DE3608599A1

DE3608599A1 - Optischer drucksensor

Info

Publication number: DE3608599A1
Application number: DE19863608599
Authority: DE
Inventors: Masaya Yamatokoriyama Nara Hijikigawa; Takashi Nara Sugihara
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1986-09-18
Also published as: GB2173296B; DE3608599C2; JPS61221629A; GB2173296A; GB8606483D0; JPH0554617B2; US4729240A

Description

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OPTISCHER DRÜCKSENSOR

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, % . und genauer gesagt auf einen optischen Drucksensor, der · einen von außen her ausgeübten Druck dadurch mißt, daß er Jt die Lichtstärkenänderung des durch einen polymeren optischen."**' Leiter hindurchgeleiteten Lichts detektiert.

Das Widerstands-Dehnungsmeßgerät und der Halbleiter-Drucksensor sind als herkömmliche Drucksensoren allgemein bekannt. Diese Sensoren wandeln den detektierten bzw. festgestellten Druck in elektrische Signale um. Wenn sich der Detektor in einer Umgebung in der Nähe eines Kopiergeräts oder einer ähnlichen Quelle mit hohem Potential, in einem Fahrzeug mit extremen TemperaturSchwankungen oder in Wasser befindet, ist es somit möglich, daß die elektromagnetische Atmosphäre ein Rauschen oder andere Störungen in dem Signal veruracht oder daß die Ionenumgebüng Korrosion verursacht. Wenn der Detektor in einer entzündbaren Atmosphäre untergebracht ist, ist es außerdem möglich, daß ein Funke ein Feuer oder eine Explosion verursacht.

In Anbetracht der vorstehenden Probleme wurde ein optisches Druckerfassungssystem als verbessertes Druckdetektionssystem vorgeschlagen, das eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Einflüsse durch die äußere Umgebung aufweist, frei von elektromagnetischen Rauscheinflüssen und frei von der Gefahr einer Explosion oder eines Feuers ist, und das außerdem in der Lage ist, die Signale von einem entfernt angeordneten Sensorelement durch eine optische Faser zu detektieren.

Bei dem optischen Drucksensor gibt es eine Reihe von Typen: einen schalterartigen Sensor, der den Lichtweg in Abhängigkeit vom Druck mechanisch blockiert, einen Sensor, der den

photoelastischen Effekt beim Detektieren der Lichtstärkenveränderung aufgrund einer Druckänderung nutzt, sowie einen Sensor, den den opto-akustischen Effekt beim Detektieren ;" von Vibration nutzt. Wenn der Sensor die Lichtstärke unter Verwendung der Polarisierungsebene des Lichts detektieren soll, sind bei jedem dieser Typen nicht nur eine Erfassungs- bzw. «* Detekt ions substanz, sondern auch ein Polarizer, '*

ein Analyzer, ein polarisierter Strahlungsteiler, eine A-/4 Wellenlängenplatte und eine Stablinse erforderlich, um eine Verbindung zwischen dem Sensorelement und der optischen Faser zu schaffen, und es ist schwierig, diese optischen Komponenten zu einem kompakten Sensor zusammenzubauen. Durch die Notwendigkeit des Fixierens der optischen Komponenten mit der Detektionssubstanz, wird außerdem eine Massenherstellung des Sensorelements schwierig. Zusätzlich dazu ist bei dem vorstehend genannten Fixiervorgang ein beträchtliches Maß an Geschicklichkeit erforderlich. Als Ergebnis hiervon sind für die Herstellung des Sensorelements extrem hohe Kosten erforderlich.

Es gibt einen weiteren Typ eines Sensors, der DruckSchwankungen dadurch mißt, daß er eine Lichtstärkenänderung aufgrund von Interferenz detektiert. Ein Beispiel eines solchen Sensor-Typs ist ein Michelson-Interferometer oder ein Mach-Zehnder-Interferometer, bei dem ein aus LiNbO₃ gebildeter anorganischer Photoleiter als Sensorelement verwendet wird. Durch Verwendung des optischen Leiters ist bei diesem Sensor-Typ die Anzahl der optischen Komponenten reduziert, und das Sensorelement/läßt sich in Massenherstellungsverfahren herstellen. Andererseits besitzt dieser Sensor folgenden Nachteil: Da der Sensor Druck auf der Basis von Interferenz detektiert, muß er monochromatisches Licht als Detektionssignal verwenden. Somit ist es notwendig, eine Einfachbetrieb-Optikfaser für die übertragung der Detektionssignale zu

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verwenden, obwohl eine verlustarme Verbindung zwischen
dem Sensorelement und der Einfachbetrieb-Optikfaser recht
schwierig ist. Ein anderer möglicher Drucksensor beinhaltet ein Sensorelement von hohler Struktur, das aus Glimmer
gebildet ist und mit dem Ende der Einfachbetrieb-Optikfaser verbunden ist, so daß eine aufgrund von DruckSchwankungen
hervorgerufene Änderung des Wand-zu-Wand-Abstands der hohlen Struktur in Form der Lichtstärkenänderung des reflektierten oder des übertragenen Lichts nach dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferenz detektiert wird. Dieser Typ eines Drucksensors besitzt einen Vorteil, der darin besteht, daß er
in Form einer kompakten Konstruktion oder sondenartigen
Konstruktion hergestellt werden kann. Ein Nachteil besteht
jedoch darin, daß das Sensorelement keine Kompatibilität und keine Reproduzierbarkeit bei der Produktion besitzt: es ist schwierig, das hohle Sensorelement mit dem Wand-zu-Wand-Abstand in Wellenlängen-Größenordnung mit guter
Reproduzxerbarkeit herzustellen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung eines optischen Drucksensors, der kostengünstiger
herstellbar ist und in der Lage ist, Druckänderungen mit
hoher Genauigkeit zu messen.

Eine Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die vorliegende Erfindung
einen hochpolymeren optischen Leiter, der aus einem Kern und aus einer Hülle bzw. einem Mantel gebildet ist und als
Sensorelement dient. Wenigstens der Kern oder wenigstens die Hülle ist aus einem organischen polymeren Material gebildet, dessen Brechungskoeffizient sich in Abhängigkeit vom Druck bzw. bei sich änderndem Druck ändert, wodurch der Druck auf der

Basis der Lichtstärken änderung des durch den optischen Leiter hindurchgeleiteten Lichts detektiert wird. Für die Lichtübertragung zu dem Sensorelement und von dem Sensor- ·' element wird eine Vielfachbetrieb-Optikfaser verwendet. Im Vergleich zu einer Einfachbetrieb-Optikfaser besitzt die Vielfachbetrieb-Optikfaser einen großen Durchmesser, wodurch sie an den Kerndurchmesser des polymeren optischen Leiters J angepaßt ist. Dadurch läßt sich die optische Faser in einfacher Weise sowie mit geringem Verlust mit dem Sensorelement verbinden. Außerdem wird das von der Lichtquelle kommende Licht nach Maßgabe eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs in zwei Teile aufgeteilt, was mittels eines Filters geschieht, das an demjenigen Ende des Sensorelements vorgesehen ist, an dem das Licht einfällt bzw. eintritt. Einer der beiden Teile wird von dem Filter reflektiert und wird zu einem Bezugssignal, und der andere Teil kann durch das Filter hindurchtreten, so daß er durch das Sensorelement hindurchgeleitet wird, und dieser Teil des Lichts wird zu einem Detektionssignal, dessen Lichtstärke geändert worden ist. Das Verhältnis von Detektionssignal zu Bezugssignal wird errechnet und von dem Sensor als Ausgangssignal ausgegeben. Der auf das vorstehend erläuterte Prinzip basierende Sensor kann Druck mit guter Genauigkeit detektieren, ohne daß dabei ein Einfluß durch eine Lichtstärkenschwankung der Lichtquelle selbst erfolgt und ohne daß dabei ein Übertragungsverlust aufgrund einer verbogenen optischen Faser oder aufgrund einer anderen Störung auftritt.

Wie vorstehend erläutert wurde, besitzt ein erfindungsgemäßer Drucksensor folgende Vorteile:

(1) Der erfindungsgemäße Drucksensor, der Druck optisch detektiert, besitzt eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Induktion sowie eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Einflüsse durch die äußere Umgebung.

(2) Der erfindungsgemäße Drucksensor, der eine optische Faser als übertragungsmedium verwendet, kann Druck von einer entfernten Stelle aus detektieren.

(3) Als Sensorelement wird ein optischer Leiter verwendet, was für die Herstellung eines dünnschichtigen bzw. kompakten Sensorelernents von Vorteil ist.

(4) Obwohl der Sensor Lxchtstärkenänderungen detektiert,
ist die Anzahl der erforderlichen optischen Komponenten beträchtlich reduziert.

(5) Da der Sensor die Veränderung des Zustands der totalen
Reflektion des übertragenen Lichts detektiert (kritischer Winkel der übertragenen Lichtart), was ansprechend auf eine Druckänderung erfolgt, läßt sich eine sehr feine bzw. feinstufige Detektion erzielen. Die Messung eines geringen Drucks ist besonders genau, da die Lichtstärke des
Detektionssignals im Bereich geringen Drucks sehr hoch ist.

(6) Es läßt sich eine äußerst genaue Detektion erzielen, da es sich bei dem Signalausgang von dem Sensor um die
Differenz zwischen dem Detektionssignal und dem Bezugssignal handelt.

(7) Durch die Verwendung einer Vielfachbetrieb-Optikfaser
als übertragungsmedium ist eine verlustarme Verbindung mit dem Sensorelement verwirklicht.

(8) Da sich das Sensorelement unter Verwendung der existierenden Musterbildungstechniken, wie z.B. der Photolithographie, herstellen läßt, kann es in Massenherstellungsverfahren produziert werden, und es ist kompatibel.

Zusätzlich zu den vorstehend genannten Vorteilen läßt sich der optische Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der unter den Punkten (3) und (4) genannten Vorteile zu niedrigen Kosten herstellen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüchen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Darstellungen eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen * zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Konstruktionsmodells eines Ausführungsbeispiels eines einen hochpolymeren optischen Leiter aufweisenden Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar bevor eine obere Hüllschicht mit einer optischen Faser verbunden ist; und

Fig. 2 eine weitere Ansicht des Konstruktionsmodells des in Fig. 1 gezeigten Drucksensors, nachdem die obere Hüllschicht mit der optischen Faser verbunden ist.

Fig. 1 zeigt ein Konstruktionsmodell eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines einen polymeren optischen Leiter aufweisenden Drucksensorelements, bei dem eine obere Hüllschicht noch nicht mit einer optischen Faser verbunden ist. Fig. zeigt das Konstruktionsmodell des in Fig. 1 gezeigten Sensorelemeents, bei dem die obere Hüllschicht mit der optischen Faser verbunden ist. Das Drucksensorelement umfaßt: einen polymeren optischen Leiter, der aus einem polymeren Substrat als untere Hüllschicht, einer Kernschicht 2, einer über dem polymeren Substrat 1 ausgebildeten seitlichen Hüllschicht 3 beidseits der Kernschicht 2 sowie aus einer über der Kernschicht 2 und der seitlichen Hüllschicht 3 ausgebildeten oberen Hüllschicht 9 gebildet ist; ein Filter 8, das an demjenigen Ende des polymeren optischen Leiters vorgesehen ist, an dem das durch die optische Faser übertragene Licht einfällt; sowie einen reflektierenden Spiegel 4, der an dem polymeren optischen Leiter vorgesehen ist. Die optische Faser 10 wird gleichzeitig mit der Aushärtung der oberen Hüllschicht mit dem Drucksensorelement verbunden. Genauer gesagt wird die optische Faser 10 mittels Fixierblöcken 5 und 6, die für die optische Faser vorgesehen sind und mittels Resists bzw. Abdeckmaterial gebildet sind, in eine für die optische

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Faser vorgesehene Verbindungsnut 7 gesetzt und dort verbunden, während die obere Hüllschicht 9 ausgehärtet wird. Das Herstellungsverfahren und das Detektionsprinzip, wie diese bei dem erfindungsgemäßen Drucksensorelement zur Anwendung kommen, werden im folgenden im Detail beschrieben.

Der polymere optische Leiter wird durch das selektive Photopolymerisat ions verfahr en hergestellt. Eine Acrylharzschicht (Brechungskoeffizient: η = 1,49), wie z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA), wird als Substrat bzw. untere Hüllschicht verwendet. Polycarbonatlösung (PcZ; η = 1,59), die aus Bisphenol Z synthetisiert ist und Methylacrylat-(MA-)Monomer mit einem niedrigen Brechungskoeffizienten (n = 1,48 bei polymerisertem Monomer) sowie ein lichtempfindliches Mittel enthält, wird auf das Acrylharzsubstrat aufgebracht. Danach läßt man Methylenchlorid-Lösungsmittel verdampfer., um eine Basisschicht zu erzielen. Die Basisschicht sollte etwa 150 μπι dick sein,·, um eine Verbindung zwischem der Vielfachbetrieb-Optikfaser und dem optischen Leiter zu ermöglichen. Da das Methylacrylat-Mohomer einen höheren Siedepunkt als ^das Methylendhlorid-Lösungsmittel besitzt, enthält die Basisschicht etwa 20 % Methylacrylat-Monomer. Hier werden organische polymere Schichten als Substratschicht und Basisschicht verwendet. In Anbetracht der Tatsache, daß die Substratschicht und die Basisschicht die Hülle bzw. den Kern bilden, sind verschiedene Kombinationen der polymeren Schichten für die Verwendung möglich, vorausgesetzt, daß das Polymer für die Hüll- bzw. Substratschicht einen niedrigeren Brechungskoeffizienten als das Polymer für die Kern- bzw. Basisschicht aufweist, und daß wenigstens eines der Polymere einen Brechungskoeffizienten aufweist, der sich in Abhängigkeit vom Druck ändert, wie dies bei photoelastischen Substanzen der Fall ist. Solche photoelastische Substanzen sind: Acrylharz, Polycarbonat, Polybutadien, Polystyrol, Diäthylenglykol-Bisallylcarbonat-(CR-39-)Polymer, Diallylphtalatharz, Epoxidharz, Phenolharz und Siliconharz. Die Substratschicht bzw. Hülle kann aus optischem Glas, Quarzglas oder aus einem anderen anorganischen Material gebildet sein, vorausgesetzt, daß der

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Brechungskoeffizient desselben niedriger als der des Materials für das Polymer ist.

Ein Lichtstrahlenbündel hoher Energie, wie z.B. ein UV-Licht- „* strahlenbündel, ein Röntgenstrahlenbündel, ein Elektronen- ** Strahlbündel oder ein Strahlungsbündel, wird auf die Basis- j** schicht gelenkt, und zwar durch eine Photomaske hindurch, die ein Kermuster aufweist (der Kernbereich der Basisschicht muß gegen die Bestrahlung mit dem Strahlenbündel hoher Energie geschützt sein), so daß das in der Basisschicht enthaltene Monomer mit einem niedrigen Brechungskoeffizienten entlang des Musters teilweise polymerisiert wird, so daß dieses für den niedrigen Brechungskoeffizienten in der Basisschicht fixiert ist. Danach läßt man die Basisschicht im Vakuum bei einer Temperatur von ca. 100 ⁰C trocknen, um das restliche Monomer, das nicht reagiert hat, aus demjenigen Basisschichtbereich zu entfernen, der der Bestrahlung mit dem Strahlenbündel hoher Energie nicht ausgesetzt war. Auf diese Weise erhält man ein optisches Leitermuster, das mit dem Muster der Maske exakt identisch ist. Danach wird die Verbindungsnut für die optische Faser in dem auf diese Weise erzielten polymeren optischen Leiter gebildet, und das Filter 8 wird an demjenigen Ende des optischen Leiters bzw. an demjenigen Ende der Kernfläche vorgesehen, mit dem die optische Faser zu verbinden ist; diese Vorgänge erfolgen in der nachstehend beschriebenen Weise. Zuerst wird eine Masken-Resist (d.h. ein Maskenabdeckmaterial zu Maskierungszwecken) auf dem Basispolymer gebildet, und zwar unter Verwendung einer Dickschicht-Resist, -wie z.B. einer Trockenschicht-Resist. Danach wird derjenige Bereich des Basispolymers, der der Verbindungsnut für die optische Faser entspricht, durch einen Trockenätzvorgang unter Verwendung von Sauerstoffplasma geätzt, um dadurch die End-Ebene für die Verbindung mit der optischen Faser zu bilden. Ein Filter aus einer halbdurchlässigen Metallmembran oder aus einer einer mehrlagigen Schicht aus einer dielektrischen Substanz oder aus einer halbdurchlässigen Metallmembranstruktur wird an der End-Ebene durch ein Vakuum-Aufdampfverfahren gebildet, so

daB Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich von der End- * Ebene reflektiert wird und Licht in einem anderen bestimmten ""-Wellenlängenbereich nach dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferenz.«

durch das Filter hindurchtreten kann. **

Danach werden die Fixierblöcke 5 und 6 für die optische Faser an der Verbindungsnut 7 für die optische Faser gebildet, und *γ zwar mittels Photolithographieverfahren, die von Dickschicht-Resists wie z.B. Trockenschicht-Resists Gebrauch machen. Somit werden die eigentlichen Resists für die Fixierblöcke für die optische Faser verwendet. Danach wird eine reflektierende Metallschicht aus Al, Au oder Ag durch Vakuum-Aufdampfung an der andere Endfläche des optischen Leiters gebildet, die der End-Ebene, an der die Verbindung der optischen Faser erfolgt, gegenüberliegt. Schließlich wird dann die optische Faser (und zwar vorzugsweise eine Vielfachbetrieb-Optikfaser aus Quarznaterial (imilti-snode quartz optical fiber) mit einem Durchmesser von pm) mit dem optischen Leiter verbunden, und zwar gleichzeitig mit der Bildung der oberen Hüllschicht 9; dies erfolgt in der nachfolgend beschriebenen Weise. Die optische Faser 10 wird an den Fixierblöcken 5 und 6 fixiert und in der Verbindungsnut für die optische Faser in Position gebracht. Die obere Oberfläche des optischen Leiters wird mit Acrylharz beschichtet. Nachdem das Acrylharz durch Trocknen ausgehärtet ist, sind die Bildung der oberen Hüllschicht und die Verbindung der optischen Faser gleichzeitig erzielt. Bei dem Material für die obere Hüllschicht 9 handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Material wie für die Substratschicht. Der einen polymeren optischen Leiter aufweisende Drucksensor, bei dem das Drucksensorelement mit der optischen Faser verbunden ist, ist nun durch die vorstehend erläuterte Verfahrensweise gebildet.

Der in dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte, einea polymeren optischen Leiter aufweisende Drucksensor detektiert Druckänderungen, wie dies nachfolgend erläutert wird. Wenn keine Druckänderung für das Sensorelement gegeben ist, wird das von der optischen Faser 10 in das Sensorelement

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d.h. in den Kern des polymeren optischen Leiters gelangende Licht durch den Kern hindurchgeleitet, wobei die Bedingung der ~, totalen Reflektion an der Grenzfläche zwischen der ·'*'*· Kernschicht 2 und der Hüllschicht 3 erfüllt wird, und zwar auf- .· grund des Unterschieds bei den Brechungskoeffizienten. Das Licht wird durch die reflektierende Schicht reflektiert, die an dem Ende vorgesehen ist, das dem Lichteinfalls-Ende gegenüberliegt, und das Licht wird zurück und wieder in die optische" Faser hineingeleitet. Wenn eine Druckänderung für das Sensorelement gegeben ist, verändert sich wenigstens einer der Brechungskoeffizienten der Kernschicht 2 und der Hüllschicht 3, da wenigstens der Kern oder aber wenigstens die Hülle aus einem Material gebildet ist, dessen Brechungskoeffizient sich in Abhängigkeit von dem Druck ändert, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Bei dem vorliegenden Beispiel ändert sich der Brechungskoeffizient der Kernschicht 2 (PcZ). Als Ergebnis hiervon unterscheidet sich der kritische Winkel von demjenigen Winkel, der bei nicht vorliegender Druckänderung unter dem Zustand der totalen Reflektion vorhanden ist, wie dies durch die nachfolgenden Gleichungen gezeigt wird:

n₁ SXnO₁ s n₂ sin6₂

n₁ der Brechungskoeffizient des Kerns ist, n₂ der Brechungskoeffizient der Hülle ist, O₁ der Lichteinfallswinkel von dem Kern zu der Hülle ist, und θ2 äer Lichtübertragungswinkel in der Hülle ist.

In diesem Fall ist die Bedinung der totalen Reflektion dann erfüllt, wenn Q₀ 90 ° beträgt, wobei S₁ dem kritischen Winkel (Oth) entspricht, wenn Q₂ 90° beträgt. Somit erhält man folgende Gleichung:

sin eth * ⁿo/ⁿi

•*»0th = sin

in~

Aus dem vorstehend Genannten ergibt sich, daß der kritische Winkel (6th) in Abhängigkeit zu den Brechungskoeffizienten der Kernschicht und der Hüllschicht steht. Wenn sich wenigstens einer^ der Brechungskoeffizienten des Kerns und der Hülle ändert, ändert sich der .*"* kritische Winkel somit dementsprechend, wodurch der Lichtverlust in ♦** dem Kern des optischen Leiters dazu veranlaßt wird, sich '* ' zu ändern. Das Ergebnis hiervon ist eine Veränderung der Stärke bzw:-/ Helligkeit des durch den Kern des optischen Leiters hindurch- 11»! geleiteten Lichts. Somit wird eine Druckänderung **«*

auf der Basis einer Veränderung der Lichtstärke detektiert bzw. festgestellt.

Während der Messung kann eine mögliche Lichtstärkenschwankung bei der eigentlichen Lichtquelle dazu führen, daß dies einen Einfluß auf das Sensordetektionssignal hat. Störungen, wie z.B. eine gebogene optische Faser, können ebenfalls zu einem Licht- ι verlust führen, wodurch das Sensordetektionssignal beeinträchtigt wird. Um diese Einflüsse auf ein Minimum zu reduzieren, ist das Filter an dem Lichteinfallsende des polymeren optischen Leiters bzw. des Sensorelements vorgesehen, so daß das von der Lichtquelle kommende Licht in zwei Teile geteilt wird, und zwar anhand einer vorbestimmten Wellenlänge. Der eine der beiden Teile wird durch das Filter reflektiert und wird zu einem Bezugssignal, und der andere Teil wird durch den polymeren optischen Leiter hindurchgeleitet und wird zu einem Detektionssignal, dessen Stärke sich in Abhängigkeit von dem Druck ändert. Der Signaldetektor bzw. Lichtsensor erhält das übertragene Licht bzw. das Detektionssignal sowie das reflektierte Licht bzw. das Bezugssignal durch ein Filter, das dieselbe Charakteristik wie das Filter in der Lichteinfallsebene des optischen Leiters aufweist. Somit handelt es sich bei dem Sensorausgangssignal um das Verhältnis des Detektionssignals zu dem Bezugssignal. Auf diese Weise läßt sich eine genaue Druckmessung erzielen, da sich das Verhältnis des Detektionssignals zu dem Bezugssignal ausschließlich in Abhängigkeit von dem auf das Sensorelement ausgeübten Druck ändert und für eine Lichtstärkenschwankung der eigentlichen Lichtquelle sowie für externe Störungen nicht empfänglich ist.

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Wie vorstehend im Detail erläutert wurde, schafft der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung folgende äußerst nützliche Vorteile:

(1) Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das Sensorelement '* ** und die optische Signale übertragende Faser aus isolierendem*'«/« Material gebildet und wird die Druckänderung durch ein _¥**r, optisches System ohne Verwendung von elektrischen Einrichtungen bei dem Sensorelement detektiert. Somit schafft der erfindungsgemäße Drucksensor eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen elektromagnetische Induktion sowie eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Einflüsse durch die äußere Umgebung.

(2) Da das erfindungsgemäße Sensorelement aus einem polymeren optischen Leiter gebildet ist, läßt sich ein Sensorelement in Form einer dünnen Schicht bzw. von geringer Größe herstellen. Außerdem ist es möglich, das Sensorelement bei einem auf Berührung ansprechenden Sensor zu verwenden. Zusätzlich dazu schafft das Sensorelement die Möglichkeit für eine dünnere oder noch stärker integrierte Konstruktion.

(3) Obwohl der erfindungsgemäße Sensor Lichtstärkenänderungen detektiert, beinhaltet er keinen Polarizer, keinen Analyzer, keinen polarisierten Strahlungsteiler, keine X/4 Wellenlängenplatte und keine Stablinse, wie sie normalerweise bei einem lichtstärkendetektierenden Sensor oder insbesondere bei einem solchen Sensor erforderlich sind, der die Lichtstärke unter Verwendung der Polarisierungsebene des Lichts detektiert. Somit läßt sich die Anzahl der erforderlichen optischen Komponenten in einem beträchtlichen Ausmaß reduzieren.

(4) Das es sich bei dem Sensorausgang um die Differenz zwischen dem Detektionssignal und dem Bezugssignal handelt,

erfolgt keine Beeinträchtigung des Signalausgangs aufgrund " .

von Lichtstärkenschwankungen bei der Lichtquelle selbst "^:

oder aufgrund von Lichtstärkenschwankungen, die durch _--*

Störungen bei der optischen Faser verursacht Γ"

werden. Somit läßt sich eine äußerst genaue Messung \."

in konstanter Weise erzielen. --,

(5) Da es sich bei der optischen Faser für die Signalübertragung*..' zu dem Sensorelement um eine Faser des Vielfachbetriebs-Typs handelt, ist eine verlustarme Verbindung der optischen
Faser mit dem Sensorelement relativ leicht erzielbar. Außerdem ist das Herstellungsverfahren einfach, da sich die
genannte Verbindung der optischen Faser mit dem Sensorelement gleichzeitig mit der Bildung der oberen Hüllschicht
erzielen läßt.

(6) Da das Sensorelement durch selektive optische Polymerisationstechniken und photolithographische Techniken
hergestellt wird, läßt sich das Sensorelement in Massenherstellungsverfahren herstellen, und es ist außerdem
kompatibel.

(7) Aufgrund der klein dimensionierten bzw. dünnschichtigen
Konstruktion und der Massenherstellbarkeit des Sensorelements sowie durch die Reduzierung der Anzahl der
erforderlichen optischen Komponenten, läßt sich das
erfindungsgemäße Sensorelement zu äußerst niedrigen Kosten
herstellen.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist der einen optischen Leiter
aufweisende Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung
in der Lage, Druckänderungen in einfacher Weise und mit hoher
Genauigkeit unter verschiedenen Bedingungen der äußeren Umgebung zu messen; außerdem sind die Produktionskosten des erfindungsgemäßen Drucksensors äußerst niedrig.

Claims

Optischer Drucksensor Beanspruchte Priorität: 15. März 1985, Japan Nr. 60-52607 (Patentanmeldung) Ansprüche

1. Drucksensor,

dadurch gekennzeichnet,

daß er einen polymeren optischen Leiter umfaßt, der aufweist: ein Substrat (1);

eine auf dem Substrat (1) gebildete erste organische polymere Schicht (2,3) , deren Brechungskoeffizient sich innerhalb eines gemusterten Bereichs (2) von dem Brechungskoeffizienten des Substrats (1) unterscheidet und deren Brechungskoeffizient außerhalb des gemusterten Bereichs-(2) dem Brechungskoffizienten des Substrats (1) um wesentlichen gleich ist; eine der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) überlagerte zweite organische polymere Schicht (9), deren Brechungskoeffizient dem Brechungskoeffizienten des außerhalb des gemusterten Bereichs befindlichen Bereichs (3) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) im wesentlichen gleich ist; und eine optisch reflektierende Schicht (8), die an der Endfläche der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) in

dem gemusterten Bereich (2) vorgesehen ist; und daß sich wenigstens der Brechungskoeffizient der ersten (2, 3) oder wenigstens der Brechungskoeffizient der zweiten (9) organischen polymeren Schicht bei sich änderndem Druck ändert.

2. Drucksensor nach Anspruch 1,

daduch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einer organischen polymeren Schicht, aus optischem Glas oder aus Quarzglas gebildet ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2,

daduch gekennzeichnet, daß der Drucksensor mit einer Verbindungsnut (7) für eine optische Faser (10) versehen ist, die zum Verbinden des Endes der optischen Faser (10) mit demjenigen Ende des gemusterten Bereichs (2) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) dient, an dem die reflektierende Schicht (4) nicht ausgebildet ist.

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4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Filter (8) an demjenigen Ende des gemusterten Bereichs (2) der ersten organischen polymeren Schicht (2, 3) vorgesehen ist, an dem die reflektierende Schicht (4) nicht ausgebildet ist, daß das optische Filter (8) das einfallende Licht in einen Teil, dessen Wellenlänge langer als eine vorbestimmte Wellenlänge ist, und einen Teil, dessen Wellenlänge kürzer als die vorbestimmte Wellenlänge ist, aufteilt, und daß der eine Teil des aufgeteilten Lichts durch das Filter (8) .hindurcfctreten kann und der andere Teil von dem Filter (8) reflektiert wird.