CN105509940A - 一种光纤传感探头及制备方法 - Google Patents

一种光纤传感探头及制备方法 Download PDF

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黄元庆
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    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
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Abstract

本发明涉及一种光纤传感探头及制备方法,光纤传感探头包括玻璃体,所述玻璃体的一侧设置有凹槽,所述凹槽的槽口处设置有硼硅敏感薄膜;所述硼硅敏感薄膜与所述玻璃体之间设置有反射膜,所述硼硅敏感薄膜与所述反射膜一体成型,所述反射膜密封所述凹槽,在所述玻璃体内构成真空腔。相对现有技术,本发明机械灵敏度高、反射率高,而且耐高温,温度效应小,适合于不同温度环境下的压力测量,能实现规模化、集成化生产,提高传感器芯片生产效益,降低成本。

Description

一种光纤传感探头及制备方法
技术领域
本发明涉及属于光纤传感器元件技术领域,特别涉及一种用于测量压力的法布里-帕罗复合腔光纤传感探头及制备方法。
背景技术
法布里-帕罗(F-P)腔微型光纤压力传感器结构通常有石英毛细管结构和膜片式结构。石英毛细管结构的压力传感器由于毛细管壁较厚,对压力的感知灵敏度低,且由于腔内气体和石英管的热胀冷缩等因素的影响,对温度的敏感性强,所以适用于测量精度要求不高的大范围的压力测量。膜片式结构理论上可以获得较高的灵敏度,但是在光纤端面上制作高灵敏度的膜片存在着技术不成熟,工艺复杂,材料温度特性和力学特性差等不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机械灵敏度高、反射率高,而且耐高温,温度效应小,适合于不同温度环境下的压力测量,能实现规模化、集成化生产,提高传感器芯片生产效益,降低成本的光纤传感探头及制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种光纤传感探头,包括玻璃体(210),所述玻璃体(210)的一侧设置有凹槽,所述凹槽的槽口处设置有硼硅敏感薄膜(220),所述硼硅敏感薄膜(220)与所述玻璃体(210)的槽口之间设置有反射膜(230),所述硼硅敏感薄膜(220)与所述反射膜(230)一体相连组成,所述反射膜(230)密封所述凹槽从而在所述玻璃体(210)内构成真空腔(240),所述玻璃体(210)远离所述硼硅敏感薄膜(220)的一端固定连接有单模光纤(250)。
上述光纤传感探头,所述反射膜(230)为铝反射膜。
本发明的有益效果是:硼硅敏感薄膜的机械灵敏度高,压力测量的分辨率高,最小分辨率达62Pa,高温稳定性更好,适合于不同温度环境下的压力测量,且灵敏度达到0.51nw/KPa,使本装置具有良好的线性度、灵敏度和重复性。
上述一种光纤传感探头的制备方法,包括下述步骤:
对玻璃体(210)的一侧进行光刻腐蚀得凹槽;
将硼源片正对晶体硅进行硼扩散,对晶体硅的硼扩散面进行磁控溅射制得反射膜(230);对反射膜(230)进行光刻,光刻后与玻璃体(210)凹槽的槽口真空键合,在玻璃体(210)内构成真空腔(240);硼源片正对晶体硅进行硼扩散的扩散温度为1000~1500℃,扩散时间为2~10个小时;
对晶体硅远离反射膜(230)的一面进行自停止腐蚀,去除硅衬底,得与反射膜(230)一体相连的硼硅薄膜(220);
将玻璃体(210)远离硼硅薄膜(220)的一侧与单模光纤(250)激光键合,得光纤传感探头。
上述光纤传感探头制备方法,所述晶体硅为单晶硅或多晶硅。
上述光纤传感探头制备方法,所述自停止腐蚀是通过四甲基氢氧化铵对晶体硅进行自停止腐蚀的,腐蚀温度在50℃~120℃,时间为6~18个小时。
本发明的有益效果是:采用高温浓硼扩散自停止腐蚀技术制备的硼硅薄膜,温度特性好,与玻璃体键合粘附性极高,不脱落,硼硅薄膜表面溅射金属,反射率高,测量的灵敏度高;本工艺与CMOS工艺兼容,可批量生产,提高器件的灵敏度和线性度,实现微型化、降低生产成本。
附图说明
图1为本发明一种光纤传感探头的结构示意图;
图2为本发明一种光纤传感探头制备方法的流程图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
210、玻璃体,220、硼硅敏感薄膜,230、反射膜,240、真空腔,250、单模光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示,一种光纤传感探头,包括玻璃体210,所述玻璃体210的一侧设置有凹槽,所述凹槽的槽口处设置有硼硅敏感薄膜220;硼硅敏感薄膜的机械灵敏度高,压力测量的分辨率高,最小分辨率达62Pa,高温稳定性更好,可在1000℃以内进行压力测量,且灵敏度达到0.51nw/Kpa,所述硼硅敏感薄膜220与所述玻璃体210之间设置有反射膜230,所述硼硅敏感薄膜220与所述反射膜230一体相连,所述反射膜230密封所述凹槽,在所述玻璃体210内构成真空腔240,反射膜230的反光率高,能有效提升本装置的反射率。所述硼硅敏感薄膜220和所述反射膜230之间设置有阻挡层,所述阻挡层由金属钛制成,提升了硼硅敏感薄膜220和反射膜230的结构强度。所述玻璃体210远离所述硼硅敏感薄膜220的一端固定连接有单模光纤250,单模光纤便于信号传输。
优选的,所述硼硅敏感薄膜220和所述反射膜230的上端设置有保护层,所述保护层由金属金制成,能有效保护硼硅敏感薄膜220和反射膜230,提升硼硅敏感薄膜220和反射膜230的结构强度。
优选的,所述反射膜230为铝反射膜,铝反射膜的反射率高,且成本低,技术成熟,便于加工。
如图2所示,一种光纤传感探头制备方法,包括
对玻璃体210的一侧进行光刻腐蚀得凹槽;
将硼源片正对晶体硅进行硼扩散,对晶体硅的硼扩散面进行磁控溅射反射得到反射膜230,硼源片正对晶体硅进行硼扩散的扩散温度为1100~1250℃,扩散时间为3~5个小时;然后对反射膜230进行光刻,光刻后与玻璃体210凹槽的槽口真空键合,在玻璃体210内构成真空腔240;
对晶体硅远离反射膜230的一面进行自停止腐蚀,通过四甲基氢氧化铵对晶体硅进行自停止腐蚀,腐蚀温度在50℃~80℃,时长为10~18个小时,去除硅衬底,得与反射膜230一体成型的硼硅薄膜220;
将玻璃体210远离硼硅薄膜220的一侧与单模光纤250激光键合,得光纤传感探头。
在上述实施例中,所述硼扩散的温度是一个相对宽泛的范围,在1000~1500℃这个温度范围内都是可行的,温度低,扩散速度慢一些,生产效率相对较低,扩散效果相对较好,温度高,则扩散速度较快,同时产品的不良率有所上升,实践中在整个温度区间产品的成品率还是有保证的。对于腐蚀温度而言,一般50℃~80℃就可以了,当然把上限温度提升到120℃速度也差不多,时间差不多在10个小时以上,高温腐蚀的情况下,时间有望控制在6个小时左右,最长腐蚀时间需要18个小时。
采用高温浓硼扩散自停止腐蚀技术制备的硼硅薄膜,温度特性好,与玻璃体键合粘附性极高,不脱落,硼硅薄膜表面溅射金属,反射率高,测量的灵敏度高;本工艺与CMOS工艺兼容,可批量生产,提高器件的灵敏度和线性度,实现微型化、降低生产成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤传感探头,包括玻璃体(210),所述玻璃体(210)的一侧设置有凹槽,其特征在于:所述凹槽的槽口处设置有硼硅敏感薄膜(220),所述硼硅敏感薄膜(220)与所述玻璃体(210)的槽口之间设置有反射膜(230),所述硼硅敏感薄膜(220)与所述反射膜(230)一体相连组成,所述反射膜(230)密封所述凹槽从而在所述玻璃体(210)内构成真空腔(240),所述玻璃体(210)远离所述硼硅敏感薄膜(220)的一端固定连接有单模光纤(250)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感探头,其特征在于:所述反射膜(230)为铝反射膜。
3.一种光纤传感探头制备方法,其特征在于包括下述步骤:
对玻璃体(210)的一侧进行光刻腐蚀得凹槽;
将硼源片正对晶体硅进行硼扩散,对晶体硅的硼扩散面进行磁控溅射制得反射膜(230);对反射膜(230)进行光刻,光刻后与玻璃体(210)凹槽的槽口真空键合,在玻璃体(210)内构成真空腔(240);硼源片正对晶体硅进行硼扩散的扩散温度为1000~1500℃,扩散时间为2~10个小时;
对晶体硅远离反射膜(230)的一面进行自停止腐蚀,去除硅衬底,得与反射膜(230)一体相连的硼硅薄膜(220);
将玻璃体(210)远离硼硅薄膜(220)的一侧与单模光纤(250)激光键合,得光纤传感探头。
4.根据权利要求3所述的一种光纤传感探头制备方法,其特征在于:所述晶体硅为单晶硅或多晶硅。
5.根据权利要求3或4所述的一种光纤传感探头制备方法,其特征在于:所述自停止腐蚀是通过四甲基氢氧化铵对晶体硅进行自停止腐蚀的,腐蚀温度在50℃~120℃,时间为6~18个小时。
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