CN103528735A - 一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。该传感器能够有效避免传统光纤法布里-珀罗传感器的压力敏感膜受压后，产生非平面移动，造成较大光能损失的缺陷，能够得到更高的测量精度。本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器，包括通过静电键合工艺连接的单晶硅膜和硼硅酸盐光纤，所述单晶硅膜具有凸台，所述硼硅酸盐光纤具有凹腔，单晶硅膜具有凸台的一面和硼硅酸盐光纤的凹腔相对形成法布里-珀罗腔，所述凸台顶端形成反射面。本传感器使得敏感膜在受压变形过程中，光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，大大提高了测量精度。

Description

一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法

 

技术领域

    本发明属于光纤压力传感器技术领域，尤其是涉及一种新型的微型光纤法布里-珀罗压力传感器结构及该种传感器的其制作方法。

 

背景技术

光纤传感技术是上世纪70年代后期迅速发展起来的一项新技术,它是纤维光学在非通讯领域中的应用。光纤传感技术可以测量的物理量已达一百多种，它的优点是：应用范围广、灵敏度高、抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、可曲挠、体积小、成本低，以及与光纤传输线路的兼容性好等等。

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，当压力作用在压力敏感膜时，产生变形，使法珀腔腔长发生变化，从而实现传感。光纤法布里- 珀罗压力传感器结构简单，较易实现，是目前最常用的干涉型光纤压力传感器。一部分传感器的压力敏感膜是运用微机电（MEMS）体硅工艺和表面牺牲层工艺制作的；还有一部分传感器的压力敏感膜是利用光纤腐蚀熔接工艺制作的。近年来出现了一些设计方案，比如2001年Cincinnati大学的（Jie Zhou Jie Zhou, Samhita Dasgupta, et al. Optically interrogated MEMS pressure sensors for propulsion applications, Optical Engineering, 2001, 40: 598-604.）等人用体硅工艺制作得到光纤法布里－珀罗压力传感器：将单晶硅膜作为压力敏感膜，在玻璃上用HF缓冲溶液腐蚀出浅薄圆柱型腔体，用静电键合工艺将硅膜与玻璃紧密键合在一起，形成法珀腔，最后用环氧树脂将光纤与传感器芯片对准黏结。弗吉尼亚大学的Juncheng Xu、Yizheng Zhu、Anbo Wang （Juncheng Xu, Xingwei Wang, Kristie L. Cooper, Gary R. Pickrell and Anbo Wang. Miniature Temperature-Insensitive Fabry-Perot Fiber-Optic Pressure Sensor, IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(10): 1134-1136.）小组设计了一系列制作在光纤上面的传感器：将单模光纤的一端熔接一段105/125μm纤芯未掺杂包层掺氟的多模光纤，作为阻挡层，在此多模光纤的另一端继续熔接62.5/125μm纤芯掺锗的多模光纤，放入50％的HF溶液中腐蚀出腔，再熔接一段105/125μm的多模光纤作为敏感膜。

目前的压力敏感膜大多采用平面膜型，这种膜受压后，会产生非平面移动，这将影响F-P腔的平行度，从而造成较大的光能损失，信号平均效应大，继而影响了压力传感器的性能。针对这一点，专利申请号为201010185466.5，名称为光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法的国内发明专利，提供了一种利用光纤、弹性膜片、传感器体制作而成的光纤压力传感器，将弹性膜片直接与光纤连接，光纤插入传感器体上的孔中，避免传统传感器膜片变形不能过大的缺陷。但该方案提供的传感器结构中弹性膜片表面积远大于光纤截面积，成本较高。

 

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种新型的微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。该传感器能够有效避免传统光纤法布里-珀罗传感器的压力敏感膜受压后，产生非平面移动，造成较大光能损失的缺陷，能够得到更高的测量精度。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器，包括通过静电键合工艺连接的单晶硅膜和硼硅酸盐光纤，所述单晶硅膜具有凸台，所述硼硅酸盐光纤具有凹腔，单晶硅膜具有凸台的一面和硼硅酸盐光纤的凹腔相对形成法布里-珀罗腔，所述凸台顶端形成反射面。

一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1） 双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层1mm厚的SiO₂后，再用低压化学气相法在单晶硅片的两面淀积一层0.3mm厚的Si₃N₄；

（2） 硅片顶面用BP218胶作保护，曝光显影后用RIE工艺刻蚀掉未被BP218胶保护的Si3N4，接着再用BOE腐蚀液将顶面暴露的SiO₂去除，并用丙酮去除BP218胶；

（3） 将硅片放在浓度为60％的KOH腐蚀液中，达到所需膜厚，膜片厚度为20~40mm；

（4） 分别用反应离子刻蚀工艺和BOE溶液去除顶面的Si₃N₄和SiO₂；

（5） 将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平端面, 放入BOE腐蚀液进行腐蚀，腐蚀出所需腔长；

（6） 运用静电键合工艺将台面膜和带凹腔的光纤键合连接；

（7） 用光纤接续子封装所形成的光纤法布里-珀罗传感器，光纤接续子下壳体设有容置光纤的光纤槽，将光纤法珀传感器放入光纤槽，用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、下壳体，从而完成传感器的制作。

本发明提供的光纤法布里-珀罗传感器，采用在单晶硅膜上设置台面结构，使得敏感膜在受压变形过程中，光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，大大提高了测量精度。整个膜片加工过程采用微机电工艺，适合批量生产，法珀腔的腔长可根据腐蚀速率，控制腐蚀时间加工制作而成。本传感器直接采用硅膜与光纤静电键合加工，外部尺寸与光纤外径一致，结构小巧，成本低廉，制作简便，精度高，灵敏度高，可靠性好。

 

附图说明

图1为本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器结构示意图；

图2为本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器制作方法步骤流程图；

图3为本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器应用时采用的解调系统；

图4为本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器实验结果图；

图5为采用平面膜的压力传感器反射率曲线图；

图6为本发明提供的微型光纤法布里-珀罗压力传感器反射率曲线图。

附图标记列表：

1-单晶硅膜，2-硼硅酸盐光纤，3-凸台，4-凹腔。

 

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器结构，具体包括一片单晶硅膜1和一片硼硅酸盐光纤2，所述单晶硅膜1下底面具有突起的圆台（以下简称凸台3），所述硼硅酸盐光纤2上表面具有凹腔4，单晶硅膜1下底面和硼硅酸盐光纤2的上表面通过静电键合工艺相对连接，显然，凹腔4腔长需大于凸台3高度，从而形成法布里-珀罗腔，凸台3顶端在法布里-珀罗腔中形成反射面。当单晶硅膜1受压变形时，凸台3顶面依然能够保持与凹腔4相对面平行，从而使得光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终保持平行，大大提高了测量精度。

相应的，本发明还提供了上述微型光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

（1） 双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层1mm厚的SiO₂后，再用低压化学气相（LPCVD）法在单晶硅片的两面淀积一层0.3mm厚的Si₃N₄作为后续工艺中单晶硅腐蚀的保护层；

（2） 硅片顶面上用BP218胶作保护，根据需要蚀刻的形状曝光显影后用RIE工艺刻蚀掉未被光刻胶保护的Si₃N₄，接着再用BP218腐蚀液（即氢氟酸(HF)、氟化氨(NH₄F)和水的溶液，按3：6：10配比），将暴露的SiO₂去除，用丙酮去除BP218胶；

（3） 将硅片放在KOH腐蚀液中（浓度60％），达到所需膜厚，凸台部分同时蚀刻成型，膜片厚度应根据需要达到的压力测量范围进行设定，厚度一般为20~40mm左右；

（4） 分别用反应离子刻蚀工艺和BOE溶液去除硅片顶面的Si₃N₄和SiO₂；

（5） 将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平端面, 放入BOE腐蚀液进行腐蚀，腐蚀出所需腔长；

（6） 运用静电键合工艺将带有凸台的单晶硅片和带凹腔的光纤键合起来，形成法布里-珀罗腔；

（7） 用光纤接续子封装所形成的光纤法布里-珀罗传感器，光纤接续子下壳体设有容置光纤的光纤槽，将光纤法珀传感器放入光纤槽，用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、下壳体，从而完成传感器的制作。

基于上述方法制作而成的传感器，利用如图3所示的解调系统进行实验，结果如图4所示，本发明提供的光纤法珀压力传感器有着较好的线性和重复度。在同样的实验条件下，对比采用平面膜的传感器和本发明提供的传感器，各自的反射率曲线如图5和图6所示，采用平面膜的传感器，随着施加压力的增加，光反射率将产生不断衰减的趋势，而本发明提供的传感器在压力逐渐增强时，可以降低信号平均效应对传感器性能的影响，依然能够保持较高的反射率，不造成光能损失，从而保证了测量精度。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (2)

1.一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器，包括通过静电键合工艺连接的单晶硅膜和硼硅酸盐光纤，其特征在于：所述单晶硅膜具有凸台，所述硼硅酸盐光纤具有凹腔，单晶硅膜具有凸台的一面和硼硅酸盐光纤的凹腔相对形成法布里-珀罗腔，所述凸台顶端形成反射面。

2.根据权利要求1所述的微型光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层1mm厚的SiO₂后，再用低压化学气相法在单晶硅片的两面淀积一层0.3mm厚的Si₃N₄；

（2）硅片顶面用BP218胶作保护，曝光显影后用RIE工艺刻蚀掉未被BP218胶保护的Si3N4，接着再用BOE腐蚀液将顶面暴露的SiO₂去除，并用丙酮去除BP218胶；

（3）将硅片放在浓度为60％的KOH腐蚀液中，达到所需膜厚，膜片厚度为20~40mm；

（4）分别用反应离子刻蚀工艺和BOE溶液去除顶面的Si₃N₄和SiO₂；

（5）将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平端面, 放入BOE腐蚀液进行腐蚀，腐蚀出所需腔长；

（6）运用静电键合工艺将台面膜和带凹腔的光纤键合连接；

（7）用光纤接续子封装所形成的光纤法布里-珀罗传感器，光纤接续子下壳体设有容置光纤的光纤槽，将光纤法珀传感器放入光纤槽，用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、下壳体，从而完成传感器的制作。

Images