CN100588928C - 法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 - Google Patents
法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种法布里-珀罗型光纤压力传感器，由单晶硅片、玻璃圆管、光纤法兰盘和光纤插头构成，其特征是：单晶硅片与玻璃圆管的一个端口通过阳极键合工艺结合；玻璃圆管另一端的侧壁与光纤法兰盘的凹槽粘结。光纤插头连接到光纤法兰盘上，光纤插头上的陶瓷插针与单晶硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。同时还公开了制作该传感器的方法，主要步骤为：将切割后的玻璃管与硅片放在键合炉上使其键合；在玻璃管的外壁涂上环氧树脂后将其粘接到光纤法兰盘的凹槽内；将光纤插头旋接于光纤法兰盘；光纤插头上的陶瓷插针与单晶硅片上的下表面形成法布里-珀罗腔。本发明制作简便，精度高，灵敏度高，可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种法布里-珀罗型光纤压力传感器，特别是涉及一种采用可调谐激光器进行信号访问，利用反射谱的波长变化完成信号解调的法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法。
背景技术
现有法布里-珀罗型光纤传感器主要是用来测量应变，如非本征型法布里-珀罗干涉仪。它是由置于石英毛细管中的两段切割好的光纤端面和中间的空气隙组成谐振腔而成。这类传感器只能测量物体的应变而不能测量压力。图1是其基本结构。
近来出现了测量直接压力的法布里-珀罗型光纤传感器。图2是它的一种典型结构。一片薄硅覆盖在腐蚀有浅圆柱形腔的玻璃上，硅与玻璃之间的空气腔即为法布里-珀罗腔(FP腔)。然后光纤黏结到玻璃上形成传感器。压力使硅片发生形变从而改变了FP腔腔长，也就改变了反射光的信号，将光信号经光电二极管转换成电信号，通过测量电压就可以测出压力。然而这种设计也存在着如下缺点：首先，该系统采用光强度解调法，而光源的波动对腔长的求解存在着很大影响；其次，玻璃与硅片也能作为独立的FP腔形成干涉信号，而这些信号携带了无用的信息，干扰了空气腔所形成的有用的干涉信号，给信号解调带来困难；第三，空气腔尺寸很小，一般只有几微米，硅片的挠度也很小，然而在应用中振动引起硅片的挠度与压力引起的挠度可比拟，这也使解调十分困难，而且传感器的重复性也无从谈起；最后，光纤被要求对准空腔，而设计中没有专门的对准结构，且无法保证光纤与玻璃保持垂直。
发明内容
本发明即是基于这一现状进行的，目的在于解决上述问题，提供一种精度及灵敏度良好，抗电磁干扰，可组成分布测量网络的法布里-珀罗型光纤压力传感器。同时，提供该传感器的制作方法。
本发明法布里-珀罗型光纤压力传感器，由单晶硅片、玻璃圆管、光纤法兰盘和光纤插头构成，其特征是：单晶硅片与玻璃圆管的一个端口通过阳极键合工艺结合；玻璃圆管另一端的侧壁与光纤法兰盘的凹槽粘结。光纤插头连接到光纤法兰盘上，光纤插头上的陶瓷插针与单晶硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。
光通过光纤耦合进法布里-珀罗腔中，并在法布里-珀罗腔中来回反射，形成多光束干涉。压力造成单晶硅片产生形变从而改变了法布里-珀罗腔的腔长，而不同的腔长对应着不同的反射光谱，通过对反射光谱的傅里叶变换提取它的相位信息可反求出腔长，继而求出单晶硅片所受到的压力。
本发明法布里-珀罗型光纤压力传感器的制作方法，其加工工艺步骤如下：
(a)将清洗过的<100>晶向的单晶硅片双面热氧化一层1微米的二氧化硅后，双面再淀积一层0.3微米的氮化硅；
(b)硅片顶面用厚光刻胶作保护层，光刻后用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉未保护的氮化硅，接着再用BOE腐蚀液即氢氟酸、氟化氨和水的溶液，按3∶6∶10配比，将暴露的二氧化硅去除；用丙酮去除光刻胶；
(c)将硅片放在KOH腐蚀溶液中使其减薄到180微米厚，硅片的厚度用千分尺监测，并记录在腐蚀液中的腐蚀速度以及腐蚀时间；
(d)运用步骤(b)的方法依次刻蚀底面的氮化硅和二氧化硅，在硅的底面开一个窗口；
(e)用反应离子刻蚀工艺在硅的底面刻蚀出对准槽；
(f)分别用反应离子刻蚀工艺和BOE溶液去除氮化硅和二氧化硅；
(g)将玻璃管切割成小环，然后将切割后的玻璃管的端面进行抛光；
(h)将切割后的玻璃管与硅片放在键合炉上，其中硅片接正电压，玻璃接负电压；当硅片和玻璃管紧密结合在一起时表明键合成功；
(i)将硅片的顶面用金刚砂打磨粗糙；
(j)在玻璃管的外壁涂上环氧树脂后将其粘接到光纤法兰盘的凹槽内；
(k)将光纤插头旋接于光纤法兰盘；光纤插头上的陶瓷插针与单晶硅片上的下表面形成法布里-珀罗腔。
最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。
从上述的传感器加工步骤可看出，光纤的陶瓷插针端面和单晶硅片的下表面形成了FP腔，光经过光纤直接进入FP腔，避免了其他介质对光路的影响；对硅的上表面进行打磨；硅的下表面与陶瓷插针端面之间的距离也即FP腔的腔长控制在270微米左右，振动引起腔长的变化可忽略不计；光纤法兰盘本身就用来对准光纤的，本设计可保证光能垂直进入FP腔，且与现有的光通讯设备相兼容。因此，借助本发明可以实现制作简便，精度高，灵敏度高，可靠性好的光纤压力传感器。
附图说明
图1是非本征型法布里-珀罗干涉仪的示意图；
图2是现有光纤压力传感器的典型结构示意图；
图3是光纤法兰盘的示意图；
图4是本发明法布里-珀罗型光纤压力传感器结构示意图；
图5是传感器加工制作的主要工艺流程图；
图6是传感器应用时采用的解调系统；其中：5-为法布里-珀罗型光纤压力传感器，6-为匹配液，7-为2×2耦合器；
图7是膜厚为180um，腔长为318.2um的传感器实验结果；
图8是膜厚为180um，腔长为417.6um的传感器实验结果；
图9是膜厚为150um，腔长为176.9um的传感器实验结果；
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
通过湿法腐蚀方法将<100>的硅减薄到180微米厚。将玻璃管切割成3.2毫米长，之后将玻璃管的两端面抛光。将玻璃管叠放到硅片上然后放到键合炉上，键合炉加热到300℃。硅片接正极，玻璃管接负极，缓慢加电压至800V。待电流为零时取出玻璃管与硅片，这时二者已成为一体。将键合后的玻璃管置于FOCI型光纤法兰盘的凹槽内，侧壁用环氧树脂粘接固定24小时。把FC-PC型光纤插头旋接于光纤法兰盘(1)，光纤插头上的陶瓷插针(2)与单晶硅片(4)上的下表面形成法布里-珀罗腔，最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。如图5所示搭接光路。压力由活塞式标准压力计提供。压力由0开始逐渐加至3MPa，其中间隔为0.1MPa。实验结果如图6所示。从结果中可以看出，传感器的初始腔长为318.2um，其重复性良好，也有着较好的线性。
实施例2：
通过湿法腐蚀方法将<100>的硅减薄到180微米厚。将玻璃管切割成3.2毫米长，之后将玻璃管的两端面抛光。将玻璃管叠放到硅片上然后放到键合炉上，键合炉加热到300℃。硅片接正极，玻璃管接负极，缓慢加电压至800V。待电流为零时取出玻璃管与硅片，这时二者已成为一体。将键合后的玻璃管置于FOCI型光纤法兰盘的凹槽内，侧壁用环氧树脂粘接固定24小时。把FC-PC型光纤插头旋接于光纤法兰盘(1)，光纤插头上的陶瓷插针(2)与单晶硅片(4)上的下表面形成法布里-珀罗腔，最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。如图5所示搭接光路。压力由活塞式标准压力计提供。压力由0开始逐渐加至3MPa，其中间隔为0.1MPa。实验结果如图7所示。从结果中可以看出，传感器的初始腔长为417.6um。它也有着不错的重复性，然而线性并不太好，但可通过数据拟合来修正。
实施例3：
通过湿法腐蚀方法将<100>的硅减薄到150微米厚。将玻璃管切割成3.2毫米长，之后将玻璃管的两端面抛光。将玻璃管叠放到硅片上然后放到键合炉上，键合炉加热到300℃。硅片接正极，玻璃管接负极，缓慢加电压至800V。待电流为零时取出玻璃管与硅片，这时二者已成为一体。将键合后的玻璃管置于FOCI型光纤法兰盘的凹槽内，侧壁用环氧树脂粘接固定24小时。把FC-PC型光纤插头旋接于光纤法兰盘(1)，光纤插头上的陶瓷插针(2)与单晶硅片(4)上的下表面形成法布里-珀罗腔，最后将法兰盘安装到封装套管基座上，即完成了传感器的制作。如图5所示搭接光路。压力由活塞式标准压力计提供。压力由0开始逐渐加至2MPa，其中间隔为0.1MPa。实验结果如图8所示。从结果中可以看出，传感器的初始腔长为176.9um。在这种膜厚及腔长的情况下，传感器的重复性和线性似乎要差一些。
Claims (1)
1、一种制作法布里-珀罗型光纤压力传感器的方法，其加工工艺步骤如下：
(a)将清洗过的<100>晶向的单晶硅片双面热氧化一层1微米的二氧化硅后，双面再淀积一层0.3微米的氮化硅；
(b)单晶硅片顶面用厚光刻胶作保护层，光刻后用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉未保护的氮化硅，接着再用BOE腐蚀液即氢氟酸、氟化氨和水的溶液，按3∶6∶10配比，将暴露的二氧化硅去除；用丙酮去除光刻胶；
(c)将单晶硅片放在KOH腐蚀溶液中使其减薄到180微米厚；
(d)运用步骤(b)的方法依次刻蚀底面的氮化硅和二氧化硅，在单晶硅片的底面开一个窗口；
(e)用反应离子刻蚀工艺在单晶硅片的底面刻蚀出对准槽；
(f)分别用反应离子刻蚀工艺和BOE腐蚀液去除氮化硅和二氧化硅；
(g)将玻璃圆管切割成小环，然后将切割后的玻璃圆管的端面进行抛光；
(h)将切割后的玻璃圆管与单晶硅片放在键合炉上，其中单晶硅片接正电压，玻璃圆管接负电压；当单晶硅片和玻璃圆管紧密结合在一起时表明键合成功；
(i)将单晶硅片的顶面用金刚砂打磨粗糙；
(j)在玻璃圆管的外壁涂上环氧树脂后将其粘接到光纤法兰盘的凹槽内；
(k)将光纤插头旋接于光纤法兰盘；光纤插头上的陶瓷插针与单晶硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。
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