CN111854813B - 一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法，解决了现有非本征法布里珀罗腔受温度影响的问题，属于光纤传感技术领域。本发明的非本征法布里珀罗腔包括蓝宝石膜片、二氧化硅基座和蓝宝石柱片，蓝宝石膜片位于二氧化硅基座顶部，所述氧化硅基座由二氧化硅侧壁和二氧化硅底座组成；二氧化硅侧壁和二氧化硅底座与蓝宝石膜片构成真空腔，蓝宝石柱片设置在真空腔内，并固定在蓝宝石膜片的底部中心位置。本发明还提供了制作方法。本发明增强了非本征F‑P腔的应用温度范围，降低了成本，又让光在F‑P腔中传输没有较大传输损耗，增加了F‑P腔的使用寿命，适应较宽的温度范围内进行光学信号的温度补偿，大大减小了光学解调部分的工作量。

Description

一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法
技术领域
本发明提供了一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
非本征法布里珀罗(Fabry–Perot,F-P)腔由于其尺寸小，在测量温度、压力、振动、声波等方面灵敏度高，抗电磁干扰性能好，所以近些年来在工程应用上有很大的利用价值。然而非本征的F-P光纤型传感器在测量除了温度以外的物理量时，都要进行温度补偿，校准环境温度所带来的误差信号。
常规的制作的非本征F-P腔是将两个具有良好垂直度的单模光纤的端面插入一个与光纤直径相匹配的毛细管中，来保证F-P的端面同轴并相互垂直。但这种F-P腔由于中间含有热膨胀系数约为3.676×10-3/K的空气，远超于热膨胀系数为0.5×10-6/K的二氧化硅光纤材料，而且空气中除了氧气氮气等气体以外，还含有细菌等杂质，这对F-P腔长时间在室外温度下测量数据稳定性带非常大的影响。
基于上述背景，研发一种对温度不敏感并可以长时间工作在较宽温区下的非本征F-P腔是当前研究的重点，有利于F-P光纤型传感器在日常生产生活中有更广的应用前景，大大延长传感器使用寿命，降低维护成本。
发明内容
针对现有非本征法布里珀罗腔受温度影响的问题，本发明提供一种对温度不敏感并可以长时间工作在较宽温区下的温度自补偿式非本征法布里珀罗腔及制作方法。
本发明的一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔，包括蓝宝石膜片1、二氧化硅基座2和蓝宝石柱片4，蓝宝石膜片1位于二氧化硅基座2顶部，所述氧化硅基座2由二氧化硅侧壁5和二氧化硅底座6组成；二氧化硅侧壁5和二氧化硅底座6与蓝宝石膜片1构成真空腔3，蓝宝石柱片4设置在真空腔3内，并固定在蓝宝石膜片1的底部中心位置。
作为优选，真空腔3的真空度小于5×10-4Pa。
本发明还提供了温度自补偿式非本征法布里珀罗腔的制作方法，包括：
S1、取蓝宝石膜片，蓝宝石膜片的厚度为300μm、规格8×8mm、热膨胀系数为7.5×10-6/K；
S2、在S1的蓝宝石膜片上制作蓝宝石柱片4：蓝宝石柱片4的中心轴线与蓝宝石膜片1的中心重合，利用MEMS湿法刻蚀工艺，将S1的蓝宝石膜片1的下表面四周进行深度刻蚀，在蓝宝石膜片1下表面中心刻蚀出厚度为20～200μm、表面粗糙度为10nm、直径为1mm的蓝宝石柱片4；
S3、对没有与蓝宝石柱片4接触的蓝宝石膜片1下表面用功率为6W、脉冲时间小于190fs、脉冲能量大于1兆焦耳的飞秒激光器使其表面粗糙化，粗糙度为1μm；
S4、利用MEMS湿法刻蚀技术制作二氧化硅基座2的腔体结构，其表面粗糙度小于10nm，二氧化硅基座2的热膨胀系数为0.5×10-6/K；
S5、将二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1相互垂直安置在精度为1μm的步进电机上，利用二氧化碳激光器对蓝宝石膜片1先进行表层融化，融化深度为1nm，然后再对二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1接触的表面进行融化处理，融化深度为1nm，控制步进电机，将两个部件融合在一起，在室温下冷却一个小时，利用二氧化碳激光器在对融合的接口处进行融化，融化深度为2nm，并保持1分钟，使二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1密封在一起。
本发明的工作原理是：本发明的非本征F-P腔在不同温度下，蓝宝石膜片1、蓝宝石柱片4和二氧化硅基座2的尺寸将会略有改变，这就导致光在该F-P腔内的不同反射面进行反射时，光程就会发生改变，从而导致干涉谱线发生变化，然而该F-P腔中的真空腔中空气含量稀薄，所以受热膨胀的主要材料就是蓝宝石和二氧化硅。当温度升高时，真空腔3受热膨胀导致体积增大，二氧化硅侧壁5拉长，并向外侧延展，真空腔3内的蓝宝石柱片4也受热膨胀，导致整个蓝宝石柱片4向真空腔3内伸展，二氧化硅底座6的腔内部分也向内膨胀，从而在一定范围内可以抵消由于温度带来的反射光的光程变化。当温度降低时，真空腔3变小，二氧化硅侧壁5收缩，蓝宝石柱片4和二氧化硅基座2的尺寸也相应减小，这使得本应该增大的反射光的光程由于蓝宝石柱片4的收缩，反而使得反射光的光程不变。从而达到了温度自补偿的效果。所以蓝宝石膜片1和蓝宝石柱片4对于真空腔3的温度补偿具有决定性作用。
本发明的有益效果：本发明增强了非本征F-P腔的应用温度范围。由于蓝宝石材料与二氧化硅材料的混用，既降低了成本，又让光在F-P腔中传输没有较大传输损耗，而且由于蓝宝石的耐腐蚀特性从而增加了该F-P腔的使用寿命，通过调整F-P腔的尺寸结构从而适应较宽的温度范围内进行光学信号的温度补偿，大大减小了光学解调部分的工作量。本发明具有体积小、重量轻、耐高温、敏感度高、耐化学腐蚀，在不同温度范围内对干涉光学信号可以进行温度自补偿，可以应用于测量室外温度到700℃的压力、振动、加速度等物理量。
附图说明
图1是本发明非本征F-P腔结构的整体示意图；
图2是三种厚度的蓝宝石与三种厚度的二氧化硅热膨胀示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔，包括蓝宝石膜片1、二氧化硅基座2、真空腔3和蓝宝石柱片4；二氧化硅基座2由二氧化硅侧壁5和二氧化硅底座6组成，围成腔体，蓝宝石膜片1的底端与二氧化硅基座2的顶端密封在一起，蓝宝石膜片1的底部与二氧化硅基座2构成一个密闭的真空腔3，蓝宝石膜片1的底部带有一段蓝宝石柱片4，蓝宝石柱片4位于真空腔3内，蓝宝石膜片1的底部中心与蓝宝石柱片4的顶部中心重合。
本实施方式的蓝宝石膜片1厚度为100μm，规格8×8mm，热膨胀系数为7.5×10-6/K，对没有跟蓝宝石柱片4接触的蓝宝石膜片1下表面真空腔3壁的一部分用功率为6W、脉冲时间小于190fs、脉冲能量大于1兆焦耳的飞秒激光器使其表面粗糙化，粗糙度为1μm。
本实施方式的二氧化硅基座2的热膨胀系数为0.5×10-6/K。二氧化硅基座2的腔体结构用MEMS湿法刻蚀技术制作而成，其表面粗糙度小于10nm。
在真空腔3内，二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1相互垂直安置在精度为1μm的步进电机上，利用二氧化碳激光器对蓝宝石膜片1先进行表层融化，融化深度为1nm，然后再对二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1接触的表面进行融化处理，融化深度为1nm，利用电脑控制步进电机，将两个部件融合在一起，在室温下冷却一个小时。接下来利用二氧化碳激光器在对融合的接口处在进行进一步融化，融化深度为2nm，并保持1分钟，使二氧化硅基座2与蓝宝石膜片1密封在一起。
本实施方式的真空腔3的真空度小于5×10-4Pa。
本实施方式的蓝宝石柱片4厚度为20～200μm，表面粗糙度为10nm，直径1mm，蓝宝石柱片4的中心轴线与蓝宝石膜片1的中心重合，在厚度为300μm蓝宝石膜片的下表面利用MEMS湿法刻蚀工艺，将蓝宝石膜片的下表面四周进行特定的深度刻蚀，从而形成厚度为100μm的蓝宝石膜片1和蓝宝石柱片4的结构。
图2中展示的是利用Comsol软件，模拟的以室温为基准温度点，不同温度下70、140、280μm厚度的二氧化硅和5、10、20μm厚度的蓝宝石的热膨胀位移变化量关系图，从图2中可以看出，当温度在低于700摄氏度的时候，蓝宝石的温度膨胀位移量小于二氧化硅，用于设计蓝宝石膜片和二氧化硅基座的尺寸，以便于非本征的F-P腔可以在不同的温度范围或不同温度点进行温度自补偿。
本实施方式的非本征F-P腔的制作过程都在千级的超净间中进行制作，环境温度恒定25摄氏度，相对湿度为40％RH。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.一种温度自补偿式非本征法布里珀罗腔的制作方法，包括蓝宝石膜片(1)、二氧化硅基座(2)和蓝宝石柱片(4)，蓝宝石膜片(1)位于二氧化硅基座(2)顶部，所述二氧化硅基座(2)由二氧化硅侧壁(5)和二氧化硅底座(6)组成；二氧化硅侧壁(5)和二氧化硅底座(6)与蓝宝石膜片(1)构成真空腔(3)，蓝宝石柱片(4)设置在真空腔(3)内，并固定在蓝宝石膜片(1)的底部中心位置；
其特征在于，制作方法包括：
S1、取蓝宝石膜片，蓝宝石膜片的厚度为300μm、规格8×8mm、热膨胀系数为7.5×10-6/K；
S2、在S1的蓝宝石膜片上制作蓝宝石柱片(4)：蓝宝石柱片(4)的中心轴线与蓝宝石膜片(1)的中心重合，利用MEMS湿法刻蚀工艺，将S1的蓝宝石膜片的下表面四周进行深度刻蚀，在蓝宝石膜片(1)下表面中心刻蚀出厚度为20～200μm、表面粗糙度为10nm、直径为1mm的蓝宝石柱片(4)；
S3、对没有与蓝宝石柱片(4)接触的蓝宝石膜片(1)下表面用功率为6W、脉冲时间小于190fs、脉冲能量大于1兆焦耳的飞秒激光器使其表面粗糙化，粗糙度为1μm；
S4、利用MEMS湿法刻蚀技术制作二氧化硅基座(2)的腔体结构，其表面粗糙度小于10nm，二氧化硅基座(2)的热膨胀系数为0.5×10-6/K；
S5、将二氧化硅基座(2)与蓝宝石膜片(1)相互垂直安置在精度为1μm的步进电机上，利用二氧化碳激光器对蓝宝石膜片(1)先进行表层融化，融化深度为1nm，然后再对二氧化硅基座(2)与蓝宝石膜片(1)接触的表面进行融化处理，融化深度为1nm，控制步进电机，将两个部件融合在一起，在室温下冷却一个小时，利用二氧化碳激光器对融合的接口处在进行融化，融化深度为2nm，并保持1分钟，使二氧化硅基座(2)与蓝宝石膜片(1)密封在一起。
2.根据权利要求1所述的温度自补偿式非本征法布里珀罗腔的制作方法，其特征在于，真空腔(3)的真空度小于5×10-4Pa。
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