光纤光栅传感器封装技术

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1、北京理工大学结课论文姓名吴永胜学号20801293专业物理电子学老师江毅课程光纤传感技术与系统日期2009年4月5日光纤传感器的封装技术吴永胜（mitedu@163.com）摘要：本文总体介绍了光传感器的封装技术，光传感器目前尚无规范化和标准化的封装工艺。另外，由于光传感器的品种多样化，目前也无较通用的封装工艺。之后针对光纤光栅传感器的不同应用，介绍了三种不同类型的封装技术。关键词：光传感器；封装技术；光纤布拉格光栅；交叉敏感；温度补偿引言20世纪90年代后期，光通信带动下的光子产业取得了巨大的成功，光传感器呈产业化发展。光纤不但具有良好的传光特性，而且本身

2、就可以用来进行信息传递，无需任何中间媒体就能把测量值与光纤内的光特性变化联系起来，因此光纤传感器就显示出了广阔的应用前景。本文主要介绍了光传感器的封装，封装是光传感技术的重要内容之一。封装的好坏，将直接影响传感器的性能，甚至使传感器失效。由于光传感器的对准精度要求很高，通常的对准精度达微米以上量级，所以对光传感器中各元件之间的定位要求很高。针对光纤光栅传感器的使用环境，精度要求，消除交叉敏感等问题，介绍了三种不同形式的封装技术，分别为：保护性封装、敏化封装和补偿性封装。一、光传感器的封装概述光传感器的封装是指：把经过组装的光传感器件，相应的光器件、电器件等封

3、入一个特别设计的管壳或容器内，使光传感器件成为一个整体，并可与外部进行电连接或光连接。1.1光传感器封装的目的：1.固定通过封装（机械固定、高温焊接、胶粘等方式）使光传感器的各部件的相对位置保持不变，光传感器件成为一个整体，以达到消除由于振动、温度变化、机械碰撞等因素引起的部件松动。2.保护通过封装（采取油封、水封、气封以及高压绝缘等措施）使光传感器可用于许多恶劣环境，防止外界有害气体，液体（油、水、酸等）以及高压电场对光传感器的损伤。3.使用通过封装，可提高光传感器的光学和电学性能，使其精度提高，长期稳定性改善（不致因温度起伏、振动、渗漏等因素使光传感器性

4、能下降）。通过封装还可以给光传感器提供一个适合安装以及与其他部件连接的过渡配合。1.2光传感器封装的基本要求：1.足够的机械强度光传感器封装后应该是结构牢固可靠，能承受机械振动、机械冲击、高频振动等各项试验。外引线与管壳之间的连接、尾纤与壳体之间的连接、固定要坚固。2.良好的密封性光传感器封装后应该满足使用中的密封要求，亦即光传感器封装后应具有放渗漏性，对不同的使用环境有不同的防渗漏要求。3.可靠的热稳定性光传感器封装后要求具有良好的热稳定性，其中包括：①良好的散热性，例如可通过85高温存放试验，以及高温85和低温-40循环温度冲击试验（20次）后，仍保持性

5、能稳定。②良好的热传导性或绝热性。例如对于光纤干涉型传感器，要求两支光纤通路处于相同的温度且其热传导的速度相近。这样当外界温度变化时，两支光纤通路有近于相同的温度变化梯度，以免两光纤通路之间有温度差而引起附加的相位变化。所以设计光纤干涉型传感器的结构和封装材料时，要考虑其热传导性。4.封装步骤的标准化对光纤传感器的封装结构设计时，应考虑其外形尺寸尽可能符合通用标准，这有利于产品的标准化、通用化和系列化。加工工艺也应尽可能简便、低成本，便于批量生产。5.其他有些器件应考虑尽可能减小端面的反射损耗，为此可采取镀增透膜，端面与光轴成斜角等方法。有些器件应减小对光波

6、偏振态的影响，为此可采用高偏振性能器件或消偏振的方法。1.3光传感器件的封装类型光传感器封装方法有多种，由于光传感器仍处于发展中，其封装方式尚未规范，这里简要介绍几种主要的封装方式。1.机械固定式这是光传感器最常用的一种封装方式。它主要是按光传感器的性能和使用要求，设计一定的容器（管壳）和相应的紧固件，将各部件组装固定成一个整体。只要设计合理，这种封装方式完全可以满足长期稳定的使用要求。这种加固方式也便于工艺标准化、规范化，此外，采用相应的密封措施，也能满足密封要求。若设计针对所用部件的导热性能和结构特点，以及所用材料的导热性，则可构成热稳定的封装结构。2.

7、胶粘固定式这是光传感器的又一种最常用的封装方式。它和机械固定式的差别主要是：传感器各部件之间的固定是用各种粘结剂。用胶粘固定各部件对光传感器进行封装的优点是：简便易行、灵活快捷、适用面广。尤其适用于光传感器的试验阶段。胶粘的不足之处是：①温度稳定性较差。原因是粘接剂和被粘结构的热膨胀系数不同。②有附加应力。粘接剂在固化过程中会产生附加的应力。③难以拆卸。用粘接剂封装的各部件一般难以拆卸而进行重新组装，所以用粘接剂封装的光传感器一般都无法拆卸。3.焊接固定式对于光传感器，这是一种优于胶粘的封装方式。这种封装方式的优点是：长期稳定性好，尤其是热稳定性较好，其不足

8、之处是：需专用焊接装置，需针对不同部件采用不同的工艺