CN103162878B - 一种光纤压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤压力传感器及其制备方法，本发明的技术方案为：所述传感器包括弹性悬膜，光纤，其特征是：所述弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，传感器中光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，反射进入光纤的强度作为探测的敏感量；利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离获得弹性悬膜，并且所述弹性悬膜的边缘仍然保持和衬底固定在一起。本发明的有益效果是，可以将很薄的薄膜(厚度可以小于10微米)转移并固定到传感器上，并且可以精细控制薄膜与光纤端面之间的距离(间距可以小于10微米)，该传感器具有体积小、使用简便以及灵敏度高的特点。

Description

一种光纤压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤压力传感器，可用于检测压力以及振动。
背景技术
对易燃易爆环境下的压力进行实时检测，是保障环境安全的重要措施之一。由于电信号会引发燃烧爆炸，传统的压电传感器不适合在此环境下应用。因此，人们将光纤传感器应用于上述环境下的压力检测[IEEESensorsJournal，vol.8，pp.1184-1193,2008]。
光纤压力传感是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界压力信号，具有体积小、重量轻、电绝缘性强、抗电磁干扰等优点。同时，该传感器可以承受高温、高压以及强烈的冲击与振动等极端条件，可用于易燃易爆、高温和高压等环境中的压力检测。
光纤压力传感器可分为微弯型、消逝波耦合型、Fabry-Perot干涉压力型和光纤光栅型等。其中，Fabry-Perot型压力传感器，是通过压力使薄膜产生弹性形变，导致谐振腔的长度发生改变，从而使得谐振波长移动[J.Micromech.Microeng.，vol.15，pp.521-527,2005]。该传感器具有高的灵敏度和温度稳定性，但是敏感参数是反射光的相位变化(反射光的强度随压力变化呈周期性震荡)，测试分析比较复杂；而且，传感器的灵敏度越高，所需的薄膜就越薄。对于厚度小于几十微米的薄膜，操作时极易破碎。因此研发测试简易、低成本且高灵敏度的光纤压力传感器，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明旨在解决上述的问题，提出“一种光纤压力传感器及其制备方法”，该传感器中光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，从而进入光纤的反射光强度可以作为探测的敏感量，简化了测试方法；同时，利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离从而获得弹性悬膜，而弹性悬膜的边缘仍然和衬底保持固定。因此可以制备以及转移很薄的薄膜(厚度可以小于10微米)，并且可以精细控制薄膜与光纤端面之间的距离(间距可以小于10微米)，所制备的传感器具有体积小、使用简便以及灵敏度高的特点。
发明人对半导体光学反射镜和悬膜制备有着深入研究[IEEEPhotonicsTechnologyLetters，vol.16，pp.245-247,2004]，从而启发了本发明的产生。本发明的工作原理是：在光纤端面附近悬置一个弹性薄膜，光纤出射的光波经悬膜反射后返回光纤中(如图1所示)。由于光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线L的距离(如图2所示)，当弹性悬膜受压变形时，反射光的轨迹与入射光相比会偏离一个角度θ(如图3所示)；同时，角度θ随外部压力的变化而变化，并且反射光耦合回光纤的功率随θ角的增大而降低。因此，通过检测反射光的强度，就可以获知外界的压力和振动状态。本发明可以按以下方式实现：
本发明是在衬底上依次制备牺牲层薄膜和弹性薄膜(如图4)；然后在衬底背面刻蚀一个孔，该孔底部到达牺牲层(即牺牲层起到腐蚀停止层的作用)(如图5)；接着把牺牲层腐蚀除去，从而得到弹性悬膜，周围的衬底仍旧支撑着弹性悬膜(如图6所示)；最后，将带有弹性悬膜的衬底与套筒粘结在一起(如图1所示)，悬膜与光纤端面之间具有空隙，因此悬膜可以在外部压力下发生弹性形变。空隙间距可以通过控制光纤在套筒中的位置来调节。
本发明还可以按另一种方式实现：在衬底背面刻蚀圆孔后(如图5)，利用光刻和刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。光纤端面与弹性悬膜之间的间距，由牺牲层的厚度决定，因此可以方便的获得小于10微米的间隙。
本发明中的弹性薄膜可以通过减薄或生长得到，其厚度可以小于10微米。
本发明中的光纤与悬膜轴心偏移量L可以在0到D的范围内变化(如图2所示悬膜宽度为2D)。
本发明中的衬底和薄膜材料选自有机和无机材料，其中衬底材料优选硅、GaAs和InP，薄膜材料优选Si、SiO2、SiNx、GaAs、InGaP、InGaAsP和InP。
一种光纤压力传感器，包括弹性悬膜，光纤，其特征是：所述弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，传感器中光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，反射进入光纤的强度作为探测的敏感量；利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离获得弹性悬膜，并且所述弹性悬膜的边缘仍然保持和衬底固定在一起。
其中，所述衬底表面具有牺牲层薄膜和弹性薄膜。
其中，所述弹性悬膜是通过在衬底背面刻蚀孔洞得到，其中牺牲层起到腐蚀停止层的作用。
其中，所述传感器还包括套筒，所述传感器通过将带有弹性悬膜的衬底表面与套筒粘结在一起得到。
其中，所述传感器通过将带有悬膜的衬底背面与光纤对接到一起得到，其中弹性悬膜与光纤端面之间的空隙距离由牺牲层的厚度决定。
其中，所述空隙的间距可以通过控制光纤在套筒中的位置来调节。
其中，所述弹性悬膜的厚度小于10微米，所述空隙的距离小于10微米。
其中，所述衬底和薄膜材料选自有机或无机材料，其中衬底材料选自Si、GaAs、InP中的任一种，薄膜材料选自Si、SiO2、SiNx、GaAs、InGaP、InGaAsP、InP中的任一种。
一种光纤压力传感器的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步、在衬底上依次制备牺牲层薄膜和弹性薄膜；
第二步、在衬底背面刻蚀一个孔，该孔底部到达牺牲层；
第三步、把牺牲层腐蚀除去，从而得到弹性悬膜，周围的衬底仍旧支撑着弹性悬膜；
第四步、将带有弹性悬膜的衬底与套筒粘结在一起，弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，所述光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线。
其中，所述弹性薄膜可以通过减薄或生长得到，所述薄膜生长技术选自蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积、分子束外延、液相外延中的任一种。
所述的悬膜中轴线，是指悬膜未受压形变时垂直于悬膜且经过悬膜中心的轴线。
附图说明
附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。
图1为光纤压力传感器的示意图；
图2为光纤压力传感器的结构尺寸图；
图3为光纤压力传感器的工作原理图；
图4为带有牺牲层和弹性薄膜层的衬底结构；
图5为在衬底背面刻蚀一个到达牺牲层的孔；
图6为牺牲层腐蚀除去后得到的弹性悬膜；
图7为在牺牲层上腐蚀出另一个圆孔得到弹性悬膜；
图8为光纤压力传感器的另一结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的薄膜生长技术包括：蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)等常用技术。
例1
首先，在硅SOI衬底(如图4)背面刻蚀一个孔至SiO2牺牲层(如图5)；
然后，把SiO2腐蚀除去，得到硅衬底支撑的硅弹性悬膜(如图6)；
最后，把光纤固定在套筒内部，然后把带着弹性悬膜的硅衬底与套筒端面粘在一起(如图1)。
例2
首先，在硅衬底表面依次生长SiO2牺牲层和SiNx弹性层(如图4)；
然后，在衬底背面刻蚀一个孔至SiO2牺牲层(如图5)；
接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到SiNx弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。
例3
首先，在GaAs衬底表面依次生长InGaP牺牲层和GaAs弹性层(如图4)；
然后，在衬底背面刻蚀一个孔至InGaP牺牲层(如图5)；
接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到GaAs弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。
例4
首先，在InP衬底表面依次生长InGaAsP牺牲层和InP弹性层(如图4)；
然后，在衬底背面刻蚀一个孔至InGaAsP牺牲层(如图5)；
接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到InP弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (10)

1.一种光纤压力传感器，包括弹性悬膜，光纤，其特征是：所述弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，传感器中光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，反射进入光纤的强度作为探测的敏感量；利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离获得弹性悬膜，并且所述弹性悬膜的边缘仍然保持和衬底固定在一起。
2.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征是：所述衬底表面具有牺牲层薄膜和弹性薄膜。
3.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征是：所述弹性悬膜是通过在衬底背面刻蚀孔洞得到，其中牺牲层起到腐蚀停止层的作用；所述刻蚀工艺是光刻工艺。
4.根据权利要求1所述的光纤压力传感器，其特征是：还包括套筒，所述传感器通过将带有弹性悬膜的衬底表面与套筒粘结在一起得到。
5.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征是：所述传感器通过将带有悬膜的衬底背面与光纤对接到一起得到，其中弹性悬膜与光纤端面之间的空隙距离由牺牲层的厚度决定。
6.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征是：所述空隙的间距通过控制光纤在套筒中的位置来调节。
7.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征是：所述弹性悬膜的厚度小于10微米，所述空隙的距离小于10微米。
8.根据权利要求4所述的光纤压力传感器，其特征是：所述衬底和薄膜材料选自有机或无机材料，其中衬底材料选自Si、GaAs、InP中的任一种，薄膜材料选自Si、SiO2、SiNx、GaAs、InGaP、InGaAsP、InP中的任一种。
9.一种如权利要求1-8任一所述的光纤压力传感器的制备方法，其特征在于：在衬底上依次制备牺牲层薄膜和弹性薄膜；然后在衬底背面刻蚀一个孔，该孔底部到达牺牲层；接着把牺牲层腐蚀除去，从而得到弹性悬膜，周围的衬底仍旧支撑着弹性悬膜；最后将带有弹性悬膜的衬底与套筒粘结在一起，弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，所述光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线。
10.根据权利要求9所述的光纤压力传感器的制备方法，其特征是：所述弹性薄膜通过减薄或生长得到，所述薄膜生长技术选自蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积、分子束外延、液相外延中的任一种。
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