученные в результате математического моделирования и при расчетах вариационным методом, согласуются с результатами эксперимента в пределах 5-7% Соотношение чувствительности и нелинейности

микрозеркал демонстрирует существенную роль размеров жесткого центра на характеристики микрозеркала Как показывают расчеты, введение жесткого центра даже небольшой толщины Ьжц, удовлетворяющей соотношению Ьжц/Ь =1,05-1,15 обеспечивает лучшее соотношение нелинейность - чувствительность, чем для микрозеркала без жесткого центра

В четвертой главе диссертации экспериментально исследуются лабораторные образцы амплитудных ВОД давления рефлектометрического типа

Структурная схема разработанного датчика приведена на рис 1 Учитывая, что основным источником нелинейности является функция ¥2, в диссертации предложено выбирать расстояние между торцом оптического кабеля и микрозеркалом в точке перегиба из условия с12Р2/с!х2 = 0, где Г^ определяется выражениями (2) и (3) На рис 11 приведены теоретические и экспериментальные зависимости преобразовательной характеристики Р2 , а также положение рабочей точки Расчеты показывают существенную зависимость преобразовательной характеристики к величине угла 0 При выборе 0 = 20,75° экспериментальные и теоретические зависимости согласуются в пределах 10%, а на восходящем участке - около 2%

В диссертации показано, что наличие на отражающем покрытии микрозеркала участков с различными коэффициентами отражения , а также участков с микрорельефом дает новый способ управления преобразовательной характеристикой Р2 Было установлено, что наибольшая чувствительность достигается при отражении от гладкой зеркальной поверхности, однако при наличии на отражающей поверхности областей с разными коэффициентами отражения, функция Р2 на восходящем участке имеет характер ломаной (см рис 11, график 4), причем отношение выходного сигнала к перемещению изменяется в 3-4 раза ( патент на изобретение, заявка №2180100 - 2002 г) При рациональном выборе рабочей точки и работе микрозеркала на линейном участке преобразовательной

характеристики Р2, общая преобразовательная характеристика датчика оказывается линейной

На рис 12 приведены общие теоретические и экспериментальные характеристики выходного сигнала, снятого с фотоприемника

Рис 11 Частные преобразовательные характеристики амплитудною ВОД давления

:рхж>сть град 5 град тннниевой усом 11=1 мм

1500 2000 2500 Расстояние, мкм

-0 2

-0 5

15 2 0 2 5 Давление, Па* 105

Рис 12 Общая преобразовательная характеристика ВОД В качестве чувствительного элемента используется

упругое микрозеркало с жестким центром а = 5 мм, Ь = 40 мкм, Ь = 1,8 мм, Ьжц = 420 мкм

Температурные исследования зависимостей начального выходного сигнала и чувствительности в диапазоне 20 - 90° С для ВОД показали, что

соответствующие температурные коэффициенты (выражения 7 и 8)

Р = [и (Т)-и0(Т0)]/ (ЩТо) ДТ) 100%

(7)

tt=[S(T)-So(To)]/(So(To) ДТ) 100% (8)

где, Т0 и Т - минимальная и максимальная температуры соответственно, Uo и U - выходной сигнал при То и Т соответственно, S0 и S — чувствительность при Т0 и Т соответственно лежат в диапазоне от 0,01 до 0,05%/град, что находится на уровне лучших существующих датчиков

В пятой главе рассматриваются технологические аспекты формирования кремниевого микрозеркала, конструкции датчика в целом и его компонентов и измерительные характеристики датчика

Конструктивно датчик состоит из трех основных частей 1 Волоконно-оптический преобразователь (ВОП), кремниевое упругое микрозеркало, основание упругого микрозеркала, металлический корпус, обеспечивающий соединение всех частей ВОП, 2 Волоконно-оптический кабель, 3 Блок электронной обработки сигнала

Упругое микрозеркало изготавливается из монокристаллического кремния методами микромеханики (жидкостным анизотропным травлением) В экспериментально реализованном варианте микрозеркало имело жесткий центр Размеры а = 5 мм и h = 20±0,5 мкм, b = 1 8 мм, Ьжц=180±0,5 мкм Исходный материал - двусторонне полированные пластины (d= 76 мм, h= 180 мкм) монокристаллического кремния КЭФ - 4,5, (100) Схема технологического процесса представлена на рис 13 В качестве защитной маски при профилировании использовался выращенный методом термического окисления оксид кремния Si02 толщиной 0,8 мкм Такая толщина защитного слоя оказалась достаточной для успешного проведения операции профилирования при помощи жидкостного анизотропного травления

Формирование рисунка маски осуществлялось при помощи фотолитографии Само микропрофилирование осуществлялось в 33% водном растворе КОН (Т= 79±0,5°С) в реакторе типа «водяная баня» с использованием для контроля скорости травления пластин-спутников Основное время травления для выбранной толщины микрозеркала составило

1= 145 мин Далее на поверхность микрозеркала для улучшения отражения ик-излучения проводилось вакуумное напыление алюминия толщиной О 2мкм Разделение пластин на отдельные кристаллы осуществлялось скрайбированиехМ

Для исключения влияния внутренних термомеханических напряжений микрозеркало устанавливалось на кремниевом основании размером 10 х 10 мм, толщина Ь = 4 мм с центральным отверстием 0 = 2,5 мм и канавкой для посадки микрозеркала Схема технологического процесса формирования основания приведена на рис 13 Канавка формировалась при помощи анизотропного травления в КОН

Волоконно-оптический кабель, примененный для изготовления датчика, представляет собой набор оптических волокон диаметром 45 мкм со случайным распределением приемных и излучающих волокон и затуханием 0,17 Дб/км Волокна на одном торце заделаны в металлическую оправку таким образом, что торцы всех единичных волокон лежат в одной плоскости Второй торец волоконно-оптического кабеля разделен на две части и заделан в патрон с источником и приемниками оптического излучения, в качестве которых были использованы ик -свето- и фотодиоды (АЛ -107 и ФД-256 соответственно)

Выходной сигнал с фотоприемника поступал на электронную схему обработки, которая была выполнена на прецизионных малошумящих ОУ 140УД17 Для обеспечения хороших измерительных характеристик ВОД давления рефлектометрического типа принципиально необходима термостабилизация источников и приемников излучения В разработанном варианте использовался термостат с резистивным нагревом, в котором поддерживалась температура Т=50±0,3°С Время выхода на режим такой схемы 5-7 мин Для исключения влияния флуктуаций светового потока на работу датчика в разработанной конструкции использовалась дифференциальная схема оптическое излучение, испускаемое светодиодом, падает на первый (рабочий) фотодиод, пройдя по оптоволокну, а на второй

(опорный) непосредственно В электронном блоке сигналы вычитаются один из другого, что позволяет устанавливать нуль датчика, а наличие термостабилизации и временную стабильность нуля и чувствительности

датчика

Изготовление чувствительного элемента Изготовление

кремниевого основания

1а

Исходный материал КЭФ-4,5 (100), Е>=76 мм, 11=420 мкм

2а

Термическое окисление Т = 1150 С

1Ь

Исходный материал КЭФ-4,5 (100), 15=40 мм Ь=4мм

7 Соединение оптических волокон с блоком электронной обработки

Блок

термостабилизации

За

Фотолитография

2Ь

Термическое окисление Т= 1150 С

Электронный блок

Елок источников и приемников излучения

ЗЬ Фотолитография Анизотропное травление

Оптические волокна, собранные в кабель

4Ь

Изго го; «ение^ ¡в; тяя под 01 трческое 1|с ¡сно

^ Л

6 Сборка чувствительного элемента, основания и оптическихволокон в единую конструкцию

Рис 13 Основные этапы изготовления амплитудных волоконно-оптических датчиков рефлектометрического типа

Преобразовательная характеристика разработанного амплитудного волоконно-оптического датчика давления рефлектометрического типа показаны на рис 14 Чувствительность датчика составила 0,18 мВ/В кПа, нелинейность - 1%, температурный коэффициент нуля - 0,04 %/град, температурный коэффициент чувствительности -0,01 %/град

Чувствительность полной функции преобразования можно определить следующим выражением

Б = кф /0 52 (9)

где кф - коэффициент преобразования фотоприемника, 10 - световой поток, излучаемый источником излучения, Б2 и 81 - чувствительности частных функций преобразования оптического и механического преобразования соответственно

боо

500

400'

300

200

100

0

Вы

однок

ал, мЕ!

200

400 600

800

1000 1200 1400 1600

Давление, Па

Рис 14 Преобразовательная характеристика волоконно-оптического датчика малых пеоепадов давления Диапазон давлений 100-1500 Па

Разработанный амплитудный волоконно-оптический датчик давления рефлектометрического типа применен в качестве измерителя перепадов давления трансформаторного масла в силовом трансформаторе, о чем имеется акт о внедрении

В заключении сформулированы основные результаты и выводы 1) амплитудные волоконно-оптические датчики давления рефлектометрического типа следует рассматривать как отдельный класс

датчиков со специфическими особенностями проектирования, конструкции и технологией изготовления,

2) Предложена математическая модель преобразовательной характеристики амплитудных волоконно - оптических датчиков давления рефлектометрического типа,

3) Исследованы механические свойства чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и их влияние на преобразовательные характеристики ВОД,

4) Экспериментально подтверждена правильность предложенной теоретической модели преобразовательных характеристик ВОД,

5) Даны предложения по выбору оптимального режима работы волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа,

6) Предложен технологический маршрут изготовления волоконно-оптических преобразователей амплитудных датчиков давления рефлектометрического типа методами микроэлектронной технологии,

7) Рассмотрена концепция конструктивной реализации ВОД Показано, что для обеспечения характеристик ВОД необходимо использовать схему сравнения сигнала с рабочего фотоприемника с сигналом с опорного фотоприемника и термостабилизацию блока электронной обработки датчиков,

8) Изготовлен экспериментальный образец амплитудного волоконно-оптического датчика давления рефлектометрического типа и исследованы его основные экспериментальные характеристики,

9) На примере внедрения показана возможность работы ВОД в пожароопасных средах и в условиях наличия сильных электромагнитных полей

В приложении приведены основные характеристики элементов электронного блока амплитудного волоконно-оптического датчика давлений рефлектометрического типа

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1 Гридчин В А, Бялик А Д «Математическое моделирование мембранных чувствительных элементов амплитудных волоконно-оптических датчиков давления» // «Автометрия», 2005, том 41 № 3, с 56-63

2 Гридчин В А, Бялик А Д «Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления, использующих 1сремниевые мембранные чувствительные элементы» // «Приборы», 2005, №7, с 25-29

3 Бялик А Д «Особенности проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления» // Сб Трудов НГТУ, 2003, №4, с 159-164

4 Бялик А Д «Экспериментальное исследование передаточных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления» // Сб Трудов НГТУ, 2004, №1, с 3-8

5 Бялик АД МПК 7 G Ol L 11/02 Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин // Патент на изобретение, заявка №2180100 -2002 г

6 Бялик АД МПК 7 G 01 L 11/02 Амплитудный волоконно-оптический преобразователь механических величин // Свидетельство на полезную модель №26652 - 2002 г

7. Гридчин В А, Круизов В В , Бялик А Д НГТУ, Новосибирск «Волоконно-оптические преобразователи механических величин» // Труды Международной науч -тех конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-98», том 4, с 3-5 Новосибирск, 1998 г

8 Gridchm V А , Kruglov V V , Byalik A D , Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk .Russia «Fiber-optical transducers of mechanical quantities» // Труды Международной науч -тех конф IEEE «MIA-ME», том 3, 36-38, Новосибирск, 1999 г [Волоконно-оптические преобразователи механических величин]

9 Нечаев В Г , Бялик А Д «Экспериментальное исследование характеристик кремниевых мембранных чувствительных элементов» // Труды

Международной науч -тех конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2000», том 4, с 40-43, Новосибирск, 2000 г

10 Бялик АД НГТУ, Новосибирск «Экспериментальное исследование характеристик вод параметров вибрации» // Труды Международной науч-тех конф «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП-2000», том 4, с 36-39, Новосибирск, 2000 г

11 Gridchin V А, Shaponn А V, Byalik AD, Lee JH «Calculation of deflection and mechanical stresses in plates of the rectangular form by variational and numerical methods» // Proceedings The 4-th Corea-Russia International Symposium on Science and Technology , 2000, p 212-217 [Расчет прогибов и механических напряжений прямоугольных мембран вариационным и численным методами]

12 Bialik A D , Voromn I А , Zlobin А М Novosibirsk State technical university «Temperature dependences of fibre-optical sensors of mechanical values» // Труды Международной науч -тех конф «Electron devices and materials, EDM-2002», гом 2, с 116-118, Новосибирск, 2002 г [Температурные зависимости волоконно-оптических датчиков механических величин]

13 Bialik A D , Voromn I A Novosibirsk State technical university «The device of digital data processing from the fibre-optical sensors of mechanical values » // Труды Международной науч -тех конф «Electron devices and materials, EDM-2002», том 2, с 119-121, Новосибирск, 2002 г [Устройство обработки цифрового сигнала волоконно-оптических датчиков механических величин]

Список используемой литературы

[1] Зак Е А Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, М , «Энергоатомиздат», 1989 г , 128 с

[2] Любимский В М Проблемы проектирования интегральных тензопреобразователей давления на основе слоев поликристаллического кремния, Диссертация на соискание д т н , НГТУ, Новосибирск, 2005г , 294 с

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20, тел/факс (383) 346-08-57 Формат 60x84/16, объем 1,75 п л , тираж 110 экз , заказ № 6 53, подписано в печать 11 04 07 г