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85oC高温存放试验，以及高温85oC和低温-40oC循环温度冲击试验（20次）后，仍保持性能稳定。
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6?~8?斜角等方法。有些器件应减小对光波偏振态的影响，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.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，其不足之处是：需专用焊接装置，需针对不同部件采用不同的工艺以及难以拆卸。对光学器件的焊接一般采用激光焊接，即加热源为激光束 4.金属焊固定式
金属焊固定式是又一种较好的封装方式。它和上述焊接固定方式的差别是：需在被焊接的光学元件上先用特种工艺涂敷一层金属薄膜，再用锡焊的方式进行金属的焊接。这种封装方式的优点是：热稳定性好，寿命长。不足之处是工艺较复杂，因而成本较高，需专用设备。
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。以下具体介绍下光纤光栅传感器的封装技术。
二、光纤光栅传感器
2.1概述
光纤光栅传感技术是传感家族中的新成员，它正以传统电传感器无法比拟的独特优势飞速发展，刷新着人们在传感领域的传统观念。
光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。
光纤布拉格光栅的中心波长易受温度、应变、压力等物理量的影响而产生漂移， W. W. Morey等人通过实验得到裸光栅的温度灵敏度、应变灵敏度和压力灵敏度分别为1.1?10?2nm/oC、1.2?10?3nm/??和?3.0?10?3nm/Mpa，比较低，如果要利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。在某些情况下，我们不希望温度（或应变、压力)对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度（或应变、压力)的灵敏度。这两种技术统称敏化技术。
利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。这给我们出了很大的难题。要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。
可见，在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。
2.2光纤光栅封装技术的分类[3]：
每一种封装都是为了实现一种功能，光纤光栅封装技术从功能上大致可以分为三类：1.保护性封装，2.敏化封装，3.补偿性封装。下面对这三类封装分别加以介绍。
2.2.1保护性封装
光纤柔软、纤细、易断，直接应用于工程的恶劣环境(如混凝土的浇铸和振