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