[发明专利]一种接触型线性应力传感器及其应力检测方法

权利要求书

1.一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，包括依次连接的光信号输入模块、阵列波导光栅、光谱检测模块；所述光信号输入模块用于为应力检测提供宽谱光信号，所述阵列波导光栅为施力物体接触区域，所述光谱检测模块用于检测输出信号的波长大小；

所述阵列波导光栅包括依次连接的输入通道、输入平板波导、若干根单模波导、输出平板波导、输出通道；所述光信号输入模块连接所述输入通道，所述输出通道连接所述光谱检测模块；每一根所述单模波导的两端分别连接所述输入平板波导、所述输出平板波导；若干根单模波导构成的阵列区封装成矩形区域，作为折射率敏感区域，即应力接触检测区；所述折射率敏感区域为施力物体接触区域；

包括步骤如下：

(1)在未施加应力时，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长λ₁；

(2)对折射率敏感区域施加应力，将宽谱光透过构建的接触型线性应力传感器，用频谱分析仪分析接触型线性应力传感器的输出光谱，得到当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长λ₂；

(3)设定步骤(1)得到的未施加应力时对应的有效折射率下器件的中心波长为λ₁，步骤(2)得到的当前应力下对应的有效折射率下器件的中心波长为λ₂；

通过式Ⅰ得出当前中心波长漂移的漂移量Δλ：

Δλ＝λ₂-λ₁ Ⅰ

通过式Ⅱ得到有效折射率的变化量δn：

Δλ＝δnΔL/m Ⅱ

式Ⅱ中，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数；

通过式Ⅲ得到应力的σ的大小：

δn＝κσ Ⅲ

式Ⅲ中，κ为比例系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述单模波导从下至上依次包括基底、下限制层、波导芯层和上限制层。

3.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底为长方体。

4.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底的厚度为500um，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为18-22μm，所述波导芯层厚度为0.5μm-8μm。

5.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述上限制层和所述下限制层的厚度均为20μm。

6.根据权利要求2所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述基底的材料为硅、二氧化硅或聚甲基丙烯酸甲酯；

所述上限制层、下限制层的材料为硅、二氧化硅或铌酸锂；

所述波导芯层的材料为掺杂硅。

7.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述单模波导为条形波导或脊波导，所述单模波导的宽度为0.5μm-8μm，所述单模波导的厚度为0.5μm-8μm。

8.根据权利要求1所述的一种基于阵列波导光栅结构的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述步骤(1)中器件的中心波长λ₁的求取公式如式Ⅳ所示：

n_cΔL＝mλ₁ Ⅳ

式Ⅳ中，n_c为波导有效折射率，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。

9.根据权利要求1所述的接触型线性应力传感器进行应力检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中器件的中心波长λ₂的求取公式如式V所示：

(n_c+δn)ΔL＝mλ₂ V

式V中，n_c为有效折射率，δn为有效折射率n_c的变化量，△L为相邻阵列波导的长度差值，m为衍射级数。