CN103134636B - 光纤谐振子真空传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光纤本征谐振子传感器，直接在光纤端面上加工微悬梁谐振子，属于光纤传感器技术领域，特征为：本发明包括激光光源、探测器、光纤定向耦合器、匹配液和传感探头。本发明实现了光纤本征结构一体化，全光测量，单一光源同时实现谐振子的激励和谐振信号的检出以及在线分布式多点监测。本发明在光纤端面和微悬梁构成法布里-珀罗光学谐振腔，该F-P腔的反射光信号被谐振腔调制，然后沿光纤光路返回，再由光纤耦合器输出端的光电探测器PD进行接受。本发明同时考虑到微悬梁的品质因数，来实现对狭小空间的真空度的测量。

Description

光纤谐振子真空传感器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种用于测量狭小空间真空度的光纤本征谐振子传感器。

背景技术

真空传感器通常应用于半导体器件封装时的真空度测量。对于狭小空间的真空度测量是目前真空测量技术的关键应用之一，现有可以满足的方法多为微机械探头方法，微机械探头制作的真空传感器具有体积小、重量轻、成本低、可批量制作和单片集成等许多优点，但微机械探头方法需要电信号激励和输出，不便于实现分布式多点监测，且不能适用于易燃易爆的环境测试，因此设计一种全光传输的光纤真空传感器具有迫切的技术需求。

目前，关于光纤在真空度检测方面的文献报道很少，有文献报道了一种反射式光纤传感器的气体真空度测量装置(参考文献：隋成华，丰明坤.一种用于真空度测量的光纤传感器.半导体光电，2003年，第5期：350-353)，其测量原理是利用参考腔室中金属薄膜随系统真空度变化而产生线性形变，采用一对450μm芯径的光学光纤分别做发射与接收光纤，通过测量基于光纤和金属薄膜的相对位移对反射光强信号的调制量，来确定真空度的变化。

光纤传感器的突出特点是体积小、抗电磁干扰、抗腐蚀和全光信号测量，特别是可以将传感头放入恶劣的空间狭小的环境中(如有毒、易燃、易爆、高温高压等场合)，便于遥测遥控，实现在线、多点分布式检测气体真空度大小。这类传感器兼顾谐振传感器和光传感器所具有的技术特点，并具有全光传输、微型化、高灵敏度、易集成和低成本等技术优势，特别适合于狭小空间的高精度传感测量，在物理、化学、生物医学和生命科学等多个研究领域具有广泛的应用前景。

本发明直接在光纤端面上加工光纤微悬梁谐振子，实现光纤本征结构一体化，用于测量狭小空间的真空度，即光纤谐振子真空传感器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种光纤本征谐振子真空传感器。

本发明所采取的传感器技术方案为：

本发明包括激光光源、探测器、光纤定向耦合器、匹配液和传感探头。激光光源与光纤定向耦合器一侧的一个光纤端口光连接，探测器与光纤定向耦合器一侧的另一个光纤端口光连接，光纤定向耦合器另一侧的一个光纤端口与光纤微悬梁谐振子光连接，光纤定向耦合器另一侧的另一个端口通过光纤浸入匹配液。

所述的光纤微悬梁谐振子为基于光纤(标准单模光纤)端面的微悬梁结构，该微悬梁结构位于光纤端面，包括固支端和微悬梁，固支端的一端与光纤固定，另一端与微悬梁固定，所述的固支端垂直于微悬梁，光纤端面和微悬梁构成法布里-珀罗光学谐振腔；所述的微悬梁外侧面上镀有金属敏感膜。

所述的微悬梁外侧面金属敏感膜材料选用Au或Cr。

所述的固支端高度为0.5μm～5μm，长度为20μm～40μm。

所述的微悬梁长度为80μm～100μm，厚度为5μm～10μm。

所述的固支端与微悬梁的宽度相同，为20μm～40μm。

作为另一种可选方案，微悬梁结构可为双端固支，即微悬梁的两端都固定连接有固支端，通过固支端与光纤端面固定，此时的微悬梁整总长度与光纤直径相同。

所述的微悬梁结构为光纤本征一体化结构。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

直接在光纤端面上加工光纤微悬梁谐振子，实现了谐振敏感器件的一体化光集成结构，具有如下的技术优点：第一，器件结构简单，光路与器件合二为一，光耦合自对准增强了谐振器件工作的可靠性；第二，由于谐振敏感器件直接加工在标准单模光纤端面上，因此敏感器件的尺寸与光纤端面相当，可以满足传感器微型化的要求；第三，由于微悬梁与光纤端面形成法布里-珀罗光学谐振腔，因而可以提高微悬梁谐振信号的检测精度；第四，该结构设计可以实现单一光源同时实现谐振子的激励和谐振信号的检出，因此可降低系统成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中第一实施例的光纤微悬梁谐振子立体图；

图3为本发明中第二实施例的光纤微悬梁谐振子立体图；

图4为光纤端面微悬梁谐振敏感器的加工工艺示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，光纤本征谐振子真空度传感器包括激光光源、探测器、光纤定向耦合器、匹配液和传感探头。激光光源与光纤定向耦合器一侧的一个光纤端口光连接，探测器与光纤定向耦合器一侧的另一个光纤端口光连接，光纤定向耦合器另一侧的一个光纤端口与光纤微悬梁谐振子光连接，光纤定向耦合器另一侧的另一个端口通过光纤浸入匹配液。

如图2所示，光纤微悬梁谐振子为基于光纤(标准单模光纤)端面的微悬梁结构，该微悬梁结构位于光纤端面，包括固支端和微悬梁，固支端的一端与光纤固定，另一端与微悬梁固定，所述的固支端分别垂直于光纤端面和微悬梁，光纤端面和微悬梁构成法布里-珀罗光学谐振腔；所述的微悬梁外侧面上镀有金属敏感膜。

如图3所示，作为另一种可选方案，微悬梁结构可为双端固支，即微悬梁的两端都固定连接有固支端，通过固支端与光纤端面固定，此时的微悬梁长度与光纤直径相同。

真空封装能使器件的性能得以更好的发挥，但是器件的性能并非和其封装的真空度成正比。真空度不足，器件腔体内气体将对器件产生阻尼，器件灵敏度不高，性能不好；真空度过高又会发生“振荡”现象，这就要求对器件封装的真空度进行检测和控制。本发明提出的光纤谐振子微悬梁传感器测试器件的真空度时，主要考虑到其微悬梁的品质因数。品质因数是描述微悬梁共振特性的参数(如MEMS微机械陀螺仪在大气环境下的品质因素为20～40，当工作在真空环境下时，其品质因数可达1000～50000)。

微悬梁的品质因数Q定义

Q＝m^*ω₀/r

其中，m^*是微悬梁的有效质量，ω₀是微悬梁的共振频率，r是微悬梁与周围环境的系统阻尼系数。Q的值与阻尼系数的大小成反比。Q的改变反映出响应振幅的变化，振幅定义为

A＝QF/k

F为激励力，k为微悬梁的弹性系数。

本发明的两种可选方案中微悬梁结构为光纤本征一体化结构。

为此，本发明提出了一种新型的光纤微悬梁谐振敏感器件结构方法，该型器件具有单光源激励、光激励效率高、光纤一体化加工、微型化、器件结构简单和抗干扰性能强等优点，可以突破现有硅微机械谐振敏感器件的技术瓶颈，促进该类传感器的实用化开发。

基于光纤微悬梁谐振敏感器件技术，可以开发出微型化、高精度和低成本的全光型谐振敏感探测器，这类敏感探测器特别适合于狭小的测试场合，如半导体工业的狭小空间测量，生物医学的高分辨率生化成分测量或者人体内生物医学微创敏感测量等等，具有重要的学术价值和广泛的应用前景。

本发明提出的新型光纤微悬梁谐振敏感器件基于光纤一体化微机械加工技术，直接将微悬梁制作在标准通信光纤端面上，微悬梁沿光纤端面的径向加工布置，覆盖并对准光纤的纤芯部位，并与光纤端面处于平行位置。然后在光纤微悬梁谐振子的表面沉积生成一层金属膜(如：Au或Cr)，这样光纤微悬梁就形成了双层谐振敏感结构。光纤微悬梁谐振敏感器件在结构上有两种形式，一种为光纤微悬梁谐振器，另一种为两端固支的光纤微桥谐振器。

光纤微悬梁谐振敏感器件工作在全光激励方式，激励方法采用红外LD激光光源，经频率调制的红外LD激光由光纤另一端耦合输入，然后从光纤的器件端输出入射到光纤微悬梁谐振器上，则光纤微悬梁谐振敏感头将由于“双膜热效应”而出现光热激励谐振，如果在光纤微悬梁金属镀膜上再涂覆不同的敏感膜则可以实现对相应物理或生化成分的敏感探测。该器件发明的另一技术特色在于：刚好可利用光纤微悬梁与光纤端面之间构成的法布里-珀罗干涉腔(F-P腔)作为谐振检测器件，该F-P腔的反射光信号被谐振腔调制，然后沿光纤光路返回，再由光纤耦合器输出端的光电探测器PD进行接受。F-P谐振腔是光学中成熟的多光束干涉微位移检测结构，其检测灵敏度可达亚纳米精度，图1所示为光激励光纤端面微悬梁谐振器的检测系统简图和器件结构简图。

由图1不难看出，直接在光纤端面上加工微悬梁谐振子，实现了谐振敏感器件的一体化结构，具有如下的技术优点：第一，简化了器件结构，光路与器件合二为一，不需要之间做光耦合对准和位置调整，增强了谐振器件工作的可靠性；第二，由于谐振器件直接加工在标准通信光纤端面上，因此敏感器件的尺寸与光纤端面相当(标准通信光纤包层直径为125微米)，可以满足传感器微型化的要求；第三，由于光纤端面微悬梁与光纤端面形成F-P多光束干涉谐振腔，因而可以大大提高微悬梁谐振器谐振信号的检测精度；第四，该结构设计可以实现单一激光源同时实现谐振器的激励和谐振信号的检出，因此可以简化系统结构并大大降低系统成本。从以上四点可以看出，发明提出的光纤端面谐振器结构可以克服现有硅微悬梁谐振结构存在的技术困难，如系统复杂、光路集成耦合困难、抗干扰性能差等，可以突破硅微悬梁谐振器件实用化开发的技术瓶颈。

光纤微加工工艺与传统的硅微机械平面加工工艺有所不同，比如：传统的平面掩膜、光刻和腐蚀工艺已不能适应三维的光纤微机械加工要求。本发明采用聚焦等离子束加工方法(FIB：focusedionbeam)，完成器件的工艺加工过程，如图2所示。工艺流程如下：(a)光纤端面抛光及清洁；(b)光纤端面双侧平行于端面方向进行聚焦等离子束磨铣加工，保留沿直径方向的谐振器宽度和适当高度；(c)将光纤沿轴向转过90°角；(d)再进行沿光纤端面平行方向定域聚焦离子束掏蚀加工，形成悬浮的微谐振器F-P腔结构；(e)光纤端面微悬梁的聚焦离子束磨铣减薄至所需的谐振器厚度，形成微桥结构谐振器；(f)如果将微桥谐振器一端的固支部分用聚焦等离子束磨蚀去掉，则形成微悬臂梁谐振器结构。然后，可以对(e)和(f)两种谐振器结构，根据探测需要进行优化设计：通过对谐振器的表面镀金属膜和红外吸收膜，提高F-P腔的光学精细度和光激励效率，从而提高传感器的分辨率；通过在谐振器表面涂覆生物敏感膜，构造生物物质敏感探测器。如图4所示为光纤端面微悬梁谐振敏感器的加工工艺示意图。

Claims (4)

1.一种光纤谐振子真空传感器，其特征在于，所述光纤谐振子真空传感器包括：激光光源、探测器、光纤定向耦合器、匹配液和传感探头，激光光源与光纤定向耦合器一侧的一个光纤端口光连接，探测器与光纤定向耦合器一侧的另一个光纤端口光连接，光纤定向耦合器另一侧的一个光纤端口与微梁谐振子光连接，光纤定向耦合器另一侧的另一个端口通过光纤浸入匹配液；

所述光纤谐振子真空传感器是基于光纤一体化微机械加工技术，直接将微悬梁制作在标准通信光纤端面上，微悬梁沿光纤端面的径向加工布置，覆盖并对准光纤的纤芯部位，并与光纤端面处于平行位置，利用光纤微悬梁与光纤端面之间构成的法布里-珀罗干涉腔作为谐振检测器件；在光纤微悬梁谐振子的表面沉积生成一层金属膜，这样光纤微悬梁就形成了双层谐振敏感结构。

2.根据权利要求1所述的光纤谐振子真空传感器，其特征是：光纤微悬梁谐振子的微悬梁结构位于光纤端面，包括固支端和微悬梁，固支端的一端与光纤固定，另一端与微悬梁固定，所述的固支端垂直于微悬梁，固支端与微悬梁的宽度相同，为20μm～40μm；光纤微悬梁谐振子的固支端高度为0.5μm～5μm，长度为20μm～40μm，微悬梁长度为80μm～100μm，厚度为5μm～10μm。

3.根据权利要求1所述的光纤谐振子真空传感器，其特征是：采用聚焦等离子束加工方法，完成器件的工艺加工过程；光纤微悬梁谐振子的表面镀金属膜和红外吸收膜。

4.根据权利要求1所述的光纤谐振子真空传感器，其特征是：采用聚焦等离子束加工方法，完成器件的工艺加工过程；光纤微悬梁谐振子的表面涂覆生物敏感膜。