CN102607761B - 双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法 - Google Patents

Abstract

光纤法-珀压力传感器在高精度测量的过程中，测量环境的温度会对测量精度产生很大的影响。温度自校正式双法-珀光纤压力传感器结构中存在前后两个法-珀腔，前端法-珀腔同时感应压力和温度变化，后端法-珀腔只能感应温度变化，作为温度参考，并且后端法-珀腔的腔长是前端珀腔腔长的1.5~2倍。采用基于白光干涉解调方法，解调出两路干涉信号，通过判定这两路干涉信号的位置来实现压力测量及温度校正。具体的温度校正方法是温度变化时，两个法-珀腔解调信号的位置都会有所漂移，利用后端法-珀腔的解调信号作为参考，实现传感器压力测量以及温度自动校正。并提出了温度自校正双法-珀光纤压力传感器的制作方法及工艺流程。

Description

双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤压力传感器技术领域，该传感器可以用于液体、气体的相对压力和绝对压力检测及其温度校正。

背景技术

光纤法-珀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，随着对光纤法-珀压力传感器研究的不断深入，科研人员提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等(Don C.Abeysinghe，Samhita Dasgupta，Joseph T.Boyd，Howard E.Jackson，A Novel MEMS pressure sensor fabricated on an optical fiber，IEEEPhotonics Technology Letters，2001，139：993-995)在包层直径分别为200μm和400μm，芯径为190μm和360μm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，Miniatureall-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.，Diaphragm designguidelines and an optical pressure sensor based on MEMS technique，Journal ofmicroelectronics，2006，37：50-56)在500μm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)利用单晶硅晶圆片，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；2010年Claude Belleville等(Claude Belleville，Sylvain Bussière，Richard VanNeste，FIBER OPTIC PRES SURE SENSOR FOR CATHETER USE，United States Patent，Patent NO.：7,689,071B2)利用氢氟酸腐蚀玻璃晶圆片，形成圆形浅坑，再在圆形浅坑底部镀50％的反射介质膜，并在浅坑顶部采用阳极键合的方式，真空键合单晶硅晶圆片和玻璃晶圆片，腐蚀浅坑底部的反射介质膜和单晶硅晶圆片构成法布里-珀罗腔，腐蚀深度即为腔长。

但是，目前所设计光纤法布里-珀罗传感器不能自动进行温度校正，在测量过程中，温度变化时，传感器的组成材料由于热胀冷缩效应，将会导致法-珀腔腔长的变化。在解调过程中，温度引起的腔长的变化，被视为压力所引起的腔长改变，从而导致解调压力值与实际压力值有所偏差。

发明内容

本发明目的是解决现有光纤法布里-珀罗传感器不能自动进行温度校正，从而导致解调压力值与实际压力值有所偏差的问题。提供一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器温度自校正方法和温度自校正压力传感器及其制作方法。

本发明所述的具有温度自校正功能的双法-珀光纤压力传感器及温度自校正方法，对于降低测量偏差，提高测量精度具有非常重要的意义。

本发明传感器可以避免传统光纤法-珀传感器无法进行温度自校正的缺点。

该种双法-珀光纤压力传感器存在前后两个法-珀腔，在测量过程中，前端法-珀腔同时感受压力和温度，后端法-珀腔只感受温度变化，作为温度参考。并且后端法-珀腔的腔长是前端法-珀腔腔长的1.5～2倍，这样可以保证前后两个法珀腔的解调信号不会重叠。最后通过对两路解调信号的分析，降低或消除温度对解调压力值得影响，从而使传感器的测量精度得到很大的提高。

本发明提供的温度自校正式双法-珀光纤压力传感器温度自校正方法，具体内容包括：

第1、在传感器头芯片内设置前后两个法-珀腔结构，后端法-珀腔的腔长是前端法-珀腔腔长的1.5～2倍，这样可以保证前后两个法-珀腔的解调信号不会重叠；

第2、在测量过程中，前端法-珀腔用于同时感受压力和温度变化，后端法-珀腔只用于感受温度变化，作为温度参考；

将前端法-珀腔和后端法-珀腔的距离设置在150μm～500μm之间，可以认为两个法-珀腔是在相同的温度条件下；即在相同的温度影响下，前端法-珀腔和后端法-珀腔两者的腔长均发生了漂移，而前端法-珀腔腔长的变化是温度和压力共同影响的结果，后端法-珀腔腔长的变化只受温度影响；

第3、当压力作用时，前端法-珀腔的腔长改变，通过对前端法-珀腔反射信号的解调，获得前端法-珀腔腔长受温度和压力共同变化影响的漂移量；

第4、通过对后端法-珀腔反射信号的解调，获得后端法-珀腔腔长受温度变化影响的漂移量，将后端法-珀腔腔长的漂移量作为参考量；

第5、将前端法-珀腔腔长的漂移量与后端法-珀腔腔长的漂移量进行比较运算，消除由温度引起的前端法-珀腔腔长的漂移量，得到法-珀光纤压力传感器的温度自校正，实现对压力的准确测量。

根据以上方法，本发明提供了温度自校正式双法-珀光纤压力传感器，该传感器包括传感器头芯片、传感器体和传输光纤，所述的传感器头芯片具有两种不同结构，第一种传感器头芯片的结构为四层结构，包括：

第一层为单晶硅晶圆片1，其作用是作为弹性膜片，感受压力，单晶硅晶圆片下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面；

第二层为第一Pyrex玻璃晶圆片2，在第一Pyrex玻璃晶圆片2的上表面加工第一圆形浅坑10，该第一圆形浅坑10即为前端法-珀腔，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；第一圆形浅坑10底部镀反射率为R₃的第三反射膜15，该反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面；Pyrex玻璃晶圆片2下表面镀反射率为R₂的第二反射膜14，该反射膜14作为后端法-珀腔的第二个反射面；

第三层为环状硅晶圆片18，其作用是支撑起后端法-珀腔，环状硅晶圆片18的厚度即为后端法-珀腔的腔长；

第四层为第二Pyrex玻璃晶圆片3，在第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面镀一层反射率为R₁的第一反射膜13，该反射膜13作为后端法-珀腔的第一个反射面；Pyrex玻璃晶圆片3下表面加工一个浅坑7，用于光纤定位。

第二种传感器头芯片的结构为三层结构，包括：

第一层为单晶硅晶圆片1，其作用是作为弹性膜片，感受压力，单晶硅晶圆片1下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面；

第二层为第一Pyrex玻璃晶圆片2，在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面加工第一圆形浅坑10，第一圆形浅坑10底部镀反射率为R₃的第三反射膜15，该反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面，第一圆形浅坑10即为前端法-珀腔，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；在第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面加工第二圆形浅坑9，第二圆形浅坑9底部镀反射率为R₂的第二反射膜14，该反射膜14作为后端法-珀腔的第二个反射面；

第三层为第二Pyrex玻璃晶圆片3，在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面加工第三圆形浅坑8，第三圆形浅坑8底部镀反射率为R₁的第一反射膜13，该反射膜13作为后端法-珀腔的第一个反射面；利用CO₂激光器在真空环境中熔接第一Pyrex玻璃晶圆片2的下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面，第三圆形浅坑8与第二圆形浅坑9组成后端法珀腔腔体，两者的深度之和即为后端法珀腔的腔长；在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面加工圆形浅坑7，用于光纤定位。

本发明同时提供了上述温度自校正式双法-珀光纤压力传感器的制作方法，第一种传感器的制作方法包括：

第1、第一Pyrex玻璃晶圆片2即传感器头芯片第二层的加工：对传感器头芯片第二层的4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光减薄，使厚度在100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在Pyrex玻璃晶圆片2上表面腐蚀出第一圆形浅坑10阵列，第一圆形浅坑10直径为1800μm～1900μm，第一圆形浅坑10的深度为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距为2500μm；

第2、在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面的第一圆形浅坑10阵列底部镀反射率为R₃＝10％～50％的第三反射膜15，作为前端法-珀腔的第一个反射面；在Pyrex玻璃晶圆片2下表面与第一圆形浅坑10阵列相对应的位置镀反射率为R₂＝10％～50％的直径为1800μm的圆形第二反射膜14阵列，该第二反射膜14为后端法-珀腔的第二个反射面；

第3、单晶硅晶圆片1即传感器头芯片第一层的加工：将厚度为15μm～35μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片1清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片1与第2步得到的Pyrex玻璃晶圆片2上表面。至此，完成了前端法-珀腔的制作：第三反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面，单晶硅晶圆片1下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；

第4、第二Pyrex玻璃晶圆片3即传感器头芯片第四层的加工：对传感器头芯片第四层4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片3双面抛光减薄，厚度100μm～300μm，用H₂S0₄溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀出圆形浅坑7阵列，位置与第一圆形浅坑10阵列相对应，直径为126μm～150μm，圆形浅坑7的深度为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距为2500μm；

第5、在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面与圆形浅坑7阵列相对应的位置镀反射率为10％～50％的直径为1800μm的圆形第一反射膜13阵列；

第6、环状硅晶圆片18即传感器头芯片第三层的加工：将厚度为40μm～100μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片18清洗后，采用KOH或者NaOH溶液，在单晶硅晶圆片18上腐蚀出直径为1800μm～1900μm的圆形通孔19阵列，圆形通孔19阵列位置与在第二反射膜14阵列相对应；

第7、在真空环境中，第二层的第二反射膜14阵列与第三层单晶硅晶圆片18通孔阵列进行位置对中，再采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片18上表面与第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面；

第8、在真空环境中，第四层的第一反射膜13阵列与第三层单晶硅晶圆片18通孔阵列进行位置对中，再采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片18下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面。至此，完成后端法-珀腔的制作，其中第三层单晶硅晶圆片18的厚度40μm～100μm为后端法-珀腔的腔长，第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面反射率为10％～50％的第一反射膜13阵列为第一个反射面，第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面的反射率为10％～50％的第二反射膜14阵列为第二个反射面。如此，构成四层结构的传感器头芯片阵列晶圆片；

第9、使用划片机将4英寸传感器头芯片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；

第10、利用Pyrex玻璃、熔融石英材料或陶瓷制作传感器体4，首先将传感器体4制成外径为2.5mm～4mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中轴钻出直径为127μm的通孔，并在传感器体4的一端钻一个锥度为10°～20°、深度为2mm～3mm的喇叭口；

第11、将光纤5从传感器体喇叭口一端插入，并在传感器体4另一端涂环氧树脂胶，将传感器头芯片第四层的第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面与环氧树脂胶接触，使圆形浅坑7与传感器体4通孔对中，推动光纤5向前进入圆形浅坑7，并与圆形浅坑7的底部顶紧；

第12、在光纤5套上光纤保护套，并在传感器体4尾部喇叭口中涂环氧树脂胶，在电热相中60℃温度下固化1小时，或者在常温下固化24小时，完成法-珀传感器制作。

第二种传感器的制作方法包括：

第1、第一Pyrex玻璃晶圆片2即传感器头芯片第二层的加工：对传感器头芯片第二层的4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光减薄，使厚度在100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在Pyrex玻璃晶圆片2双面同时腐蚀出第一圆形浅坑10阵列和第二圆形浅坑9阵列，第一圆形浅坑10阵列和第二圆形浅坑9位置相对应。第一圆形浅坑10和第二圆形浅坑9直径均为1800μm～1900μm，深度均为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距均为2500μm；

第2、在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面的第一圆形浅坑10阵列底部镀反射率为R₃＝10％～50％的第三反射膜15；在Pyrex玻璃晶圆片2下表面第二圆形浅坑9阵列底部镀反射率为R₂＝10％～50％的第二反射膜14；

第3、单晶硅晶圆片1即传感器头芯片第一层的加工：将厚度为15μm～35μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片1清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片1与第2步得到的Pyrex玻璃晶圆片2上表面。至此，完成了前端法-珀腔的制作，第一圆形浅坑10底部反射率为R₃＝10％～50％的第三射膜15为前端法-珀腔的第一个反射面，单晶硅晶圆片1的下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；

第4、第二Pyrex玻璃晶圆片3即传感器头芯片第三层的加工：对传感器头芯片第四层4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片3双面抛光减薄，厚度100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面腐蚀出第三圆形浅坑8阵列，在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀出圆形浅坑7阵列，第三圆形浅坑8阵列与圆形浅坑7阵列位置相对应，并与第一步制作的第二圆形浅坑9阵列位置对应。第三圆形浅坑8阵列的直径为1800～1900μm，圆形浅坑7阵列的直径为126μm～150μm，圆形浅坑7阵列和第三圆形浅坑8阵列的深度均为20μm～50μm，阵列中相邻浅坑之间的间距均为2500μm，并在第三圆形浅坑阵列8底部镀反射率为R₁＝10％～50％的第一反射膜13；

第5、第一Pyrex玻璃晶圆片2与第二Pyrex玻璃晶圆片3的熔接：在真空环境中，将第一Pyrex玻璃晶圆片2的下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面紧密接触，并且调节位置，使第二圆形浅坑9阵列与第三圆形浅坑8阵列位置对应，调节CO₂激光器输出功率和激光焦点位置，将第二Pyrex玻璃3作为光入射的第一面，通过精密位移平台，控制激光熔接点位于阵列中线处，完成第一Pyrex玻璃2和第二Pyrex玻璃3之间的熔接。至此，后端法-珀腔完成制作：第三圆形浅坑8底部的第一反射膜13为后端法-珀腔的第一个反射面，第二圆形浅坑9底部的第二反射膜14为后端法-珀腔的第二个反射面，法-珀腔腔长为第三圆形浅坑8与第二圆形浅坑9两者深度之和。如此构成了三层结构的传感器芯片阵列晶圆片。

第6、使用划片机将4英寸传感器头芯片阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是正方形的单个传感器头单元；

第7、利用Pyrex玻璃、熔融石英材料或陶瓷制作传感器体4，首先将传感器体4制成外径为2.5mm～4mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中轴钻出直径为127μm的通孔，并在传感器体4的一端钻一个锥度为10°～20°、深度为2mm～3mm的喇叭口；

第8、将光纤5从传感器体喇叭口一端插入，并在传感器体4的另一端涂环氧树脂胶，将传感器头芯片第三层的第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面与环氧树脂胶接触，并使圆形浅坑7与传感器体4通孔对中，推动光纤5向前进入圆形浅坑7，并与圆形浅坑7的底部顶紧；

第9、在光纤5套上光纤保护套，并在传感器体4尾部喇叭口中涂环氧树脂胶，在电热相中60℃温度下固化1小时，或者在常温下固化24小时，完成法-珀传感器的制作。

附图说明

图1是本发明中温度自校正式双法-珀光纤压力传感器结构示意图；

图2是本发明中第一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感头芯片示意图；

图3是本发明中第二种温度自校正式双法-珀光纤压力传感头芯片示意图；

图4是第一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感头芯片的加工工艺流程示意图；

图5是温度自校正式双法-珀光纤压力传感头芯片阵列式批量生产时结构示意图；

图6是基于白光干涉解调的光纤法-珀压力传感解调系统示意图；

图7是基于白光干涉解调的双法-珀腔解调信号模拟结果。

图中，1第一层单晶硅晶圆片，2第一Pyrex玻璃晶圆片，3第二Pyrex玻璃晶圆片，4传感器体(玻璃毛细管)，5光纤，6环氧树脂胶，7浅坑，8第三圆形浅坑，9第二圆形浅坑，10第一圆形浅坑，11后端法-珀腔体，12 CO₂激光焊缝，13第一反射膜，14第二反射膜，15第三反射膜，16第一层单晶硅晶圆片1下表面，17单晶硅晶圆片1与Pyrex玻璃阳极键合面，18单晶硅晶圆片，19圆形通孔，20单晶硅晶圆片18与Pyrex玻璃阳极键合面，21 Pyrex玻璃，22 Cr/Au金属，23光刻胶，24 Ta₂O₅反射膜介质，25单晶硅，27 Pyrex玻璃晶圆片2上表面腐蚀浅坑10，28浅坑10底部镀R₃反射介质膜，29阳极键合单晶硅晶圆片1与Pyrex玻璃晶圆片2，30 Pyrex玻璃晶圆片2下表面镀R₂反射介质膜，31Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀浅坑7，32 Pyrex玻璃晶圆片3上表面镀R₁反射介质膜，33腐蚀出单晶硅晶圆片18通孔，34阳极键合单晶硅晶圆片18与Pyrex玻璃晶圆片2，35阳极键合单晶硅晶圆片18与Pyrex玻璃晶圆片3，36解调系统固有的零级白光干涉条纹，37前端法-珀腔解调干涉条纹，38后端法-珀腔解调干涉条纹，39宽带光源，40 3dB耦合器，41双法-珀腔压力传感器，42匹配液，43解调系统。

具体实施方式

实施例1：第一种温度自校正式双法-珀光纤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芯片，传感器体4和光纤5构成。如图2所示，传感器头芯片由四层结构构成，第一层为单晶硅晶圆片1，第二层为Pyrex玻璃晶圆片2，第三层为单晶硅晶圆片18，第四层为Pyrex玻璃晶圆片3。具体实施过程如图4所示，第一层单晶硅晶圆片1作为弹性膜片，感受压力，第一层单晶硅晶圆片1的下表面16构成前端法-珀腔的第二个反射面；第二层Pyrex玻璃晶圆片2中，采用HF和HNO₃溶液，腐蚀出第一圆形浅坑10阵列。并在第一圆形浅坑10的底部镀Ta₂O₅第三反射膜15。如此，第三反射膜15为前端法-珀腔的第一个反射面，第一圆形浅坑10即为前端法-珀腔体，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；在第二层Pyrex玻璃晶圆片2下表面与上表面第一圆形浅坑10阵列对应的位置处镀Ta₂O₅第二反射膜14阵列，作为后端法-珀腔的第二个反射面；第三层为单晶硅晶圆片18，厚度为60um，采用KOH或NaOH溶液，在单晶硅晶圆片18上腐蚀出一系列圆形通孔19阵列，圆形通孔19阵列的位置与第一圆形浅坑10阵列以及第二反射膜14阵列相对应，圆形通孔19作为后端法珀腔的腔体，单晶硅晶圆片18的厚度即为后端法-珀腔的腔长；第四层为Pyrex玻璃晶圆片3，同样采用HF和HNO₃溶液在其下表面腐蚀出圆形浅坑7阵列，位置与Pyrex玻璃晶圆片2上表面的第一圆形浅坑10阵列对应，作为光纤在传感头芯片上的定位孔，保证光纤位于整个传感头芯片的轴线上；在Pyrex玻璃晶圆片3上表面与其下表面圆形浅坑7对应的位置处镀Ta₂O₅第一反射膜13阵列，作为后端法-珀腔的第一个反射面；在真空环境中，将芯片中四层结构的对应位置对准，保证第一圆形浅坑10，圆形通孔19，圆形浅坑7对中同轴后，采用阳极键合的方式，键合各个层次，构成四层整体结构。

传感器体4采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔。将传感器头芯片的第四层Pyrex玻璃晶圆片3下表面圆形浅坑7与传感器体4通孔对中，光纤5从传感器体4后端喇叭口插入，顶紧到圆形浅坑7的底部。并用环氧树脂胶6将传感器体4与传感头芯片以及光纤5粘接在一起。

在不同的温度环境中，第一层单晶硅晶圆片1发生变形，从而改变第一层单晶硅晶圆片1的下表面16与第二层Pyrex玻璃晶圆片2上表面第一圆形浅坑10底部的第三反射膜15之间的距离，即前端法-珀腔腔长，实现压力信息转化为腔长传感信息。而在前端法-珀腔腔长变化中，也有温度的贡献，Pyrex玻璃晶圆片2受温度热涨冷缩影响，第一圆形浅坑10的深度发生变化，即前端法-珀腔腔长变化。同时后端法-珀腔中单晶硅晶圆片18的厚度受热胀冷缩影响，厚度发生变化，即后端法-珀腔腔长发生变化。所以利用后端法-珀腔腔长的变化量作为参考，利用后端法-珀腔腔长参考量补偿前端法-珀腔腔长变化，就能够减小或者消除温度对前端法-珀腔压力测量的影响。

实施例2：第二种温度自校正式双法-珀光纤压力传感头芯片的具体实施方式

如图3所示，传感器头芯片由三层结构构成，第一层为单晶硅晶圆片1，第二层为Pyrex玻璃晶圆片2，第三层为Pyrex玻璃晶圆片3。第一层单晶硅晶圆片1作为弹性膜片，感受压力，单晶硅晶圆片1下表面16构成前端法-珀腔的第二个反射面；第二层Pyrex玻璃晶圆片2，采用HF和HNO₃溶液，双面腐蚀出第二圆形浅坑9阵列和第一圆形浅坑10阵列，第二圆形浅坑9阵列和第一圆形浅坑10阵列的位置对中，并在第二圆形浅坑9阵列底部镀Ta₂O₅第二反射膜14，在第一圆形浅坑10阵列底部镀Ta₂O₅第三反射膜15，第三反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面，第一圆形浅坑10为前端法-珀腔腔体，第一圆形浅坑10的深度为前端法-珀腔的腔长，第二反射膜14作为后端法-珀腔的第二个反射面；第三层Pyrex玻璃晶圆片3，采用HF和HNO₃溶液，双面腐蚀出第三圆形浅坑8阵列和圆形浅坑7阵列，第三圆形浅坑8阵列和圆形浅坑7阵列的位置对中，并在第三圆形浅坑8阵列底部镀Ta₂O₅第一反射膜13，第一反射膜13作为后端法-珀腔的第一个反射面，第三圆形浅坑8和第二圆形浅坑9共同构成后端法-珀腔的腔体11，第三圆形浅坑8和第二圆形浅坑9的深度之和即为后端法-珀腔的腔长；在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合Pyrex玻璃晶圆片2与单晶硅晶圆片1；在真空环境中，将Pyrex玻璃晶圆片2下表面第二圆形浅坑9阵列与Pyrex玻璃晶圆片3上表面第三圆形浅坑8阵列对中同轴，使用CO₂激光器，将两片玻璃晶圆片熔接在一起。形成传感头芯片的三层整体结构。

压力测量温度自校正的方式与上一种结构相同，前端法珀腔作为压力传感器，后端法-珀腔作为温度参考传感器，后端法珀腔解调信号作为参考信号，利用参考信号补偿前端法珀腔的解调信号，从而降低或消除温度对压力测量的影响，实现温度自校正。

实施例3：采用4英寸晶圆片批量制作第一种结构传感器的具体实施方案

图5所示为第一种传感头芯片批量制作传感器的一部分示意图。在Pyrex玻璃晶圆片2上表面腐蚀第一圆形浅坑10阵列，第一圆形浅坑10的深度为20μm～50μm，直径为1800μm～1900μm，第一圆形浅坑10阵列的间距为2500μm，在第一圆形浅坑底部镀10％～50％反射率的第三反射膜15，在Pyrex玻璃晶圆片2下表面镀10％～50％反射率的第二反射膜14阵列。单晶硅晶圆片18腐蚀圆形通孔19阵列。在Pyrex玻璃晶圆片3上表面镀10％～50％反射率的第一反射膜13阵列，在Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀直径为126μm～150μm，深度为20μm～50μm的圆形浅坑7阵列。使第二反射膜14阵列、圆形通孔19阵列和第一反射膜13阵列在真空环境下对中、同轴，阳极键合第一层单晶硅片1下表面与第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面、第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面与单晶硅晶圆片18上表面以及单晶硅片18下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面。采用划片机，沿阵列横向和竖向划片，切割出单个的传感头芯片单元。采用这种制作方法，可以实现批量生产，节约成本的同时，还可以保证每个传感头芯片的结构参数相同。

实施例4：采用4英寸晶圆片批量制作第二种结构传感器的具体实施方案

在第一Pyrex玻璃晶圆片2上下表面同时分别腐蚀第一圆形浅坑10阵列和第二圆形浅坑9阵列，两种浅坑的直径均为1800μm～1900μm，深度均为20μm～50μm，浅坑阵列的间距为2500μm；在第一圆形浅坑10底部镀10％～50％反射率第三反射率15，第二圆形浅坑9底部镀10％～50％反射率第二反射率14。在第二Pyrex玻璃晶圆片3上下表面同时分别腐蚀第三圆形浅坑8和圆形浅坑7，第三圆形浅坑8的直径为1800μm～1900μm，圆形浅坑7的直径为126μm～150μm，两种浅坑的深度均为20μm～50μm，浅坑阵列间距为为2500μm；在第三浅坑8底部镀10％～50％反射率第一反射率13。在真空环境中，阳极键合第一层单晶硅晶圆片1下表面与第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面。在真空环境中，精密调整使第二圆形浅坑9阵列与第三圆形浅坑8阵列对中后，利用CO₂激光器沿阵列间间隙熔接第一Pyrex玻璃晶圆片2与第二Pyrex玻璃晶圆片3。采用划片机，沿CO₂激光焊缝12中线切割出单个的传感头芯片单元。

实施例5：温度自校正式双法-珀光纤压力传感器的腔长解调

基于白光干涉解调的光纤法-珀压力传感解调系统如图6所示。腔长解调的过程是：宽带光源39(宽带光源是白光LED、氙气灯或者卤素灯)发出的光耦合到光纤5中，并进入一个2×2的3dB耦合器40或者光环形器，从另一端经过光纤5传输到传感器41，2×2的3dB耦合器40的另一个输出端与匹配液42接触。由传感器41反射回光信号再次经过2×2的3dB耦合器40后进入到解调系统43，得到腔长解调信号。如图7所示为基于白光干涉相干解调法的温度自校正式双法-珀腔光纤压力传感器解调信号模拟结果，光源采用为具有高斯光谱的中心波长为580nm，3dB带宽为90nm的白光光源。在模拟解调干涉结果这存在三个白光干涉条纹，从左往右依次为解调系统固有的零级白光干涉条纹36、前端法-珀腔解调干涉条纹37、后端法-珀腔解调干涉条纹38。解调系统固有的零级白光干涉条纹36的中心与前端法-珀腔解调干涉条纹37的中心之间的距离x₁即为前端法-珀腔腔长。解调系统固有的零级白光干涉条纹36的中心与后端法-珀腔解调干涉条纹38的中心之间的距离x₂即为后端法-珀腔腔长。并且后端法-珀腔的腔长是前端法-珀腔腔长的2倍，这样可以保证在传感器前后法-珀腔的解调信号不能重叠。当压力和温度作用时，前后端两个法珀腔的腔长发生变化，则解调系统输出的前端法-珀腔解调干涉条纹37和后端法-珀腔解调干涉条纹38的位置均有变化，变化量分别即为Ax₁和Δx₂，Δx₂作为参考值。通过判断Δx₁和Δx₂的值，即解调出前后端法珀腔的腔长变化值，并利用参考值Δx₂对Δx₁值补偿校正后，可实现温度校正后的压力测量。

Claims (5)

1.一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器温度自校正方法，其特征在于该方法的具体内容包括：

第1、在传感器头芯片内设置前后两个法-珀腔结构，后端法-珀腔的腔长是前端法-珀腔腔长的1.5～2倍，这样可以保证前后两个法-珀腔的解调信号不会重叠；

第2、在测量过程中，前端法-珀腔用于同时感受压力和温度变化，后端法-珀腔只用于感受温度变化，作为温度参考；

将前端法-珀腔和后端法-珀腔的距离设置在150μm～500μm之间，可以认为两个法-珀腔是在相同的温度条件下；即在相同的温度影响下，前端法-珀腔和后端法-珀腔两者的腔长均发生了漂移，而前端法-珀腔腔长的变化是温度和压力共同影响的结果，后端法-珀腔腔长的变化只受温度影响；

第3、当压力作用时，前端法-珀腔的腔长改变，通过对前端法-珀腔反射信号的解调，获得前端法-珀腔腔长受温度和压力共同变化影响的漂移量；

第4、通过对后端法-珀腔反射信号的解调，获得后端法-珀腔腔长受温度变化影响的漂移量，将后端法-珀腔腔长的漂移量作为参考量；

第5、将前端法-珀腔腔长的漂移量与后端法-珀腔腔长的漂移量进行比较运算，消除由温度引起的前端法-珀腔腔长的漂移量，得到法-珀光纤压力传感器的温度自校正，实现对压力的准确测量。

2.一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器，包括传感器头芯片、传感器体和传输光纤，其特征在于所述的传感器头芯片的第一种结构为四层结构，包括：

第一层为单晶硅晶圆片1，其作用是作为弹性膜片，感受压力，单晶硅晶圆片1下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面；

第二层为第一Pyrex玻璃晶圆片2，在第一Pyrex玻璃晶圆片2的上表面加工第一圆形浅坑10，该第一圆形浅坑10即为前端法-珀腔，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；第一圆形浅坑10底部镀反射率为10%～50%的第三反射膜15，该反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面；Pyrex玻璃晶圆片2下表面镀反射率为10%～50%的第二反射膜14，该反射膜14作为后端法-珀腔的第二个反射面；

第三层为环状硅晶圆片18，其作用是支撑起后端法-珀腔，环状硅晶圆片18的厚度即为后端法-珀腔的腔长；

第四层为第二Pyrex玻璃晶圆片3，在第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面镀一层反射率为10%～50%的第一反射膜13，该反射膜13作为后端法-珀腔的第一个反射面；Pyrex玻璃晶圆片3下表面加工浅坑7，用于光纤定位。

3.一种温度自校正式双法-珀光纤压力传感器，包括传感器头芯片、传感器体和传输光纤，其特征在于所述的传感器头芯片的第二种结构为三层结构，包括：

第一层为单晶硅晶圆片1，其作用是作为弹性膜片，感受压力，单晶硅晶圆片1下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面；

第二层为第一Pyrex玻璃晶圆片2，在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面加工第一圆形浅坑10，第一圆形浅坑10底部镀反射率为10%～50%的第三反射膜15，该反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面，第一圆形浅坑10即为前端法-珀腔，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；在第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面加工第二圆形浅坑9，第二圆形浅坑9底部镀反射率为10%～50%的第二反射膜14，该反射膜14作为后端法-珀腔的第二个反射面；

第三层为第二Pyrex玻璃晶圆片3，在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面加工第三圆形浅坑8，第三圆形浅坑8底部镀反射率为10%～50%的第一反射膜13，该反射膜13作为后端法-珀腔的第一个反射面；利用CO₂激光器在真空环境中熔接第一Pyrex玻璃晶圆片2的下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面，第三圆形浅坑8与第二圆形浅坑9组成后端法珀腔腔体，两者的深度之和即为后端法珀腔的腔长；在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面加工圆形浅坑7，用于光纤定位。

4.一种权利要求2所述的温度自校正式双法-珀光纤压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：

第1、第一Pyrex玻璃晶圆片2即传感器头芯片第二层的加工：对传感器头芯片第二层的4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光减薄，使厚度在100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在Pyrex玻璃晶圆片2上表面腐蚀出第一圆形浅坑10阵列，第一圆形浅坑10直径为1800μm～1900μm，第一圆形浅坑10的深度为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距为2500μm；

第2、在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面的第一圆形浅坑10阵列底部镀反射率为10%～50%的第三反射膜15，作为前端法-珀腔的第一个反射面；在Pyrex玻璃晶圆片2下表面与第一圆形浅坑10阵列相对应的位置镀反射率为10%～50%的直径为1800μm的圆形第二反射膜14阵列，该第二反射膜14为后端法-珀腔的第二个反射面；

第3、单晶硅晶圆片1即传感器头芯片第一层的加工：将厚度为15μm～35μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片1清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片1与第2步得到的Pyrex玻璃晶圆片2上表面。至此，完成了前端法-珀腔的制作：第三反射膜15作为前端法-珀腔的第一个反射面，单晶硅晶圆片1下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；

第4、第二Pyrex玻璃晶圆片3即传感器头芯片第四层的加工：对传感器头芯片第四层4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片3双面抛光减薄，厚度100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀出浅坑7阵列，位置与第一圆形浅坑10阵列相对应，直径为126μm～150μm，浅坑7的深度为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距为2500μm；

第5、在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面与浅坑7阵列相对应的位置镀反射率为10%～50%的直径为1800μm的圆形第一反射膜13阵列；

第6、环状硅晶圆片18即传感器头芯片第三层的加工：将厚度为40μm～100μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片18清洗后，采用KOH或者NaOH溶液，在单晶硅晶圆片18上腐蚀出直径为1800μm～1900μm的圆形通孔19阵列，圆形通孔19阵列位置与在第二反射膜14阵列相对应；

第7、在真空环境中，第二层的第二反射膜14阵列与第三层单晶硅晶圆片18通孔阵列进行位置对中，再采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片18上表面与第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面；

第8、在真空环境中，第四层的第一反射膜13阵列与第三层单晶硅晶圆片18通孔阵列进行位置对中，再采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片18下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面。至此，完成后端法-珀腔的制作，其中第三层单晶硅晶圆片18的厚度40μm～100μm为后端法-珀腔的腔长，第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面反射率为10%～50%的第一反射膜13阵列为第一个反射面，第一Pyrex玻璃晶圆片2下表面的反射率为10%～50%的第二反射膜14阵列为第二个反射面。如此，构成四层结构的传感器头芯片阵列晶圆片；

第9、使用划片机将4英寸传感器头芯片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；

第10、利用Pyrex玻璃、熔融石英材料或陶瓷制作传感器体4，首先将传感器体4制成外径为2.5mm～4mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中轴钻出直径为127μm的通孔，并在传感器体4的一端钻一个锥度为10°～20°、深度为2mm～3mm的喇叭口；

第11、将光纤5从传感器体喇叭口一端插入，并在传感器体4的另一端涂环氧树脂胶，将传感器头芯片第四层的第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面与环氧树脂胶接触，并使浅坑7与传感器体4通孔对中，推动光纤5向前进入浅坑7，并与浅坑7的底部顶紧；

第12、在光纤5套上光纤保护套，并在传感器体4尾部喇叭口中涂环氧树脂胶，在电热相中60℃温度下固化1小时，或者在常温下固化24小时，完成法-珀传感器制作。

5.一种权利要求3所述的温度自校正式双法-珀光纤压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：

第1、第一Pyrex玻璃晶圆片2即传感器头芯片第二层的加工：对传感器头芯片第二层的4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光减薄，使厚度在100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在Pyrex玻璃晶圆片2双面同时腐蚀出第一圆形浅坑10阵列和第二圆形浅坑9阵列，第一圆形浅坑10阵列和第二圆形浅坑9位置相对应。第一圆形浅坑10和第二圆形浅坑9直径均为1800μm～1900μm，深度均为20μm～50μm，阵列中相邻两个浅坑之间的间距均为2500μm；

第2、在第一Pyrex玻璃晶圆片2上表面的第一圆形浅坑10阵列底部镀反射率为10%～50%的第三反射膜15；在Pyrex玻璃晶圆片2下表面第二圆形浅坑9阵列底部镀反射率为10%～50%的第二反射膜14；

第3、单晶硅晶圆片1即传感器头芯片第一层的加工：将厚度为15μm～35μm的双面抛光的4英寸单晶硅晶圆片1清洗后，在真空环境中，采用阳极键合的方式，键合单晶硅晶圆片1与第2步得到的Pyrex玻璃晶圆片2上表面。至此，完成了前端法-珀腔的制作，第一圆形浅坑10底部反射率为10%～50%的第三射膜15为前端法-珀腔的第一个反射面，单晶硅晶圆片1的下表面16作为前端法-珀腔的第二个反射面，第一圆形浅坑10的深度即为前端法-珀腔的腔长；

第4、第二Pyrex玻璃晶圆片3即传感器头芯片第三层的加工：对传感器头芯片第四层4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片3双面抛光减薄，厚度100μm～300μm，用H₂SO₄溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片3上表面腐蚀出第三圆形浅坑8阵列，在第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面腐蚀出圆形浅坑7阵列，第三圆形浅坑8阵列与圆形浅坑7阵列位置相对应，并与第一步制作的第二圆形浅坑9阵列位置对应。第三圆形浅坑8阵列的直径为1800～1900μm，圆形浅坑7阵列的直径为126μm～150μm，圆形浅坑7阵列和第三圆形浅坑8阵列的深度均为20μm～50μm，阵列中相邻浅坑之间的间距均为2500μm，并在第三圆形浅坑阵列8底部镀反射率为10%～50%的第一反射膜13；

第5、第一Pyrex玻璃晶圆片2与第二Pyrex玻璃晶圆片3的熔接：在真空环境中，将第一Pyrex玻璃晶圆片2的下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片3的上表面紧密接触，并且调节位置，使第二圆形浅坑9阵列与第三圆形浅坑8阵列位置对应，调节CO₂激光器输出功率和激光焦点位置，将第二Pyrex玻璃3作为光入射的第一面，通过精密位移平台，控制激光熔接点位于阵列中线处，完成第一Pyrex玻璃2和第二Pyrex玻璃3之间的熔接。至此，后端法-珀腔完成制作：第三圆形浅坑8底部的第一反射膜13为后端法-珀腔的第一个反射面，第二圆形浅坑9底部的第二反射膜14为后端法-珀腔的第二个反射面，法-珀腔腔长为第三圆形浅坑8与第二圆形浅坑9两者深度之和。如此构成了三层结构的传感器芯片阵列晶圆片。

第6、使用划片机将4英寸传感器头芯片阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是正方形的单个传感器头单元；

第7、利用Pyrex玻璃、熔融石英材料或陶瓷制作传感器体4，首先将传感器体4制成外径为2.5mm～4mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中轴钻出直径为127μm的通孔，并在传感器体4的一端钻一个锥度为10°～20°、深度为2mm～3mm的喇叭口；

第8、将光纤5从传感器体喇叭口一端插入，并在传感器体4的另一端涂环氧树脂胶，将传感器头芯片第三层的第二Pyrex玻璃晶圆片3下表面与环氧树脂胶接触，使圆形浅坑7与传感器体4通孔对中，推动光纤5向前进入圆形浅坑7，并与圆形浅坑7的底部顶紧；

第9、在光纤5套上光纤保护套，并在传感器体4尾部喇叭口中涂环氧树脂胶，在电热相中60℃温度下固化1小时，或者在常温下固化24小时，完成法-珀传感器的制作。

Images