МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ Российский патент 1999 года по МПК G01B9/02 G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в системах измерения различных физических величин, например, концентрации газов, температуры, давления и др.

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего излучения, взаимодействующего с МР (Sensors and Actuators, A 21-A-23, 1990, pp. 369-372). В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке мультиплексных измерительных систем на основе микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков с частотным кодированием сигнала, позволяющим осуществлять дистанционные измерения с высокой точностью.

Микрорезонатор, как правило, представляет собой микрокамертон, микробалку, микроконсоль, микромембрану, изготовленные из монокристаллического кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии. Внешнее воздействие деформирует подложку МР и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических изгибных колебаний, возбуждаемых светом. Эти изменения частоты регистрируют волоконно-оптическим методом. Амплитуда колебаний МР при фотометрическом механизме возбуждения достигает десятков нанометров.

Измерение параметров колебаний МР со столь малой амплитудой требует использования интерферометрического съема информации и высокой добротности МР. С точки зрения практической реализации данная проблема наиболее оптимальным образом решается с применением микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков автогенераторного типа на основе применения интерферометра Фабри-Перо. При этом резонатор интерферометра образован отражающей поверхностью МР, совершающей поперечные акустические колебания, и полупрозрачным отражателем в виде полупрозрачного зеркала или торцевой грани световода, сопряженного вторым торцом с источником излучения (см. Electronics Lett. 1988, v 24, N 13, pp. 777-778).

Новые возможности для контроля состава газообразных сред открывает нанесение на поверхность МР пленок-сорбентов, селективно чувствительных к исследуемому газообразному компоненту.

Измерение частоты МР определяется величиной "присоединенной" массы, возникающей при взаимодействии МР с газом. При этом, так как сорбционные процессы носят диффузионный характер, то уменьшение толщины пленки уменьшает чувствительность датчика, но увеличивает быстродействие.

Анализ возможных решений остро стоящей в настоящее время проблемы селективных анализаторов состава газовых смесей в агрессивных и взрывоопасных средах показывает, что реализация их на основе волоконно-оптических массочувствительных микрорезонаторных датчиков - один из наиболее перспективных путей.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемым результатам является волоконно-оптический датчик физических величин с оптическим методом возбуждения колебаний МР и интерферометрическим методом съема информации, взятый в качестве наиболее близкого аналога и опубликованный в "Electronics Lett" 31st August, 1989, v 25, N 18, pp 1235... 1236.

Известное устройство содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 840 нм и мощностью P = 1 мВт, делитель, полупрозрачное зеркало, кремниевый микрорезонатор в виде мостика, на поверхности которого размещено зеркало из серебра толщиною 40 нм, фотоприемник, анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение через делитель, полупрозрачное зеркало направляется на МР и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Полупрозрачное зеркало с отражающей поверхность МР образует интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте МР фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение с помощью делителя направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием внешних воздействий (температуры, давления, ускорения и др.) изменяется резонансная частота МР, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале ВОД.

Стабилизация резонансной частоты МР осуществляется за счет электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне зоне частот. Чтобы перекрыть заданный диапазон частот (~ 15 ГГц), длина волны лазерного источника излучения должна изменять на Δλ = 0,034 нм. Это достигается путем изменения тока накачки лазерного диода в незначительных пределах.

Выходной сигнала с фотоприемника делится на две части: одна часть направляется к анализатору спектра, другая проходит через проходной фильтр с низкими потерями и обеспечивает незначительное изменение тока накачки лазерного диода. При этом для обеспечения режима автоколебаний в течение длительного времени к напряжению тока накачки лазерного диода предъявляются жесткие требования стабильности, обеспечивающие устойчивое положение рабочей точки А на оптической характеристике резонатора Фабри-Перо, а также - тщательный выбор напряжения смещения в соответствии с условиями, где имеют место автоколебания.

В результате известное решение характеризуется следующими отрицательными признаками:
- высокие требования к стабильности мощности источника излучения (тока накачки лазерного диода) и тщательный контроль рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения в небольших пределах оптической мощности излучения, падающей на МР;
- дополнительные потери мощности оптического излучения, обусловленные наличием необходимых дискретных элементов, образующих дополнительный канал обратной связи в электронной схеме;
- жесткие требования к стабильности характеристик резонатора Фабри-Перо, а также - характеристик МР в силу ограниченной возможности их коррекции в рассматриваемой электронной схеме;
- ограниченные возможности подстройки рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения длины волны оптического излучения лазерного диода при реализации сложной электронной схемы обратной положительной связи.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического датчика с улучшенными техническими характеристиками (точность, чувствительность и др.) с частотным выходом для измерения концентрации газов на основе применения волоконно-оптического лазера и МР, на поверхность которого нанесена пленка-сорбент, селективно чувствительная к исследуемому газообразному компоненту.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике концентрации газов, содержащем лазерный источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, образующий с полупрозрачным зеркалом интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник, блок обработки информации, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого сопряжен, являющийся полупрозрачным зеркалом, с микрорезонатором, а второй является выходным, связанным с фотоприемником, при этом датчик снабжен дополнительным микрорезонатором, оптически связанным с волоконно-оптическим лазером, и один из микрорезонаторов снабжен пленкой-сорбентом, а также тем, что волоконно-оптический лазер связан с направленным волоконно-оптическим ответвителем, а также тем, что микрорезонаторы выполнены в виде микроконсоли из кремния или пьезокварца.

В таблице приведены основные типы сорбентов, которые могут использоваться в селективных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков автогенераторного типа.

Масса газа m_г, поглощенная пенкой сорбента, приводит к изменению частоты МР Δf , которая связана с m_г следующим соотношением:

где Δf = f-f_г,
- собственная частота МР;
f_г - измеряемая частота, Гц;
A - постоянная величина, определяемая геометрическими размерами МР и типом возбужденных мод;
E - жесткость МР;
m - масса МР;
m_г - масса газа, поглощенная пленкой сорбента.

В общем случае измеряемая резонансная частота с ВОД с микрорезонатором является функцией многих переменных, что снижает точность измерений и требует принятия специальных мер по устранению их влияния.

Имеем:

где - погрешность, обусловленная влиянием изменения температуры МР;
- погрешность, обусловленная изменением упругих параметров МР;
- погрешность, обусловленная влиянием эффекта вязкого взаимодействия газа с МР;
- погрешность из-за влияния внешнего давления.

Согласно (2), при изменении Δf_г , зависящей от концентрации газа, следует учитывать влияние посторонних факторов на измеряемую частоту колебаний МР с пленкой-сорбентом. Как показывает анализ, часть из них либо пренебрежимо мала, либо может быть исключена при дифференциальном методе измерений, который может быть реализован при возбуждении автоколебаний в мультиплексной системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. При этом новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO₂, CaAs, позволяет реализовать микрорезонаторные структуры с заданными акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т.д.). В предлагаемом техническом решении МР выбран в виде микроконсоли из кремния или пьезокварца.

На фиг. 1 представлена типовая схема волоконно-оптического датчика концентрации газа дифференциального типа.

Здесь: 1 - волоконно-оптический лазер (ВОЛ), являющийся источником излучения;
2 - волоконный одномодовый световод, оптически связанны с ВОЛ 1;
3 - МР с колеблющейся зеркальной поверхностью, оптически связанный с ВОЛ 1;
4 - зеркала на торцах волоконного одномодового световода, связанные с отражающей поверхностью МР 3;
5 - выходной торец волоконно-оптического лазера 1, сопряженный с фотоприемником;
6 - пленка-сорбента, нанесенная на МР 3 в измерительном плече;
7 - интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью зеркал 4 и отражающей поверхностью микрорезонаторов 3 в обоих плечах;
8 - направленный волоконно-оптический ответвитель, образующий два плеча: опорное и измерительное;
9 - опорное плечо датчика, образованное МР 3 без пленки-сорбента и интерферометром Фабри-Перо 7;
10 - измерительное плечо датчика, образованное МР 3 с пленкой-сорбентом и интерферометром Фабри-Перо 7;
11 - фотоприемник, связанный с выходным торцом 5 ВОЛ 1;
12 - блок обработки информации, электрически связанный с фотоприемником 11.

В опорном и измерительном плечах канал возбуждения автоколебаний и канал интерференционного съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера. При этом торцы 4 связаны с отражающей поверхностью МР 3, образующего интерферометр Фабри-Перо, а торец 5 является выходным.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений микрорезонаторы 3 включаются в цепь обратной связи путем подведения их к торцам 4 одномодового световода 2 волоконно-оптического лазера 1 в опорном плече 9 и измерительном плече 10. В результате в обоих плечах образуется интерферометр Фабри-Перо.

При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера 1, длине H₀ интерферометра Фабри-Перо 7, длине волны лазера λ в опорном и измерительном плечах возникают незатухающие поперечные акустические колебания на частотах f и f_г соответственно, близких к резонансным частотам собственных механических колебаний микрорезонаторов, которые возбуждаются одновременно или последовательно. При этом в обоих микрорезонаторах колебаний возбуждаются на одинаковых модах, причем в отсутствии контролируемого газа f = f_г.

Определение концентрации газа C осуществляется блоком обработки сигналов 12 по определенному алгоритму, с учетом площади сорбента, коэффициента диффузии газа и массы газа m_г, поглощенной пленкой-сорбентом и определяемой по формуле (1).

Проблема разработки селективных анализаторов состава газовых смесей в агрессивных средах стимулирует поиск путей построения волоконно-оптических датчиков концентрации газов различных конструкций.

В этой связи, наряду со схемой дифференциального метода измерения концентрации газа, представленного на фиг. 1, содержащей один направленный волоконно-оптический ответвитель, с помощью которого опорное и измерительное плечи разнесены пространственно, могут быть реализованы и другие варианты схемных решений. В узком секторе наблюдений, где необходимость в направленном ответвителе отпадает, в поле оптического излучения волоконно-оптического лазера, направленного в сторону исследуемой газовой смеси, размещаются опорный МР и измерительный МР, содержащий пленку-сорбент.

Схема такого ВОД концентрации газа представлена на фиг. 2. Здесь: 1 - волоконно-оптический лазер (ВОЛ), являющийся источником излучения;
2 - волоконный одномодовый световод, связанный с ВОЛ 1;
3 - МР с колеблющейся зеркальной поверхностью, оптически связанный с ВОЛ 1;
4 - зеркало на торце волоконного одномодового световода 2, связанное с отражающей поверхностью МР-ов 3;
5 - выходной торец ВОЛ 1, связанный с фотоприемником;
6 - пленка-сорбента, нанесенная на один из микрорезонаторов 3;
7 - интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью зеркала 4 и отражающей поверхностью МР-ов 3;
11 - фотоприемник;
12 - блок обработки информации, электрически связанный с фотоприемником 8.

Возможен третий вариант построения датчика концентрации газа, где измерения осуществляются при возбуждении автоколебаний на разных модах одного и того же МР. В этом случае принцип действия датчика основан на различии зависимостей f_к(m_г), где f_к - частота K-той моды собственных колебаний МР. Так, например, для МР в виде консоли

где β - постоянная, зависящая от геометрических и упругих параметров МР;
модовое число, K = 1,2,3...

В этом случае с целью повышения контраста в чувствительности разных мод пленка сорбента располагается дискретно в области узлов смещения для мод более высокого порядка. Следует подчеркнуть, что многомодовый режим измерений в значительной мере минимизирует влияние дестабилизирующих факторов, поскольку их влияние на опорное и измерительное плечи в дифференциальной схеме идентичны.

Отметим, что рассмотренные три варианта построения датчиков могут быть распространены на случаи контроля и диагностики состава многокомпонентных газовых сред при соответствующем изменении волоконно-оптической части схемы и топологии чувствительных элементов МР.

В нестационарном случае быстродействие датчика определяется скоростью диффузионных процессов, характеризующихся постоянной времени где h - толщина сорбента; D - коэффициент диффузии. При этом быстродействие датчика определяется как max{r_o, τ}, где r₀ - постоянная времени блока обработки информации.

Отметим, что при необходимости в рассматриваемых схемах принудительную десорбцию можно осуществлять нагревом МР за счет оптической мощности излучения волоконно-оптического лазера, что позволяет повышать быстродействие датчика. Оценки показывают, что при типовых размерах кремниевых МР средняя мощность излучения, равная 20 мВт, приводит к дополнительному нагреву МР до 200^oC.

Таким образом, изобретение позволяет разработать микрорезонаторный волоконно-оптический датчик с улучшенными характеристиками: точность, чувствительность и др. с частотным выходом для измерения концентрации газов.

Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик концентрации газов включает источник оптического излучения, в качестве которого использован волоконно-оптический лазер. Один торец волоконно-оптического лазера сопряжен с микрорезонатором, образующим интерферометр Фабри-Перо, а другой торец является выходным, связанным с фотоприемником. Датчик снабжен дополнительным микрорезонатором, связанным с волоконно-оптическим лазером. Один из микрорезонаторов снабжен пленкой-сорбентом. Пленка-сорбент нанесена на микрорезонатор в измерительном плече. Обеспечено повышение точности и чувствительности. 2 з.п. ф-лы., 2 ил., 1 табл.

1. Микрорезонаторный оптический датчик концентрации газов, содержащий лазерный источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, образующий с полупрозрачным зеркалом интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник, блок обработки информации, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого, являющийся полупрозрачным зеркалом, сопряжен с микрорезонатором, а второй является выходным, связанным с фотоприемником, при этом датчик снабжен дополнительным микрорезонатором, оптически связанным с волоконно-оптическим лазером, и один из микрорезонаторов снабжен пленкой-сорбентом. 2. Микрорезонаторный оптический датчик концентрации газов по п.1, отличающийся тем, что волоконно-оптический лазер связан с направленным волоконно-оптическим ответвителем. 3. Микрорезонаторный оптический датчик концентрации газов по п.1 или 2, отличающийся тем, что микрорезонаторы выполнены в виде микроконсоли из кремния или пьезокварца.