CN101034028B - 法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法布里-珀罗型光纤压力传感器，由硅片(1)、玻璃管(2)、光纤法兰盘(3)和光纤插头(4)构成，其特征是：玻璃管的一端与硅片键合，玻璃管固定于光纤法兰盘的凹槽内，光纤插头的陶瓷插针通过白色瓷管(5)固定在玻璃管内，光纤插头的陶瓷插针与硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。同时还公开了该传感器的制作方法。本发明传感器制作简便，精度高，灵敏度高，可靠性好的光纤压力传感器。

Description

法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法

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

以前法布里-珀罗型光纤传感器主要是用来测量应变，现在已经开始利用其成熟测量微小应变方面的高精度用来测量压力、温度等，如图1的结构，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。

图2是它的一种改良结构。作者使用的是一种合金感应膜，光纤通过玻璃上生成的微孔固定，其端面与合金面形成FP腔，该设计有效的减少了由于多反射面带来的干扰信号，但它也有许多不完善的地方：第一，使用合金敏感膜，影响了它的使用范围，而且金属的易疲劳性也严重影响了其正常使用的寿命；第二，工艺难度高，许多的工艺不成熟，其中在玻璃片上生成高深宽比的小孔就很有难度，而且其腔长不易控制；第三，封装结束后，其中密封的空气会使得该传感器受温度影响比较大；最后，和图1类似，光纤被要求对准空腔，而设计中没有专门的对准结构，且无法保证光纤与感应膜保持垂直。

发明内容

本发明即是基于目前这一现状和实际的需要来进行的，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，由硅片1、玻璃管2、光纤法兰盘3和光纤插头4构成，其特征是：玻璃管的一端与硅片键合，玻璃管固定于光纤法兰盘的凹槽内，光纤插头的陶瓷插针通过白色瓷管5固定在玻璃管内，光纤插头的陶瓷插针6与硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。

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；

(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，进行静电键合；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)将白色陶瓷管截取合适长度，插入玻璃环内(注意不可与硅膜接触)，在陶瓷管与玻璃环接触处点上环氧树脂，干透；

(k)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；

(l)将光纤陶瓷插针插入白色瓷管内，使用光传感分析仪控制陶瓷插针端面与硅膜的距离，在陶瓷插针与白色瓷管之间点上环氧树脂固定，干透；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。

从上述的传感器结构及其加工步骤可看出，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是现有光纤压力传感器的典型结构示意图；

图2是现有光纤压力传感器的改进结构示意图；

图3是本发明法布里-珀罗型压力传感器结构剖面示意图；

图4是传感器应用时采用的解调系统；

图5是腔长为330um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：

法布里-珀罗型光纤压力传感器：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键合，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。待电流大约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型光纤插头陶瓷插针通过白色瓷管固定在玻璃环上，在20度时，通过光传感分析仪控制腔长在330微米左右，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。如图8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8所示。从结果中可以看出，其重复性良好，也有着较好的线性。

实际使用时，可以将本发明的法布里-珀罗型光纤压力传感器与发明人发明的法布里-珀罗型光纤温度传感器配合使用，构成法布里-珀罗型光纤压力传感器系统，以消除温度对压力测量的影响。如图4所示，光通过光纤耦合分为两路，其中一路通过耦合器进入温度传感器，并在法布里-珀罗腔中来回反射，形成多光束干涉并通过耦合器把信号传递给传感分析仪，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，通过腔长的变化计算处环境的温度；另一路通过耦合器进入压力传感器，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，并可利用温度传感器传处的温度信号对处于相同环境下的压力传感器给于温度补偿，继而求出单晶硅片所受到的压力。

所用的温度传感器的结构及其制作方法：将玻璃管叠放到硅片上然后键合，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。待电流大约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，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。

Claims (1)

1.一种制作法布里-珀罗型光纤压力传感器的方法，其步骤是：

a、将清洗过的<100>晶向的单晶硅片双面热氧化一层二氧化硅后，双面再淀积一层氮化硅；

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；

d、运用步骤b的方法依次刻蚀底面的氮化硅和二氧化硅，在硅片的底面开一个窗口；

e、用反应离子刻蚀工艺在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、将玻璃管切割成小环并将其端面进行抛光；

h、将步骤g处理后的玻璃管与硅片放在键合炉上，进行静电键合；

i、将硅片的顶面用金刚砂打磨粗糙；

j、将白色陶瓷管截取合适长度，插入经步骤g处理后的玻璃管内，在白色陶瓷管与经步骤g处理后的玻璃管接触处点上环氧树脂，干透；

k、在经步骤g处理后的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；

l、将光纤插头的陶瓷插针插入白色陶瓷管内，使用光传感分析仪控制光纤插头的陶瓷插针端面与硅片的距离，在光纤插头的陶瓷插针与白色陶瓷管之间点上环氧树脂固定，干透；光纤插头的陶瓷插针与硅片的下表面形成法布里-珀罗腔。

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