專利名稱：光電傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及EMC測量(噪聲測量)中典型的測量現(xiàn)場內的電場強度所使用的光電傳感器。
背景技術：
光波導馬赫-齊德干涉儀已被用來作為電場傳感器，它將光波導分支后把與晶軸平行的電場加到分支后的一方或雙方的光波導上使波導光的位相發(fā)生變化、然后再合成，由于所加的電場使合成后的光強度發(fā)生變化，所以，可以通過測量光強度來測量加到與電極部連接的天線上的電場強度。馬赫-齊德干涉儀的出射光強度與加給電極的電場的關系為三角函數(shù)波曲線。


圖1(a)是先有的光電傳感器的一個例子。如圖所示，光電傳感器是通過在LiNbO3基板上利用Ti擴散制成光波導式分支干涉儀，在分支后的2條光波導中的1條光波導內設置電極構成光調制器，將該光調制器裝入并固定到塑料等容器1內，將光調制器的電極與天線2連接，并且，將偏振狀態(tài)穩(wěn)定的光纖3與光調制器的光輸入一側連接，將單模光纖4與光輸出一側連接而構成。自然或強制產(chǎn)生的電場通過天線傳送到上述電極上，使光波導進行位相調制。然后，合成后的光由于發(fā)生強度調制而具有可以獲得與電場對應的光強度的特征。
圖2是先有的光波導馬赫-齊德干涉儀，在圖1(a)的光調制器中使用。如圖2所示，光波導馬赫-齊德干涉儀具有將光波導12，12分支后通過調制電極22，22將與晶軸平行的電場加到分支后的一方或雙方的光波導12，12上，使波導的位相發(fā)生變化然后再合成的形狀。由于所加的電場使合成后的光強度發(fā)生變化，所以，可以作為電場傳感器使用，通過測量光強度來測量通過加到調制電極22，22上的微小電壓而加到天線2上的電場強度。
圖3是圖2所示的馬赫-齊德干涉儀的光調制特性圖。如圖3所示，通過馬赫-齊德干涉儀進行強度調制后的光的輸出強度(相時強度)相對于外加電壓按三角函數(shù)波(正弦波)曲線變化。因此，當外加電壓為0V時，如果預先將光強度調整(光學偏置調整)到位于該三角函數(shù)波的直線變化部分(極大值和極小值的中點)，則作為電場傳感器其光強度相對于外加電場的變化量呈正比關系，從而可以用光強度測量外加電場。也就是說，作為電場傳感器使用時需要這種特性。
但是，在先有的光電傳感器中，電極間隔非常窄，約為數(shù)μm，若有堿離子等雜質混入該電極間，當電壓加到電極間時便作為累積電壓而保留，從而相對于外加電壓的光調制度將發(fā)生變化。這種變化在低頻時比高頻時更容易發(fā)生(對直流電壓影響最大的直流漂移)。這樣，光電傳感器的測量精度將降低。另外，當這種光電傳感器發(fā)生溫度變化時，由于在晶體內部將產(chǎn)生載流子，并發(fā)生移動，從而在電極附近不均勻地累積電荷，從而產(chǎn)生內部電場，結果是，出射光將變得不穩(wěn)定(溫度漂移)。溫度變化越急劇，這種特性變化越顯著，如果溫度變化非常緩慢，這種變化就很小。下面，利用圖1(b)和圖1(c)簡單地說明溫度漂移。在圖1(b)中，光電傳感器置于周圍溫度高于室溫的30℃的條件下。這時，入射到偏振狀態(tài)穩(wěn)定光纖3(圖1(a))上的光通過先有的光電傳感器從單模光纖4輸出的正常的光的波形為A，橫軸表示外加電場，縱軸表示光強度，這里，當加到天線上的外加電場為0(V)時，光強度調節(jié)到位于極大值和極小值的中點。進行正常的工作時，具有與圖1(b)所示的同樣的波形。當受溫度漂移影響時，如圖1(c)所示的那樣，從單模光纖4出射的光的波形成為B。在波形B中，當加到天線上的外加電場為0(V)時，光強度在位相上從入射光的波形A偏移π／4。該偏移為溫度漂移，使光電傳感器的溫度特性變壞，從而使靈敏度不穩(wěn)定。
作為該溫度特性的改善對策，有間接的補償方法在先有的光電傳感器使用的光調制器中，向光學晶體施加由佩爾蒂元件等產(chǎn)生的物理應力使其產(chǎn)生與漂移量相等、極性相反的畸變，或者向調制電場追加與畸變相反的電場等。另外，采用在基板表面上形成導電性膜從而將晶體內的電荷抵消的結構，可以防止這種特性變化，這也是大家熟知的。
但是，實質上成為溫度特性變壞的原因是向光調制器的熱傳導，具有抑制該熱傳導的結構的光電傳感器以往還沒有。另外，如上所述，為了監(jiān)視光調制器的輸出，測量溫度漂移量并施加抵消該漂移的畸變，需要有使這些機構工作的裝置，并且也要求精度高。并且，如上所述，對于一般的光調制器，雖然利用半導體膜Si等的導電性膜可以抑制這種特性變化，但是，由于必須采用濺射或真空鍍膜等方法，所以，制造工序的時間必然延長。
另一方面。通常制作上述那樣的馬赫-齊德干涉儀時，相對于上述外加電壓的光調制特性隨作為基板的LiNbO3特性及元件的制作條件等而不同。具體說來，雖然可以獲得半波長電壓及損耗等特性的再現(xiàn)性，但是，卻很難使外加電壓0V時的光強度與作為電場傳感器所需要的極大值和極小值的中點一致。因此，一般采用對制作之后的波導施加應變進行調整的方法(光學偏置調整)。
另外，電場傳感器采用由金屬制的天線接收電場、在光調制器的電極部分發(fā)生外加電壓的形狀。這時，當傳感器周圍存在天線以外的金屬時，將會干擾電場傳感器周圍發(fā)生的電場。因此，為了除去天線以外的金屬部分，其外殼也可以用非金屬制造。通常，使用塑料等樹脂。這樣制作的電場傳感器，根據(jù)其特性，由于是測量數(shù)mV／m量級的電場強度，所以，容易受其周圍發(fā)生的電場影響。另外，在塑料等樹脂制的外殼等上產(chǎn)生的靜電場也會達到能使光學偏置發(fā)生變化的程度。由于這種外殼的靜電場與濕度等的變化關系很大，所以，難于獲得總是恒定的光學偏置的元件。但是，為了補償靜電場引起的光學偏置的移動，以往重點放在進行裝配之后的光學偏置的調節(jié)。
因此，本發(fā)明的目的之一旨在消除裝配后的外殼材料產(chǎn)生的靜電場，同時提高光波導元件的保溫性能來消除由馬赫-齊德干涉儀的溫度漂移引起的光學偏置的變化。
另外，本發(fā)明的第2個目的旨在提供一種利用抑制光電傳感器外部的熱變動向光學晶體的熱傳導的結構，不需要精度要求高的裝置而可以提高溫度特性的光電傳感器。
本發(fā)明的第3個目的旨在提供一種利用廉價并且簡單的工序形成導電性膜的光電傳感器。
本發(fā)明的第4個目的旨在提供一種通過在容易混入雜質的電極間涂敷具有穩(wěn)定的特性的物質隔斷與外界的干涉從而可以很容易地防止污染及雜質混入的光電傳感器。
進而，本發(fā)明的第5個目的是要提供一種具有消除裝配后的外殼材料的靜電場從而不會干擾測量電場的結構的光電傳感器。
這里，在本發(fā)明中，具有上述絕熱性的材料最好至少是從陶瓷材料和玻璃材料中選擇的一種，也可以使用含有石英等的玻璃材料代替陶瓷材料。另外，不論哪種情況，外殼表面的一部分或全部(包括內表面)最好加工成梨皮(磨砂)狀。
另外，在本發(fā)明中，使用對以往使用的塑料等樹脂表面進行了防帶電處理的塑料材料，通過使該表面具有與半導體相同的電導率可以防止其帶電。該塑料材料最好是含氯乙烯的材料。
還有，在本發(fā)明中，上述電場最好是通過連接的天線加到上述光學晶體上的。
進而，在本發(fā)明中，上述外殼最好是用發(fā)泡苯乙烯樹脂等具有絕熱效果的材料包圍固定。
另外，在本發(fā)明的光電傳感器中，上述光學部件最好是在具有電光效應的光學晶體基板上形成的光波導附近至少設置1對調制電極，并且具有將自然或強制發(fā)生的電場導向上述1對調制電極的結構。
按照本發(fā)明，可以得到一種在具有電光效應的光學晶體基板上形成的光波導附近至少設置1對調制電極并利用將自然或強制發(fā)生的電場導向上述1對調制電極而產(chǎn)生的光強度、位相和偏振方向中的至少一種的變化來測量電場強度的光電傳感器，其特征在于，施行在上述整個光學晶體基板上涂敷導電性樹脂和在上述調制電極間涂敷硅樹脂中的至少一種處理。
即，在本發(fā)明中，采用通過使用導電性樹脂膜作為導電性膜并將該導電性膜涂敷到整個晶體基板上使由于溫度變化而產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電荷移動從而將其消除的結構。使用的導電性膜必須具有對漂移無影響的阻值及材質。另外，在本發(fā)明中，使用硅樹脂。這種物質不僅與外界的隔絕性好，而且具有速干性和容易涂敷的優(yōu)點。并且，由于不存在多余的不穩(wěn)定離子，所以，因其本身不會成為引起電壓變化的雜質、是具有長期可靠性的物質而受到注目。在本發(fā)明中，上述光學晶體基板的周圍最好使用具有絕熱效果的材料包圍固定。即，在本發(fā)明中，通過將光調制器裝配并固定到使用熱傳異率低的材料、包含有氣泡的材料、或兩者兼?zhèn)涞牟牧系染哂薪^熱效果的材料制造的容器內，或者使用具有絕熱效果的材料將裝配并固定了光調制器的容器覆蓋起來，從而抑制從光調制器外部進行的熱傳導。
圖2(d)是圖2(a)的光電傳感器的輸出光的時間與光強度的關系圖，圖3是圖2的光電傳感器隨外加電壓的光調制特性圖，圖4是將外殼的上半部去掉后示出的本發(fā)明實施例2的光電傳感器的結構的視斜圖，圖5(a)是本發(fā)明實施例3的光電傳感器圖，圖5(b)和圖5(c)是用于說明溫度對圖5(a)的光電傳感器的光強度與電場的關系影響的圖，圖6(a)是本發(fā)明實施例4的光電傳感器圖，圖6(b)是圖6(a)的光電傳感器沿A-A′的剖面圖，圖7是圖6的光電傳感器的外加電壓與輸出光的關系圖，圖8(a)是本發(fā)明實施例5的光電傳感器的平面圖，圖8(b)是圖8(a)的光電傳感器沿B-B′的剖面圖，圖9是圖8(a)和圖8(b)的光電傳感器的外加電壓與輸出光的關系圖，圖10是本發(fā)明實施例6的光電傳感器圖。
即，光電傳感器通過在LiNbO3基板上利用Ti擴散制作光波導式分支干涉儀，將電極設置到分支后的2條光波導中的1條光波導上，將該光調制器裝配并固定到玻璃容器內，將光調制器的電極與天線2連接。并且將偏振狀態(tài)穩(wěn)定光纖與光調制器的光入射一側連接、將單模光纖與光出射一側連接而構成。
即使將這樣構成的實施例1的光電傳感器置于高于室溫的30℃環(huán)境下，光調制特性也不發(fā)生變化。
為了證實本發(fā)明的效果，在將電極短路的狀態(tài)下用丙烯?；＞d將制成的各器件包起來，通過在室溫下放置1天對外殼加上靜電場后，測量各個光電傳感器的光調制特性，已確認先有型的光電傳感器發(fā)生了光學偏置變化，但是，本發(fā)明的光電傳感器則未見發(fā)生變化。另外，關于外部溫度變化，在使用丙烯?；盗兴芰现频耐鈿さ南扔械墓怆妭鞲衅髦邪l(fā)生光學偏置變化的狀態(tài)下(室溫+10℃)，在使用本發(fā)明的石英外殼的光電傳感器中光學偏置也不發(fā)生變化。
另外，作為本發(fā)明的光電傳感器，對于對石英外殼施行了梨皮狀加工后的光電傳感器，和上述一樣進行比較時，可以獲得比上述情況更好的結果。另外，作為外殼使用陶瓷時，也可以獲得與使用石英時相同的結果。
上述本發(fā)明實施例2的光電傳感器，通過使用玻璃(石英)或陶瓷作為外殼，可以獲得組裝之后的光調制特性不變、對于室溫的溫度變化光學偏置也不發(fā)生變化的穩(wěn)定的特性。即，本發(fā)明實施例2的光電傳感器，由于器件的保溫狀態(tài)穩(wěn)定，所以，只要在室溫下使用(主要在電波暗室內使用的EMC測量是在室溫環(huán)境下進行的)就可以不考慮溫度漂移的影響，從而可以提供去掉針對溫度漂移的加工工序的生產(chǎn)效率高的光電傳感器。
在本發(fā)明的實施例2中，通過使用這樣的方法，可以消除外殼材質產(chǎn)生的靜電場，另外，可以減小外部溫度的變化對外殼內部的溫度變化的影響。
在本發(fā)明實施例3的光電傳感器中，如圖5(b)所示，當入射到偏振狀態(tài)穩(wěn)定光纖3內的光經(jīng)過該光電傳感器從單模光纖4射出的光的正常波形為C而進行0點調整時，在加給天線的外加電場為0V時將光強度調節(jié)到位于極大值與極小值的中點，和先有例是一樣的，但是，如圖5(c)所示，從單模光纖4射出的光的波形D與波形C重合，不受溫度漂移影響，這一點是不同的。即，在波形D中，加給天線的外加電場為0V時，光強度為0，與正常的出射光波形C沒有變化。因此，利用發(fā)泡苯乙烯5抑制光電傳感器的溫度漂移(參見圖1(c))，可以獲得溫度特性好并且穩(wěn)定的靈敏度。
根據(jù)上述結果，本發(fā)明實施例3使用了具有絕熱效果的光電傳感器，可以抑制周圍的溫度變化引起的溫度漂移的影響，從而可以提高溫度特性、保持傳感器靈敏度的穩(wěn)定。另外，在本發(fā)明的實施例3中，可以減小光電傳感器的周圍溫度變化引起的對光調制器的光學晶體的影響，從而可以提供溫度特性好的光電傳感器。在本發(fā)明的實施例3中，不僅可以提高以往成為問題的光電傳感器的溫度特性，而且成本較低、不必增加生產(chǎn)工序時間，從而可以提供生產(chǎn)效率高的光傳感器。
在這樣制作的光電傳感器的光調制器部分涂敷本發(fā)明的導電性涂料形成導電性樹脂膜14(工序時間約為5秒／個)，并在恒溫槽內確認出射光強度相對于溫度變化如何變化。在-10℃～60℃的溫度范圍內，逐次變化10℃進行了試驗。為了進行比較對照，對于未進行導電性涂層等加工的光電傳感器也進行了同樣的試驗。試驗的數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7的SG曲線25將光強度作為電壓偏移來處理，并用半波長電壓Vπ進行規(guī)格化。
未使用導電性涂料的光電傳感器，光強度不穩(wěn)定，在25℃附近也發(fā)生強弱的變化。另外，還確認了相對于溫度變化大于半波長電壓的偏移量。與此相反，使用了本發(fā)明的光電傳感器，可以確認在25℃附近光強度不變化，在-10℃～60℃的溫度環(huán)境下，光學偏量的偏移量小于±0．3％(用半波長電壓規(guī)格化)。
根據(jù)上述結果，可以確認按照本發(fā)明的實施例4，對于提高光電傳感器的溫度特性是有效的。另外，根據(jù)實施例4還可以確認本發(fā)明與先有的方法相比，以非常低的成本和很容易的工序便可達到要求，所以，對提高生產(chǎn)效率作用很大。因此，在本發(fā)明的實施例4中，已判明可以提供利用低成本和簡單的工序形成導電性膜的光電傳感器。
測量之后，為了制造一種惡劣的環(huán)境，進行100小時的用普通自來水加濕的60℃及60％的恒溫恒濕試驗后，進行同樣的直流偏移測量時，涂敷了硅樹脂的樣品直至產(chǎn)生初始直流偏移為止的時間沒有變化，而未涂硅樹脂的樣品的時間則縮短了10倍以上。另外，在本發(fā)明的實施例5中，容易混入雜質的電極間具有穩(wěn)定的特性，即不存在多余的離子，可靠性高，通過涂敷物質可以切斷與外界的干涉，從而可以提供可以很容易防止污染及混入雜質的光電傳感器。并且，現(xiàn)已確認，若利用本發(fā)明實施例5的光電傳感器，則可提供不僅生產(chǎn)工序非常容易，而且可以抑制直流漂移量的變化的穩(wěn)定的光電傳感器。另外，在本發(fā)明的實施例5中，只要能避免涂敷硅樹脂時混入雜質，就可以提供具有長期的穩(wěn)定特性的光電傳感器。并且，不需要特定的設備，作業(yè)非常容易，幾乎不會增加工序時間。
這時，使用本發(fā)明實施例6的經(jīng)過防帶電處理的氯乙烯板和比較用的未經(jīng)任何處理的氯乙烯板分別組裝成外殼后進行帶電測量。首先，將相同強度的電場加到上述2種外殼上，經(jīng)過一定時間后分別測量它們的帶電量，比較它們的數(shù)值。結果，加電場30秒后，在本發(fā)明實施例6的經(jīng)過防帶電處理的外殼上幾乎未發(fā)現(xiàn)帶電量，相反，在未經(jīng)任何處理的比較例的外殼上，則測量到了與外加電場強度的大約二分之一相當?shù)膸щ娏俊?br> 根據(jù)上述結果，使用本發(fā)明實施例6的外殼的光電傳感器，由于沒有因外殼帶電而對周圍電場的干擾影響，所以，可以只對要測量的電場進行光調制。進而，在本發(fā)明的實施例6中，可以提供消除組裝后外殼材料產(chǎn)生的靜電場、具有不會干擾測量電場的結構的光電傳感器。另外，在本發(fā)明的實施例6中，通過使用經(jīng)過防帶電處理的塑料材料，可以消除外殼材質發(fā)生的靜電場，從而可以提供能測量未受干擾影響的電場的光電傳感器。在本發(fā)明的實施例6中，可以減小光電傳感器的周圍溫度變化對光調制器的的光學晶軸的影響，從而可以提供溫度特性好的光電傳感器。在本發(fā)明的實施例6中，不僅可以提高以往成為問題的光電傳感器的溫度特性，而且可以提供成本較低、不增加生產(chǎn)工序時間、生產(chǎn)效率高的光電傳感器。
如上所述，在本發(fā)明的實施例1-6中，利用可以抑制光電傳感器外部的熱變化向光學晶體的熱傳遞的結構，便可提供不需要要求精度高的裝置而可以提高溫度特性的光電傳感器。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性如上所述，本發(fā)明的光電傳感器可以應用于EMC測量(噪聲測量)中典型的測量現(xiàn)場內的電場強度的情況。
權利要求
1．一種光電傳感器，由含光學晶體的光學部件構成，利用光通過電場時的強度、相位和偏振方向三者中的至少一種的變化測定自然或強制產(chǎn)生的電場的強度，其特征在于，所述光學部件配置在表面經(jīng)過防止靜電處理的塑料制成外殼中。
2．如權利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，所述外殼表面的主要部分加工成梨皮狀。
3．如權利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，所述塑料材料包括氯乙烯。
4．如權利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，所述電場通過與所述光學晶體連接的天線施加到上述光學晶體上。
5．如權利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，所述外殼還用絕熱材料固定包圍起來。
6．如權利要求5所述的光電傳感器，其特征在于，所述絕熱材料由發(fā)泡苯乙烯樹脂組成。
7．如權利要求1所述的光電傳感器，其特征在于，所述光學部件具有這樣的結構在具有光電效應的光學晶體基板上形成有光波導，光波導附近配置有至少一對調制電極，自然或強制產(chǎn)生的電場即引到此一對調制電極上。
全文摘要
是由包含光學晶體的光學部件2—4和11—13構成的,利用通過電場的光的強度、位相和偏振方向中的至少一種的變化來測量該自然或強制發(fā)生的電場的強度的光電傳感器,其特征是上述光學部件裝配并密封到使用由石英等玻璃材料、陶瓷材料和由對表面進行過防帶電處理的氯乙烯等構成的塑料材料中的至少一種材料制造的外殼7內。另外,若將外殼7的表面的主要部分加工成梨皮狀,則效果更好。另一方面,使用具有絕熱效果的材料將具有電光效應的光學晶體包圍固定。另外,在光學晶體基板的整個表面上涂敷導電性樹脂,在調制電極間涂敷硅樹脂。
文檔編號G01R29/08GK1289929SQ0012418
公開日2001年4月4日 申請日期2000年8月15日 優(yōu)先權日1993年7月7日
發(fā)明者戶葉祐一, 田邊高信 申請人:株式會社東金