CN114279551B - 一种基于mems工艺的光纤声压传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法，属于光纤传感器技术领域。本发明解决了现有光纤声压传感器由于初始腔长相位差不准确，进而导致传感器解调效果不好的问题。本发明传感器包括两个光纤组件和夹层结构，夹层结构为SOI‑空气‑硅的夹层结构，具体的支撑结构层为框架结构与第二Si基层形成第一方形槽，SiO2层和第一Si层上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层构成第二方形槽，两个方形槽连通在夹层结构内形成密封腔。两个方形槽的存在使传感器具有两个长度不等的F‑P腔，继而使两路干涉信号相位差保持恒定，从而获得两路正交信号，后续结合双F‑P腔正交测量法，实现对声压信号的精准测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法，属于光纤传感器技术领域。
背景技术
光纤声压传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、质量轻等优势，广泛地应用于航天、工业、军事等领域。光纤声压传感器种类繁多，其中Fabry-Perot干涉式传感器分辨率高、性能优异，已成为目前最有前景的一种光纤声压传感器。MEMS技术具有成本低、功耗低、高性能和集成化等优点，为膜片式压力传感器的制造提供了技术支持。随着光纤传感技术与MEMS技术的不断发展，将两者结合制作光纤MEMS传感器成为一大研究热点。
典型的非本征法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI)可以利用光纤端面与敏感薄膜构成，由于其在静态或动态压力应用中具有良好传感性能而备受关注。这类传感器结构可以有效测量如声音、振动这种动态信号。其特点是，利用强度解调检测膜片振动时造成的腔长变化来检测振动大小，具有结构简单、灵敏度高等优势。
为了进一步提高传感器的灵敏度，声压传感器的敏感结构也尝试了各种材料和各种振动结构形式。丁文慧等人采用金属延展性较好的镍金属作为声波敏感结构,制备得到的传感器表现出灵敏度高、信噪比大和线性声压响应度良好等优点。第十三研究所采用与MEMS工艺兼容的氧化硅薄膜作为敏感材料,并使用MEMS圆片级集成技术成功制备出传感器的核心敏感结构,但该种结构解调时采用正交工作点法，导致光纤声压传感器频率响应性能较差；另一方面该种结构对F-P腔的初始腔长及腔长稳定性具有较高要求，一般采用五轴精密位移台配合光谱分析仪进行封装过程中的F-P腔腔长检测，但五轴位移台的位移分辨率一般为50纳米，导致加工得到的F-P腔腔长一致性较差，不利于光纤F-P腔声压传感器的大规模生产。
发明内容
本发明为了解决上述现有光纤声压传感器由于初始腔长相位差不准确，进而导致传感器解调效果不好的技术问题，提供一种可以精确控制初始腔长并保证腔长一致性的基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，该传感器包括两个光纤组件和夹层结构，所述的夹层结构依次由SOI衬底层3、SiO2层4、第一Si基层5、支撑结构层6和第二Si基层7组成，所述的支撑结构层6为框架结构与第二Si基层7形成第一方形槽8，所述的SiO2层4和第一Si层5上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9，第一方形槽8和第二方形槽9连通在夹层结构内形成密封腔；所述的两个光纤组件连接在SOI衬底层3上，且其中一个光纤组件安装在与第二方形槽9位置对应的SOI衬底层3上。
进一步限定，SiO2层4和第一Si基层5的厚度和为200μm。
进一步限定，光纤组件由剥去表面涂层的单模光纤1和毛细玻璃管2组成，所述的单模光纤1插装在毛细玻璃管2内。
更进一步限定，毛细玻璃管2的直径为1.8mm。
进一步限定，支撑结构层6为Si材质。
上述基于MEMS工艺的光纤声压传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在洁净的第一Si基层5的表面生长一层SiO2层4；
步骤2，将SOI衬底层3和生长有SiO2层4的第一Si基层5使用环氧树脂AB胶粘合，并采用刻蚀技术在第一Si基层5和SiO2层4上形成方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9；
步骤3，使用环氧树脂AB胶将支撑结构层6粘合在第一Si基层5上，最后使用环氧树脂AB胶将第二Si基层7粘合在支撑结构层6上，获得具有密封腔结构的夹层结构；
步骤4，将单模光纤剥去表面涂层后插入毛细玻璃管2内，得到光纤组件，并在夹层结构的SOI衬底层3上安装两个光纤组件，其中一个光纤组件安装在与第二方形槽9位置对应的SOI衬底层3上。
进一步限定，步骤1中采用热生长的方式生长SiO2层4。
进一步限定，支撑结构层6是通过ICP深刻蚀结合硅-硅键合工艺加工得到的。
本发明有益效果：
本发明采用适应于表面贴合安装的SOI-空气-硅的夹层结构，通过控制膜片之间的间距产生固定的腔长差，精确控制初始腔长并保证腔长一致性，使两路干涉信号相位差保持恒定，从而获得两路正交信号，后续结合双F-P腔正交测量法，实现对声压信号的测量。并且本发明提供的光纤声压传感器膜片平面与传输光纤相平行，保证结构适应于表面贴合安装。此外，本发明还具有尺寸小、结构紧凑、制作成本较低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中1-单模光纤，2-毛细玻璃管，3-SOI衬底层，4-SiO2层，5-第一Si基层，6-支撑结构层，7-第二Si基层，8-第一方形槽，9-第二方形槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
本实施例以Si作为支撑结构层6的材质，采用硅-硅高温键合制备基于MEMS工艺的光纤声压传感器，如图1所示，该传感器包括两个光纤组件和夹层结构，具体的夹层结构依次由SOI衬底层3、SiO2层4、第一Si基层5、支撑结构层6和第二Si基层7组成，支撑结构层6为框架结构与第二Si基层7形成第一方形槽8，SiO2层4和第一Si层5上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9，SiO2层4和第一Si层5上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9，两个剥去表面涂层的单模光纤1分别插入到直径为1.8mm的毛细玻璃管后与SOI衬底层3通过环氧树脂AB胶完全贴合，其中一个光纤组件贴合在与第二方形槽9位置对应的SOI衬底层3上。如此设置，使得光纤声压传感器的夹层结构为SOI-空气-硅的夹层结构，SOI衬底层3通过支撑结构层6和第二Si基层7连接，之间留有长度(不等的空气腔设定图1中自左向右的方向为长度方向)，以保证两路干涉信号相位差恒定，获得两路正交信号，解决了现有光纤声压传感器由于初始腔长相位差不准确的问题。
SiO2层4和第一Si基层5的厚度和为200μm。如此设置，使光纤声压传感器具有两个长度不等的F-P腔(一个为第二方形槽9构成的腔室，另一个为第一方形槽8加第二方形槽9构成的腔室)，当第二Si基层7在声压作用下发生振动时，两个F-P腔的腔长受到相同的调制，生成两路具有恒定相位差的干涉信号，利用相同波长的激光同时入射两个F-P腔，然后通过直流补偿技术并结合信号校准算法生成两个正交信号，最后利用DCM算法提取动态信号，得到精准的压力值。
本实施例获得的光纤声压传感器可以保证两个F-P腔的初始相位差恒定，整个系统只需要一个固定波长的激光器，系统的成本大大降低。
本实施例的光纤声压传感器的制备方法如下：
步骤1，在洁净的第一Si基层5的表面生长一层SiO2层4；
步骤2，将SOI衬底层3和生长有SiO2层4的第一Si基层5使用环氧树脂AB胶粘合，并采用刻蚀技术在第一Si基层5和SiO2层4上形成方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9；
步骤3，使用环氧树脂AB胶将支撑结构层6粘合在第一Si基层5上，最后使用环氧树脂AB胶将第二Si基层7粘合在支撑结构层6上，获得具有密封腔结构的夹层结构；
步骤4，将单模光纤剥去表面涂层后插入毛细玻璃管2内，得到光纤组件，并在夹层结构的SOI衬底层3上安装两个光纤组件，其中一个光纤组件安装在与第二方形槽9位置对应的SOI衬底层3上。
其中SiO2层4采用热生长的方式获得，这是由于热生长SiO2层的表面粗糙度非常小，表面很均匀、平整，有利于后续键合。支撑结构层6是通过ICP深刻蚀结合硅-硅键合工艺加工得到的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，鉴于本发明所属领域的技术人员可以对上述实施方式进行适当的变更和修改，因此，本发明并不局限于上面所述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，其特征在于，包括两个光纤组件和夹层结构，所述的夹层结构依次由SOI衬底层（3）、SiO2层（4）、第一Si基层（5）、支撑结构层（6）和第二Si基层（7）组成，所述的支撑结构层（6）为框架结构与第二Si基层（7）形成第一方形槽（8），所述的SiO2层（4）和第一Si基层（5）上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层（3）构成第二方形槽（9），且第一方形槽（8）和第二方形槽（9）连通在夹层结构内形成密封腔；所述的两个光纤组件连接在SOI衬底层（3）上，且其中一个光纤组件安装在与第二方形槽（9）位置对应的SOI衬底层（3）上；使光纤声压传感器具有两个长度不等的F-P腔，一个为第二方形槽（9）构成的腔室，另一个为第一方形槽（8）加第二方形槽（9）构成的腔室；
所述的光纤组件由剥去表面涂层的单模光纤（1）和毛细玻璃管（2）组成，所述的单模光纤（1）插装在毛细玻璃管（2）内。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，其特征在于，所述的SiO2层（4）和第一Si基层（5）的厚度和为200μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，其特征在于，所述的毛细玻璃管（2）的直径为1.8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，其特征在于，所述的支撑结构层（6）为硅基材料。
5.一种权利要求1所述的基于MEMS工艺的光纤声压传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在洁净的第一Si基层（5）的表面生长一层SiO2层（4）；
步骤2，将SOI衬底层（3）和生长有SiO2层（4）的第一Si基层（5）使用环氧树脂AB胶粘合，并采用刻蚀技术在第一Si基层（5）和SiO2层（4）上形成方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层（3）构成第二方形槽（9）；
步骤3，使用环氧树脂AB胶将支撑结构层（6）粘合在第一Si基层（5）上，最后使用环氧树脂AB胶将第二Si基层（7）粘合在支撑结构层（6）上，获得具有密封腔结构的夹层结构；
步骤4，将单模光纤剥去表面涂层后插入毛细玻璃管（2）内，得到光纤组件，并在夹层结构的SOI衬底层（3）上安装两个光纤组件，其中一个光纤组件安装在与第二方形槽（9）位置对应的SOI衬底层（3）上。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS工艺的光纤声压传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中采用热生长的方式生长SiO2层（4）。
7.根据权利要求5所述的基于MEMS工艺的光纤声压传感器的制备方法，其特征在于，所述的支撑结构层（6）是通过ICP深刻蚀结合硅-硅键合工艺加工得到的。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |