CN104596435A - 一种基于mems工艺的腔长可调光纤f-p应变计及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，属于高精度光纤传感测量领域。所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤；其中，F-P应变敏感MEMS芯片F-P应变敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片组成，在SOI硅片的轴向设置有圆孔；SOI硅片通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃片上；准直扩束光纤通过焊料固定在SOI硅片上的圆孔中。所述F-P压力敏感MEMS芯片基于MEMS微加工技术制备，可以实现器件的微型化，并根据应变测量灵敏度、量程和波分组网等实际应用需要而灵活调整应变计F-P腔的初始腔长；应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。
背景技术
在工程测量技术中，应变测量是最为基础和重要的技术之一。电阻应变测量方法是获取应变试验数据的一种基本传统手段，然而，电阻应变片抗疲劳性能差、零点漂移严重，易受电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等环境因素的影响，无法用于长期在线测量，也不能满足高温、电磁环境中精确测量应变的需求。
近年来，光纤传感器作为一种新型的测量手段，因其抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如波分复用与时分复用)、可长距离信号传输等优良特性，在工程测量和科学试验中得到日益广泛的应用。在单点或准分布式多点应变测量领域，尤其以光纤光栅应变计和光纤F-P应变计的应用最为广泛。
光纤光栅加工制作简单、串联或并联组网容易，在桥梁、大坝、隧道、高层建筑等土木工程结构安全监测领域得到了广泛应用，近年来在飞机、船舶等静载测试和结构健康监测中也有应用，已成为一种日益成熟的应变测量技术手段。
与光纤光栅应变计相比较，光纤F-P应变计具有更为紧凑的结构，尤其在灵敏度和耐高温方面具有光纤光栅应变计不可比拟的优势。因此，近年来在航空航天、国防军事和工业制造等高温、高精度测量领域，光纤F-P应变计展现出了不可替代的独有技术优势。
光纤F-P传感器的制作过程中，最为关键的是F-P光学干涉腔的制作和封装，由于其工作原理决定了F-P光学干涉腔由具有一定反射率的两个平行平面组成，光束在其间多次反射构成多光束干涉，因此，F-P光学干涉腔两个反射平面的表面光洁度和平行度有苛刻的要求，才能保证获得良好的信噪比。传统的光纤端面加工手段很难实现F-P光学干涉腔的批量化制作，而且两个光纤端面的对准精度和封装后的长期稳定性也是难以解决的问题。近年来，深紫外激光加工技术和飞秒激光加工技术的出现带动了光纤微纳加工技术的快速发展，既可以在光纤端面烧蚀加工微腔后借助光纤端面焊接来构造F-P光学干涉腔，也可以通过对光纤切削刻槽直接在其轴向形成F-P光学干涉腔，从而实现了F-P光学干涉腔的批量化制造，同时极大减小了光纤F-P应变计的体积。但是，这些基于光纤端面加工或光纤本体微加工制作出的F-P光学干涉腔由于无法获得高光洁度反射面，也难以通过光学镀膜来提高反射面的光学反射率，因此，很难提高F-P光学干涉腔的干涉谱精细度，难以进一步提高测量分辨率，无法满足小量程、高灵敏度应变测量应用领域(如高速风洞气动力测量，工业领域多分量动态力和力矩测量)；而且由于F-P光学干涉腔的干涉精细度因子低，只能采用强度调制解调型和相位调制解调型信号解调方式，容易受光源功率波动和光纤折弯的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接；目的之二在于提供一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的成型方法所述光纤F-P应变计的器件采用MEMS工艺制作，可以实现器件的微型化，并根据应变测量灵敏度、量程和波分组网等实际应用需要而灵活调整应变计F-P腔的初始腔长。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤；
其中，F-P应变敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片组成；
所述SOI硅片包括顶层硅、中间氧化层和底层硅，且SOI硅片加工有中心孔；所述中心孔的半径大于准直扩束光纤的外径；
玻璃片一侧的端面沉积有增透膜和钝化层，另一侧的端面沉积有高反膜Ⅰ；
准直扩束光纤的一端设置有自聚焦透镜或等效光学元件，并在同一端的端面沉积有高反膜Ⅱ；
所述高反膜、增透膜、中间氧化层和底层硅轴向的圆孔同轴；且高反膜和增透膜的面积均大于准直扩束光纤的出射光束面积，所述光束直径为50～300μm；
整体连接关系：
SOI硅片通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃片上，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片上沉积有高反膜Ⅰ一侧的端面；准直扩束光纤通过焊料同轴固定在SOI硅片上的中心孔中；SOI硅片中心孔的内圆周面、玻璃片上沉积有高反膜Ⅰ一侧的端面与准直扩束光纤沉积有高反膜Ⅱ的端面构成密闭空腔；其中，高反膜Ⅰ和高反膜Ⅱ之间的区域为F-P光学干涉腔；准直扩束光纤的光学轴与F-P光学干涉腔同轴；所述增透膜、高反膜Ⅰ和高反膜Ⅱ的中心点位于SOI硅片中心孔的轴线上；且增透膜、高反膜Ⅰ和高反膜Ⅱ的面积均大于准直扩束光纤的出射光束面积。
所述增透膜构成材料均优选SiO2/Ta2O5复合介质膜、SiO2/TiO2复合介质膜和SiO2/Si3N4复合介质膜中的一种；
所述高反膜优选SiO2/Ta2O5复合介质膜、SiO2/TiO2复合介质膜和SiO2/Si3N4复合介质膜中的一种
其中，玻璃片上的高反膜还可采用金属薄膜材料；所述金属优选金或铝；当玻璃片上的高反膜采用金属薄膜材料时，玻璃片的另一侧端面可以不沉积增透膜。
工作原理：
光纤F-P应变计利用法布里－珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)干涉原理：当相干光束沿准直扩束光纤入射到F-P应变敏感MEMS芯片时，在玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间多次反射构成多光束干涉，并沿原路返回到准直扩束光纤。沿原路返回到准直扩束光纤的干涉输出信号与玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔的长度相关。在外部应力应变的作用下，玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔长度发生改变，使得返回到准直扩束光纤的干涉输出信号的波长或相位相应改变，由此可以实现对作用于F-P光纤应变计的外部应力应变进行精确测量。
一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的成型方法，所述方法的具体步骤如下：
(1)在SOI硅片的顶层硅上进行光刻处理后利用Deep RIE工艺刻蚀得到顶层硅上的圆孔；刻蚀深度为顶层硅的厚度；
(2)利用湿法腐蚀或干法刻蚀将SOI硅片上暴露出的中间氧化层去除，在中间氧化层的轴向形成圆孔；
(3)在SOI硅片的底层硅一侧的端面进行光刻，腐蚀掉光刻图形中的氧化层，随后以氧化层和光刻胶作为掩膜，采用Deep RIE工艺进行刻蚀，直到将底层硅刻穿形成圆孔；所述圆孔直径大于准直扩束光纤的直径；
(4)在玻璃片一侧的端面沉积高反膜(反射率高于95％)；对所述高反膜进行图形化处理；
(5)在玻璃片的另一侧端面沉积增透膜和钝化层，并对增透膜和钝化层进行图形化处理；
(6)将步骤(1)～(3)得到的SOI硅片与步骤(4)～(5)得到的玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片上沉积有高反膜一侧的端面；得到F-P应变敏感MEMS芯片；
(7)对准直扩束光纤的一端面进行磨平处理，并沉积高反膜(反射率95～96％)；
(8)将准直扩束光纤通过焊料焊接在F-P应变敏感MEMS芯片的底层硅圆孔中，得到本发明所述F-P光纤应变计。
其中，所述高反膜图形化处理优选采用光刻后再腐蚀高反膜工艺或Lift-off工艺；
所述增透膜图形化处理优选采用光刻后再腐蚀增透膜工艺或Lift-off工艺。有益效果
(1)本发明所述光纤F-P应变计将高灵敏度光纤F-P应变检测技术与MEMS微细加工技术相结合，具有工作温度范围宽、耐受化学腐蚀、抗电磁干扰等显著技术优势。
(2)本发明所述方法基于MEMS微加工技术制备F-P应变敏感MEMS芯片，其F-P光学干涉腔的其中一个反射面为玻璃片的原始抛光表面沉积高反膜后构成，另外一个反射面为准直扩束光纤的端面精细磨平并沉积高反膜后构成，都非常光洁和平整，通过封装对准后可以获得很高的F-P光学干涉腔干涉精细度，其精细度因子也即自由谱宽FSR与信号谱3dB带宽FWHM之比不小于20，可采用波长信号解调方式进行应变信号检测，提高应变分辨率和测量精度，解决了F-P光学干涉腔采用强度调制解调方法和相位调制解调方法所存在的灵敏度低、受光源功率波动和光纤弯折影响等问题。
(3)本发明所述光纤F-P应变计中，采用SOI的顶层硅制作“环形”应变梁，F-P光学干涉腔的两个反射面分别固定在“环形”应变梁的两侧，在外部应变的作用下，拉、压变形集中在SOI顶层硅的“环形”应变梁区域，不但降低了应变计的等效刚度，而且保证F-P腔的两侧高反膜保持非常低的翘曲，避免了应变作用下干涉光谱劣化使检测精度和分辨率降低的问题；此外，还可利用硅的良好材料特性，保证光纤F-P应变计具有良好的应变测量线性度、重复性和零点长期稳定性。
(4)本发明所述光纤F-P应变计中的SOI硅片的底层硅上的高反膜可采用金属薄膜材料，当底层硅上的高反膜采用金属薄膜材料时，底层硅的上表面可以不沉积增透膜，解决了现有F-P应变计F-P腔两个表面均沉积介质高反膜导致的多界面F-P信号相互干扰问题，提高了F-P光学干涉谱的信噪比。
(5)本发明所述基于MEMS微加工技术制备的F-P应变敏感MEMS芯片自带轴向圆孔，用于粘接或焊接固定准直扩束光纤后构成光纤F-P应变计，实现了光纤F-P应变计的微型化封装，减小了光纤F-P应变计的初始封装应力，提高了光纤F-P应变计的温度重复性和长期零点稳定性。
(6)本发明所述光纤F-P应变计通过采用准直扩束光纤，将光斑平行扩束到直径50μm以上进行光路耦合，可减小因光束发散、角度偏差而造成的信号严重恶化，从而降低耦合封装的难度。
(7)本发明所述方法可实现光纤F-P应变计的批量化制造，并根据应变测量灵敏度、量程和波分组网等实际应用需要而灵活调整应变计F-P腔的初始腔长，可广泛用于航空航天、交通、能源等领域气动力试验所急需的新型光纤气动力测量天平，还可用于冶金、发电领域的高温称重以及锅炉、压力管道等特种设备的高温应变测量，在需要高精度测量多分量组合、力和力矩的应用领域尤其具有技术优势，满足国民经济发展对高端测量仪器的需求。
(8)本发明所述光纤F-P应变计直接由F-P应变敏感MEMS芯片与准直扩束光纤一体化封装，具有良好的抗冲击过载能力和极高的可靠性，后续免维护，可长期精确测量。在安装操作不便、维护困难的应用场合更具显著优势。
附图说明
图1为本发明所述腔长可调光纤F-P应变计的结构示意图；
图2为F-P应变敏感MEMS芯片的结构示意图；
图3为本发明所述准直扩束光纤的结构示意图；
图4为本发明所述腔长可调光纤F-P应变计的工艺流程图；
图5为本发明所述腔长可调光纤F-P应变计的高精细度光学干涉谱；
图6为现有F-P应变计的低精细度典型光学干涉谱；
图7为本发明所述腔长可调光纤F-P应变计的波长-应变实测特性；
图8为本发明所述腔长可调光纤F-P应变计的波分复用+时分复用组网图。
其中，1-F-P应变敏感MEMS芯片，2-准直扩束光纤，3-玻璃片，4-钝化层，5-顶层硅，6-中间氧化层，7-底层硅，8-增透膜，9-高反膜Ⅰ，10-高反膜Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例
一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计的结构示意图如图1所示，主要包括F-P应变敏感MEMS芯片1和准直扩束光纤2；
其中，F-P应变敏感MEMS芯片1的结构示意图如图2所示，所述F-P应变敏感MEMS芯片1由SOI硅片和玻璃片3组成；
所述SOI硅片包括顶层硅5、中间氧化层6和底层硅7；其中，顶层硅5通过图形化刻蚀加工，成为“环形”应变梁，所述“环形”的刻蚀深度为顶层硅5厚度；中间氧化层6和底层硅7的轴向均设置有圆孔，所述圆孔的半径大于准直扩束光纤2的外径；
玻璃片3一侧的端面沉积有增透膜8和钝化层4，另一侧的端面沉积有高反膜Ⅰ9；
其中，准直扩束光纤2的结构示意图如图3所示，所述准直扩束光纤2一端设置有自聚焦透镜或等效光学元件，并在同一端的端面沉积有高反膜Ⅱ10；
所述增透膜8、高反膜Ⅰ9和高反膜Ⅱ10的中心点在SOI硅片中心孔的轴线上；且增透膜8、高反膜Ⅰ9和高反膜Ⅱ10的面积均大于准直扩束光纤(2)的出射光束面积，所述光束直径为50～300μm；
整体连接关系：
SOI硅片通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃片3上，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片3上沉积有高反膜Ⅱ10一侧的端面；准直扩束光纤2通过焊料同轴固定在SOI硅片的中心孔中；SOI硅片中心孔的内圆周面、玻璃片3上沉积有高反膜Ⅰ9一侧的端面与准直扩束光纤2沉积有高反膜Ⅱ10的端面构成密闭空腔；其中，高反膜Ⅰ9和高反膜Ⅱ10之间的区域为F-P光学干涉腔。
所述增透膜构成材料为SiO2/Ta2O5复合介质膜；
所述高反膜构成材料为SiO2/Ta2O5复合介质膜；
其中，高反膜Ⅰ9还可采用金反射膜；当底层硅7上的高反膜Ⅰ9采用金反射膜时，底层硅7的另一侧端面可以不设置增透膜8。
工作原理：
光纤F-P应变计利用法布里－珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)干涉原理：当相干光束沿准直扩束光纤入射到F-P应变敏感MEMS芯片时，在玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间多次反射构成多光束干涉，并沿原路返回到准直扩束光纤。沿原路返回到准直扩束光纤的干涉输出信号与玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔的长度相关。在外部应力应变的作用下，玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔长度发生改变，使得返回到准直扩束光纤的干涉输出信号的波长或相位相应改变，由此可以实现对作用于F-P光纤应变计的外部应力应变进行精确测量。
一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的成型方法，所述方法的具体步骤如下：
(1)在SOI硅片的顶层硅上进行光刻处理后利用Deep RIE工艺刻蚀得到顶层硅上的环形应变梁；刻蚀深度为顶层硅的厚度；如图4a和图4b所示；
(2)利用湿法腐蚀或干法刻蚀将SOI硅片上暴露出的中间氧化层去除，在中间氧化层的轴向形成圆孔；如图4c所示；
(3)在SOI硅片的底层硅的右侧端面进行光刻，腐蚀掉光刻图形中的氧化层(为平衡SOI硅片中间氧化层的应力，SOI硅片在出厂时已经在底层硅上生长了一层氧化层)，随后以氧化层和光刻胶作为掩膜，采用Deep RIE工艺进行刻蚀，直到将底层硅刻穿形成圆孔；所述圆孔直径大于准直扩束光纤的直径；如图4d所示；
(4)在玻璃片的右侧端面沉积高反膜(反射率高于95％)；对所述高反膜进行图形化处理；
(5)在玻璃片的左侧端面沉积增透膜和钝化层，并对增透膜和钝化层进行图形化处理；如图4e所示；
(6)将步骤(1)～(3)得到的SOI硅片与步骤(4)～(5)得到的玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，得到F-P应变敏感MEMS芯片，键合面为SOI硅片中顶层硅的左侧端面与玻璃片的右侧端面；得到F-P应变敏感MEMS芯片；如图4f所示；
(7)对准直扩束光纤的左侧端面进行磨平处理，并沉积高反膜(反射率95～96％)；如图3所示；
(8)将准直扩束光纤通过焊料焊接在F-P应变敏感MEMS芯片的底层硅圆孔中，得到本发明所述F-P光纤应变计；
其中，所述高反膜图形化处理优选采用光刻后再腐蚀高反膜工艺或Lift-off工艺；
所述增透膜图形化处理优选采用光刻后再腐蚀增透膜工艺或Lift-off工艺。
根据本发明制所述方法制作的基于MEMS工艺的光纤F-P应变计，法布里-珀罗(F-P)腔的自由谱宽FSR为19.8nm，如图5a所示；信号谱的3dB带宽FWHM为0.35nm，如图5b所示；计算出的光学精细度因子(自由谱宽FSR与3dB带宽FWHM的比值)达到56.6，远远高于现有F-P应变计的光学精细度因子(通常小于10，典型光谱图如图6所示)。
根据本发明制所述方法制作的基于MEMS工艺的光纤F-P应变计采用波长信号解调方式可以达到0.2pm的波长解调分辨率，在200με应变作用下对应的波长变化量为2.1nm，应变分辨率达到0.019με，线性度优于0.9998，如图7所示。同时，由于采用波长信号解调方式，所以应变测量精度不受光纤弯曲损耗和光源功率波动的影响；而且可以借助WDM波分复用器将多个基于MEMS工艺的光纤F-P应变计通过波分复用+时分复用串接到一芯单模光纤上，如图8所示。光纤传输距离可以达到20公里以上。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，其特征在于：所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片(1)和准直扩束光纤(2)；
所述F-P应变敏感MEMS芯片(1)由SOI硅片和玻璃片(3)组成；
其中，所述SOI硅片包括顶层硅(5)、中间氧化层(6)和底层硅(7)，且SOI硅片加工有中心孔；所述玻璃片(3)一侧的端面依次沉积有增透膜(8)和钝化层(4)，另一侧的端面沉积有高反膜Ⅰ(9)；
所述准直扩束光纤(2)一端设置有自聚焦透镜或等效光学元件，并在同一端的端面沉积有高反膜Ⅱ(10)；准直扩束光纤(2)的外径小于SOI硅片轴向上圆孔的半径；
整体连接关系：
SOI硅片通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃片(3)上，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片(3)上沉积有高反膜Ⅱ(10)一侧的端面；准直扩束光纤(2)通过焊料同轴固定在SOI硅片的中心孔中；SOI硅片中心孔的内圆周面、玻璃片(3)上沉积有高反膜Ⅰ(9)一侧的端面与准直扩束光纤(2)沉积有高反膜Ⅱ(10)的端面构成密闭空腔；其中，高反膜Ⅰ(9)和高反膜Ⅱ(10)之间的区域为F-P光学干涉腔；所述增透膜(8)、高反膜Ⅰ(9)和高反膜Ⅱ(10)的中心点位于SOI硅片中心孔的轴线上；且增透膜(8)、高反膜Ⅰ(9)和高反膜Ⅱ(10)的面积均大于准直扩束光纤(2)的出射光束面积。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，其特征在于：所述增透膜(8)构成材料为SiO2/Ta2O5复合介质膜、SiO2/TiO2复合介质膜和SiO2/Si3N4复合介质膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，其特征在于：所述高反膜Ⅰ(9)为SiO2/Ta2O5复合介质膜、SiO2/TiO2复合介质膜、SiO2/Si3N4复合介质膜和金反射膜中的一种；所述高反膜Ⅱ(10)为SiO2/Ta2O5复合介质膜、SiO2/TiO2复合介质膜和SiO2/Si3N4复合介质膜中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，其特征在于：所述高反膜Ⅰ(9)为金反射膜时，玻璃片(3)的另一侧端面不沉积增透膜(8)而直接沉积金膜作为钝化层。
5.一种如权利要求1所述的基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)在SOI硅片的顶层硅上进行光刻处理后利用Deep RIE工艺刻蚀在顶层硅上形成中心孔；刻蚀深度为顶层硅的厚度；
(2)利用湿法腐蚀或干法刻蚀将SOI硅片上暴露出的中间氧化层去除，在中间氧化层上形成中心孔；
(3)在SOI硅片的底层硅一侧的端面进行光刻，腐蚀掉光刻图形中的氧化层，随后以氧化层和光刻胶作为掩膜，采用Deep RIE工艺进行刻蚀，直到将底层硅刻穿形成中心孔；所述中心孔直径大于准直扩束光纤的直径；
(4)在玻璃片一侧的端面沉积高反膜；对所述高反膜进行图形化处理；
(5)在玻璃片的另一侧端面沉积增透膜和钝化层，并对增透膜和钝化层进行图形化处理；
(6)将步骤(1)～(3)得到的SOI硅片与步骤(4)～(5)得到的玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片上沉积有高反膜一侧的端面；得到F-P应变敏感MEMS芯片；
(7)对准直扩束光纤的一端面进行磨平处理，并沉积高反膜；
(8)将准直扩束光纤通过焊料焊接在F-P应变敏感MEMS芯片的底层硅圆孔中，得到所述F-P光纤应变计。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的制备方法，其特征在于：所述图形化处理采用光刻后再腐蚀高反膜工艺或Lift-off工艺。
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