CN102384809A - 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

无胶封装的高稳定性光纤法布里-珀罗压力传感器及制作方法。传感器包括传感器头、中间带有通孔的传感器体和光纤，传感器头采用四层结构（第一单晶硅片、第一Pyrex玻璃片、第二单晶硅片和第二Pyrex玻璃片）。第一单晶硅片后表面构成法布里-珀罗腔的第一个反射面，第二单晶硅片用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第二Pyrex玻璃片与传感器体熔接。光纤采用CO2激光器固定在传感器体中，从而实现无胶封装。当外界压力变化致使第一层单晶硅片变形时，将改变光纤法珀腔的长度，当接入宽带光源后，通过对传感器的反射光谱采集或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。本结构可有效消除温度、湿度等环境变化的影响，大大提升测量精度。

Description

无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
【技术领域】：
本发明涉及光纤压力传感器技术领域，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于声波，超声波信号等的探测。
【背景技术】：
光纤法布里-珀罗压力传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，而使得法珀腔长发生变化，从而实现传感。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等(Don C.Abeysinghe，SamhitaDasgupta，Joseph T.Boyd，Howard E.Jackson，A Novel MEMS pressure sensor fabricatedon an optical fiber，IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(9)：993-995)在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年Juncheng Xu等(Juncheng Xu，Xingwei Wang，Kristie L.Cooper，Anbo Wang，Miniature all-silica fiber optic pressure and acoustic sensors，Optics Letters，2005，30(24)：3269-3271)利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤端面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-珀罗压力传感器；2006年Xiaodong Wang等(Xiaodong Wang，Baoqing Li，Onofrio L.Russo，et.al.，Diaphragmdesign guidel ines and an optical pressure sensor based on MEMS technique，Journal ofmicroelectronics，2006，37：50-56)在500微米厚的Pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-珀罗腔；2006年王鸣等(王鸣，陈绪兴，葛益娴等，法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法，专利申请号：200610096596.5)利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-珀罗腔。目前大部分膜片光纤法布里-珀罗传感器的封装为有胶封装，这对传感器的温度和湿度特性不利，2005年Juncheng Xu等的方案实现无胶封装，但限制了膜片只能是石英材料，无法使用机械力学性能更好的单晶硅片，此外也不适合实现批量制作。
【发明内容】：
本发明目的是克服现有技术中存在的上述一系列问题，提供一种新型结构的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。
本发明是在对传统的光纤法布里-珀罗传感器存在问题的分析与研究的基础上提出的，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器有胶封装的缺点，即传感准确度受环境温湿度影响大的缺陷，同时又可使用机械性能好的单晶硅片，可得到更高的测量精度，降低使用环境温度、湿度限制，提高传感器可靠性和使用寿命。
本发明提供的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器包括：
传感器头：
传感器头为四层结构，第一层为第一单晶硅片，用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第二层为第一Pyrex玻璃片，形状为环形，中间加工有通孔，第一Pyrex玻璃片的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第三层为第二单晶硅片，用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第四层为第二Pyrex玻璃片，第二Pyrex玻璃片的中间加工有通孔，用于对光纤的定位；
传感器体：
用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个轴向通孔，制作材料是Pyrex玻璃或其他玻璃材料，该传感器体的前端面与传感器头中的第二Pyrex玻璃片的后端面熔接在一起；
传输光纤：该传输光纤由传感器体中间的轴向通孔内穿过，传输光纤的前端置于第二Pyrex玻璃片中间的通孔内，传输光纤的前端面与第二单晶硅片的后表面紧密贴合，用来传输入射光和出射光；传输光纤种类包括单模光纤和多模光纤。
本发明同时提供了一种上述无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，具体包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃作为传感器头的第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片；
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第1步加工的第一片Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、对第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光，厚度300μm～450μm，然后在4英寸Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径127～135μm，阵列中各个孔中心与第1步中第一片4英寸Pyrex晶圆片中的通孔阵列保持一致，该层玻璃用作传感器头的第四层；
第4、将厚度为50μm～400μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第3步加工的第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上，作为第三层的单晶硅片；
第5、将已经键合好的传感器头第三层和第四层组成的硅玻璃片组件清洗，将已经键合好的传感器头第一层和第二层组成的硅玻璃片组件清洗，然后将第三层的单晶硅片未键合的一面与第二层的Pyrex玻璃的未键合面接触，同时第二层的Pyrex玻璃通孔阵列与第四层的Pyrex玻璃通孔阵列进行位置对中，然后加电压进行真空阳极键合，构成四层结构的传感器头阵列晶圆片；
第6、采用Nd:YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理；
第7、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是圆形或正方形的单个传感器头单元；
利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头第四层Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的第四层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起；
第8、将传输光纤从传感器体通孔的另一端插入，该光纤端面与传感器头第三层的单晶硅片紧密接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套，并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器。
本发明还提供了另一种无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的简化制作方法，包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃用作传感器头第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片。
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后采用阳极键合的方式键合在第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、采用Nd:YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理。
第4、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成单个传感器头单元。利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的Pyrex玻璃层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起。
第5、将传输光纤从传感器体通孔另一端插入，该光纤端面与传感器头的硅片不接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套，并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。
采用四层结构传感器头的光纤法布里-珀罗压力传感器的工作过程如下：
当压力作用时，传感器头第一层硅片发生变形，从而改变了与传感器头中第三层硅片的距离，即法布里-珀罗腔的腔长。当接入宽带光源后，通过对光纤法布里-珀罗压力传感器的反射光谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。
本发明的优点和积极效果：
1.提出的光纤法布里-珀罗传感器采用四层结构，关键部分的连接采用阳极键合和CO2激光熔接，不使用胶，同时容易实现密闭真空腔，有效消除温度、湿度变化对传感的影响，大大提升了传感准确度。
2.提出的光纤法布里-珀罗传感器和制作方法采用4英寸晶圆片，便于批量制作传感器，有效提高生产效率和保证传感器的一致性，降低单支传感器成本。
【附图说明】：
图1是本发明中第一种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；
图2是本发明中第二种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；
图3是光纤法布里-珀罗压力传感器的光谱解调系统示意图；
图4是四层结构的光纤法布里-珀罗压力传感器的反射光谱；
图5是光纤法布里-珀罗压力传感器的传感器压力响应曲线。
图中，1第一单晶硅片，2第一Pyrex玻璃片，3第一Pyrex玻璃片中心通孔，4第二单晶硅片，5第二pyrex玻璃片，6第二pyrex玻璃片中心通孔，7传感器体，8传感器体中心轴向通孔，9传输光纤，10传感器体前表面，11第二Pyrex玻璃片后表面，12第二单晶硅片的后表面，13第二单晶硅片的前表面，14第一单晶硅片的后表面，15第一Pyrex玻璃片后表面，16宽带光源，17环行器，18传感器，19光谱仪。
【具体实施方式】：
实施例1：第一种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式
如图1所示，该光纤法布里-珀罗压力传感器由传感器头，传感器体7和传输光纤9构成。传感器头由四层结构构成，第一层为第一单晶硅片1，第二层为第一Pyrex玻璃片2，第三层为第二单晶硅片4，第四层为第二Pyrex玻璃片5。第一单晶硅片1用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面14同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第一Pyrex玻璃片2为环形，中间加工有通孔3，第一Pyrex玻璃片2的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第二单晶硅片4的前表面13用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第二Pyrex玻璃片5中间加工有通孔6，用于对光纤的定位。第一单晶硅片1的阳极键合在第一Pyrex玻璃片2上，同时第二单晶硅片4阳极键合在第二Pyrex玻璃片5上，然后将第一Pyrex玻璃片2的后表面15与第二单晶硅片4的前表面13紧密贴合，并保证通孔3和通孔6对中，进行阳极键合或真空阳极键合，构成四层整体结构。
采用Nd:YAG激光加工系统对传感器头的第一单晶硅片1的外表面进行毛化处理。第一单晶硅片1的厚度和第一Pyrex玻璃片2的通孔3的直径决定了压力灵敏度。传感器体7采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔8。将传感器头的第二Pyrex玻璃片5的后表面11与传感器体7的前表面10贴合，采用CO2激光将传感器头的第二Pyrex玻璃片5与传感器体7熔接在一起，传输光纤9从通孔8中插入，传输光纤9的前端面与第二单晶硅片4的后表面12紧密贴合，并采用CO2激光将传输光纤9固定在与传感器体7的通孔8中，用于信号光的输入输出。
当压力作用在第一单晶硅片1时，第一单晶硅片1发生变形，从而改变第一单晶硅片1的后表面14与第二单晶硅片4的前表面13之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。实现压力信息转化为腔长传感信息。
本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中
1.传感器头中的单晶硅片和Pyrex玻璃片采用4英寸晶圆片制作，根据需要，可以采用其他规格如3英寸、6英寸等规格的晶圆片；
2.传感器体可采用熔融石英材料；
3.光纤的选择包括单模光纤，多模光纤，或其它大芯径光纤。
实施例2：第二种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式
如图2所示，该光纤法布里-珀罗压力传感器由传感器头，传感器体7和传输光纤9构成。传感器头由两层结构构成，第一层为单晶硅片1，第二层为Pyrex玻璃片2。单晶硅片1用作弹性膜片，感受压力，单晶硅片的内表面14同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；Pyrex玻璃片2加工有通孔3，其厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度。单晶硅片1阳极键合在Pyrex玻璃片2上，采用Nd:YAG激光加工系统对传感器头的单晶硅片1的外表面进行毛化处理。单晶硅片1的厚度和Pyrex玻璃片2的通孔3的直径决定了压力灵敏度。传感器体7采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔8。将传感器头的Pyrex玻璃片2的后表面15与传感器体7的前表面10贴合，采用CO2激光熔接在一起，传输光纤9从通孔8中插入，传输光纤9的前端面与单晶硅片1的内表面14构成法布里-珀罗腔的两个反射面。利用光谱仪观察法布里-珀罗腔干涉图形(如图4所示)，通过干涉图形波长信息可以计算出腔长，通过移动传输光纤9，使腔长到达测量环境要求。此时，采用CO2激光将传输光纤9固定在传感器体7的通孔8中，用于信号光的输入输出。当压力作用在单晶硅片1时，单晶硅片1发生变形，从而改变单晶硅片1的内表面14与传输光纤9的前端面之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。实现压力信息转化为腔长传感信息。
本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中
1.传感器头中的单晶硅片和Pyrex玻璃片采用4英寸晶圆片制作，根据需要，可以采用其他规格如3英寸、6英寸等规格的晶圆片；
2.传感器体可采用熔融石英材料；
3.光纤的选择包括单模光纤，多模光纤，或其它大芯径光纤。
实施例3：光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长解调
光纤法布里-珀罗压力传感器的传感系统如图3所示，腔长解调宽带光源16发出的光通过环行器17进入传感器18，经过传感器的法布里-珀罗腔之后，再经环行器17进入光谱仪19。通过光谱仪19扫描得到传感器返回的光谱，通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长信息，法布里-珀罗腔长与其干涉光谱之间的关系式为：
Figure BDA0000082086030000071
其中，d表示法布里-珀罗腔长λ1，λ2分别表示光谱包络的两个峰值位置。法布里-珀罗腔长进而可转化为压力信息，法布里-珀罗腔长与压力的关系式为：
Figure BDA0000082086030000081
Δd为法布里-珀罗腔长变化量，P表示压力，E为第一单晶硅片1的杨氏模量，ν为第一单晶硅片1的泊松比，B为第一Pyrex玻璃片中心通孔3的直径，C为第一单晶硅片1的厚度。
图4是实施例1中给出的第一单晶硅片1厚为20μm、第二单晶硅片4厚度400μm和采用单模光纤构成的光纤法布里-珀罗压力传感器经过光谱仪测取的光谱。图5是该传感器在100kPa到240kPa的压力响应曲线。

Claims (2)

1.一种无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于该传感器包括：
传感器头：
传感器头为四层结构，第一层为第一单晶硅片，用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第二层为第一Pyrex玻璃片，形状为环形，中间加工有通孔，第一Pyrex玻璃片的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第三层为第二单晶硅片，用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第四层为第二Pyrex玻璃片，第二Pyrex玻璃片的中间加工有通孔，用于对光纤的定位；
传感器体：
用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个轴向通孔，制作材料是Pyrex玻璃或K9玻璃材料，该传感器体的前端面与传感器头中的第二Pyrex玻璃片的后端面熔接在一起；
传输光纤：该传输光纤由传感器体中间的轴向通孔内穿过，传输光纤的前端置于第二Pyrex玻璃片中间的通孔内，传输光纤的前端面与第二单晶硅片的后表面紧密贴合，用来传输入射光和出射光；传输光纤种类包括单模光纤和多模光纤。
2.一种权利要求1所述的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃作为传感器头的第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片；
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第1步加工的第一片Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、对第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光，厚度300μm～450μm，然后在4英寸Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径127～135μm，阵列中各个孔中心与第1步中第一片4英寸Pyrex晶圆片中的通孔阵列保持一致，该层玻璃用作传感器头的第四层；
第4、将厚度为50μm～400μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第3步加工的第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上，作为第三层的单晶硅片；
第5、将已经键合好的传感器头第三层和第四层组成的硅玻璃片组件清洗，将已经键合好的传感器头第一层和第二层组成的硅玻璃片组件清洗，然后将第三层的单晶硅片未键合的一面与第二层的Pyrex玻璃的未键合面接触，同时第二层的Pyrex玻璃通孔阵列与第四层的Pyrex玻璃通孔阵列进行位置对中，然后加电压进行真空阳极键合，构成四层结构的传感器头阵列晶圆片；
第6、采用Nd:YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理；
第7、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是圆形或正方形的单个传感器头单元；
利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头第四层Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的第四层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起；
第8、将传输光纤从传感器体通孔的另一端插入，该光纤端面与传感器头第三层的单晶硅片紧密接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套，并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器。
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Assignee: NANJING XINTIANWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO., LTD.

Assignor: Tianjin University

Contract record no.: 2015320000247

Denomination of invention: High-stability optical fiber Fabry-Perot pressure sensor packaged without glue and manufacturing method

Granted publication date: 20130508

License type: Common License

Record date: 20150416

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