CN1283983C - 光纤微电子机械系统压力传感器及其复用装置 - Google Patents

Abstract

光纤微电子机械系统压力传感器及其复用装置主要用于绝对、相对压力的测量，所述传感器中端面抛光的光纤(13)的抛光端面与硼硅玻璃衬底(12)相接，其连接面的外端由光固化环氧树脂(16)连接；在硼硅玻璃衬底上为单晶硅膜(14)，在单晶硅膜中央的下部与硼硅玻璃衬底之间设有一个空腔即：法布里—珀罗腔(15)。其复用结构宽带光源(1)和可调谐滤波器控制器(4)与控制可调谐滤波器(2)相接，可调谐滤波器的输出端与阵列波导光栅(3)相接，阵列波导光栅的输出端通过光纤适配器(5)、光单向隔离器(7)、光纤耦合器(6)分别接光电探测器、传感器，通过检测传感器的法布里—珀罗腔的腔长的变化测量单晶硅膜受到的压力大小。

Description

光纤微电子机械系统压力传感器及其复用装置

                          技术领域

本发明涉及一种测量压力的传感器复用系统，主要用于绝对、相对压力的测量，尤其是运用双波长腔长解调原理及复用技术测量多点压力，实现分布式压力测量。

                          背景技术

随着微电子技术和硅基的微型传感器的不断发展，压力传感器已经迅速的朝着微型化、高性能化和适于大批量生产的方向发展。光纤传感技术的不断发展又使得光复用技术与光纤传感技术有机地结合，实现了对于物理量的分布测量。

图3是目前通常采用的光纤MEMS压力传感器的简要结构说明图。由JieZhou等发表于Opt.Eng.40(4)598-604(April 2001)“Optically interrogatedMEMS pressure sensors for propulsion applications”。14是单晶硅膜，12是硼硅玻璃衬底，15是硅膜与硼硅玻璃通过阳极键合工艺形成法布里—珀罗光干涉腔，通过环氧树脂16，光纤13与玻璃紧密粘合在一起。

在上述结构当中，法布里—珀罗光干涉腔是采用以下工艺实现的。首先将硼硅玻璃光刻制作好图案；然后用BOE腐蚀液对未使用光刻胶掩蔽的硼硅玻璃进行腐蚀，腐蚀得到所需厚度的空腔；最后运用阳极键合工艺将硼硅玻璃与硅片紧密键合在一起，制作法布里—珀罗光干涉腔。

然而在这样的装置当中，由于硼硅玻璃的定量腐蚀的难度大，玻璃与硅片两个的对准不容易实现等缺点，使得光纤MEMS(微电子机械系统)压力传感器的制作难度加大，不太容易实现产业化和批量生产。

图4是Jie Zhou在上述文章中所使用的光纤MEMS压力传感器法布里—珀罗腔腔长解调系统的结构示意图。51是发光二级管(LED)，52是一个2×2耦合器，53是传感器探头，54、56、57、58是光电探测器，55-1、55-2是带通滤波器，61是数据采集卡。

在上述解调系统中，法布里—珀罗腔腔长的解调是通过如下方法实现的。首先LED发出的光，经过一个2×2耦合器，一部分光进入传感器探头，形成多光束干涉；另外一部分光通过一个2×2耦合器(50∶50)，进入光电探测器57和带有带通滤波器55-2的光电探测器58，信号V_L1和V_L2被数据采集卡(61)采集，并通过计算机软件处理，这一路信号用于监测光源LED的稳定性。传感器探头反射出来的光，由光电探测器54和带有带通滤波器55-1的56探测，探测得到的信号V_S1和V_S2被数据采集卡(61)采集，信号V_S1和V_S2的比率就是传感器探头的反射率；当压力敏感膜受到压力时，传感器探头反射光的频谱产生偏移，V_S1和V_S2的比率产生变化，通过检测比率的变化测量传感器探头受到的压力大小。

以上例子采用LED作为光源，而LED光源随着温度变化会产生漂移，因此传感器输出量的灵敏度受到影响。而且这种腔长解调方法很难与复用技术相结合组成分布测量网络，只能对单点压力测量，无法实现分布式压力测量。

                          发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺点，提供一种光纤微电子机械系统压力传感器及其复用装置，以获得一种完全新颖的光纤MEMS压力传感器及其信号解调复用系统。

技术方案：本发明的传感器探头，运用MEMS微细加工工艺制作而成的单晶硅膜作为压力敏感膜，并且通过阳极键合工艺将刻蚀的浅薄圆柱形槽体硅片与硼硅玻璃衬底紧密键合在一起，形成法布里—珀罗腔，通过检测法布里—珀罗腔腔长L的变化测量单晶硅膜受到的压力大小；光纤MEMS压力传感器信号解调及复用系统，采用宽带光源、可调谐滤波器、可调谐滤波器控制器以及阵列波导光栅实现的，然后再与阵列波导光栅结合，将不同波长的光分配到相应的输出信道，再运用双波长法解调出各个法布里—珀罗腔腔长的变化，而腔长的变化量一一对应压力敏感膜受到的压力值，从而可实现分布压力的测量。

所述传感器包括：硼硅玻璃衬底、端面抛光的光纤、单晶硅膜、法布里—珀罗腔、光固化环氧树脂；其中端面抛光的光纤的抛光端面与硼硅玻璃衬底相接，其连接面的外端由光固化环氧树脂连接；在硼硅玻璃衬底上为单晶硅膜，在单晶硅膜中央的下部与硼硅玻璃衬底之间设有一个空腔即：法布里—珀罗腔，在单晶硅膜中央的上部设有一个截面形状为梯形的凹坑。

光纤微电子机械系统压力传感器的复用装置包括宽带光源、控制可调谐滤波器、阵列波导光栅、可调谐滤波器控制器、光纤适配器、光纤耦合器、光单向隔离器、光电探测器、传感器；宽带光源和可调谐滤波器控制器与控制可调谐滤波器相接，可调谐滤波器的输出端与阵列波导光栅相接，阵列波导光栅的输出端通过光纤适配器、光单向隔离器、光纤耦合器分别接光电探测器、传感器，通过检测传感器的法布里—珀罗腔的腔长L的变化测量单晶硅膜受到的压力大小。

所述宽带光源为放大自发辐射ASE(放大自发辐射)稳定化光源或SLED(超辐射发光二极管)光源。该复用装置中可调谐滤波器波长调谐范围是1520nm-1620nm，AWG(阵列波导光栅)有40个通道。

本发明的传感器结合了运用MEMS微细加工工艺制作的传感器探头和用于光纤法布里—珀罗传感器腔长的双波长解调及复用系统。

本发明的基础在于运用MEMS微细加工工艺制作得到核心元件即法布里—珀罗干涉腔；结合双波长解调方法和复用技术，通过测量硅横膈膜受到压力产生形变导致的法布里—珀罗腔腔长的变化来检测多个传感器受到的压力，实现分布式压力测量。

本发明中光纤法布里—珀罗传感器腔长的双波长解调及复用系统的核心技术在于将宽带光源与可调谐滤波器及其控制器有效的结合取代价格昂贵的可调谐激光器，并且运用阵列波导光栅AWG将一定波长的光波分配给每一个光纤传感信道，有效地利用双波长腔长解调方法以及波分/时分复用技术对多点压力进行测量，实现分布式压力测量。

所述腔长解调及复用系统利用的是双波长解调方法，其包括：

宽带光源；按照指定输出方式输出波长可调谐光的可调谐滤波器；可调谐滤波器控制器控制可调谐滤波器输出波长的输出方式；为了防止传感器中反射回来的光反射进光源，影响传感器系统的精度和稳定性，光路中使用了光单向隔离器阻止经由2×2(50∶50)光纤耦合器(6)反射回来的光进入AWG；

在时刻1，波长λ₁的光经通道(a)一部分光耦合进光电探测器(8-1)，另外一部分光耦合进光纤MEMS压力传感器探头，并且反射回来，利用光电探测器(8-2)检测其光强信号，得到波长为λ₁的光的反射率R(λ₁)；在时刻2，按照同样的方法得到波长为λ₂的光的反射率R(λ₂)，接下来运用双波长法腔长检测原理就可以得到传感器(9-2)腔长的变化；

运用上述相同的方法就可以检测得到其它传感器(如实施例中传感器(9-1))的腔长变化，实现分布式压力测量。

可调谐光源是通过放大自发辐射ASE光源、可调谐滤波器和可调谐滤波器控制器实现的，然后再与阵列波导光栅结合，将不同波长的光分配到相应的输出信道。可调谐滤波器是基于法布里—珀罗腔结构的可调谐光滤波器；可调谐滤波器控制器采用的是非对称式压电陶瓷驱动电源。

传感器探头采用单晶硅膜作为压力敏感膜，采用硅基MEMS微细加工工艺制成，可以实现批量化生产。该传感器中可调谐滤波器波长调谐范围是1520nm-1620nm，AWG有40个通道。

有益效果：本发明的传感器是以光作为传感媒质，具有抗电磁干扰，防止爆炸的优良特性。

本发明的传感器具有极高的灵敏度和线性度，传感器探头采用反应离子刻蚀与深腐蚀相结合的工艺得到的单晶硅薄膜作为压力敏感魔，避免了外延形成硅膜具有的残余应力不稳定性，使得传感器具有稳定的，高精度的压力测量性能。

本发明的传感器的法布里—珀罗腔腔长解调系统采用的是双波长解调方法，可以有效的减小传感系统中光源的光强波动、传感光路的扰动、探测器的漂移、光纤传输损耗和器件放大倍数的变化等因素带来的误差。

本发明的传感器将稳定化宽带光源与可调谐滤波器及其控制器有效的结合取代价格昂贵的可调谐激光器。而且检测光路简单，极大的降低了传感器系统的成本，增加了实现实用化、产业化的可能性。

本发明的传感器解调与复用系统，可调谐滤波器采用法布里—珀罗腔结构，具有滤波精度高，滤波谱形更灵活，速度更快，尺寸更小的特点。而且采用压电陶瓷晶体调节法布里—珀罗腔腔长，可获得极高的分辨率。

本发明的传感器解调与复用系统，可调谐滤波器控制器中压电陶瓷晶体采用非对称式驱动电源，有效地解决了单电源时的低电压输出饱和失真的缺陷，也避免了使用对称双电源时的对器件要求高和电源供给效率低的问题，具有电路简单，线性度好，重复性好，成本低等优点。

本发明的传感器系统可以利用复用技术组成分布压力测量网络。可调谐滤波器可以运用其控制器按照一定的时序输出一定波长的光，这样就可以利用复用技术同时测量多点的压力值，得到环境中压力的分布。

本发明的传感器系统采用阵列波导光栅代替光纤阵列作为光分波器，极大的缩小体积以及更加有效地利用复用技术实现分布压力的测量，而且随着阵列波导光栅技术的不断发展，更多信道数的阵列波导光栅不断的走向实用化，从而利用阵列波导光栅可以实现更多压力点的分布测量。

本发明的传感器，由于恰当地使用单向光隔离器，有效地消除了某一波道中的信号耦合到另一个波道的信号量的串扰。

因此，本发明的传感器，可以实现运用MEMS微细加工工艺得到的传感器探头结合光纤法布里—珀罗传感器腔长的双波长解调及复用系统，制作得到精度高，灵敏度高，可靠性好并且可用于测量分布压力的光纤MEMS压力传感器。

                        附图说明

下面结合实施例的附图详细说明本发明。

图1是本发明中光纤MEMS绝对压力传感器的装置示意图。在图中有：硼硅玻璃衬底12，将端面抛光的光纤13单晶硅膜14，法布里—珀罗腔15，光固化环氧树脂16，腔长L，压力P。

图2是本发明中光纤MEMS压力传感器复用装置示意图。在图中有：宽带光源1、控制可调谐滤波器2、阵列波导光栅3、可调谐滤波器控制器4、光纤适配器5、光纤耦合器6、光单向隔离器7、光电探测器8-1、8-2、传感器9-1、9-2。

图3是美国辛辛那提大学制作的光纤MEMS绝对压力传感器结构示意图。

图4是美国辛辛那提大学制作的光纤MEMS绝对压力传感器复用结构示意图。

图5是本发明中可调谐滤波器的示意图。

图6是本发明中可调谐滤波器压电陶瓷晶体微位移驱动电源的示意图。

图7是运用双波长解调方法得到的腔长与相应比值的关系示意图。

                       具体实施方式

由于硼硅玻璃12与单晶硅膜14是通过真空阳极键合工艺键合在一起的，因此法布里—珀罗腔的内部气压近似等于真空阳极键合室内的环境气压，因此可作为绝对压力传感器的参考压力。

波长λ的光通过光纤耦合进法布里—珀罗腔，光在硼硅玻璃的上表面与单晶硅膜的下表面来回反射形成多光束干涉，当单晶硅膜14受到压力时，将发生弯曲从而使得法布里—珀罗腔腔长L变为L′，根据法布里—珀罗腔多光束干涉原理，对于波长为λ的光，其干涉光强将发生变化，从而导致波长λ光的反射率发生变化，在接下来的光纤法布里—珀罗传感器腔长的双波长解调及复用系统中利用不同波长光的反射率变化结合双波长解调方法得到因压力引起的法布里—珀罗腔腔长的变化ΔL(ΔL＝L′-L)。该传感器包括：硼硅玻璃衬底12、端面抛光的光纤13、单晶硅膜14、法布里—珀罗腔、光固化环氧树脂16；其中端面抛光的光纤的抛光端面与硼硅玻璃衬底相接，其连接面的外端由光固化环氧树脂连接；在硼硅玻璃衬底上为单晶硅膜，在单晶硅膜中央的下部与硼硅玻璃衬底之间设有一个空腔即：法布里—珀罗腔15，在单晶硅膜中央的上部设有一个截面形状为梯形的凹坑。

光纤微电子机械系统压力传感器的复用装置包括宽带光源1、控制可调谐滤波器2、阵列波导光栅3、可调谐滤波器控制器4、光纤适配器5、光纤耦合器6、光单向隔离器7、光电探测器8-1、8-2、传感器9-1、9-2；宽带光源和可调谐滤波器控制器与可调谐滤波器相接，可调谐滤波器的输出端与阵列波导光栅相接，阵列波导光栅的输出端通过光纤适配器、光单向隔离器、光纤耦合器分别接光电探测器、传感器，通过检测传感器的法布里—珀罗腔的腔长L的变化测量单晶硅膜受到的压力大小。所述宽带光源为放大自发辐射ASE(放大自发辐射)稳定化光源或SLED(超辐射发光二极管)光源。该复用结构中可调谐滤波器波长调谐范围是1520nm-1620nm，AWG(阵列波导光栅)有40个通道。

在图2中，如果不使用光隔离器，则从信道a中输出的光经由传感器探头反射后，重新耦合进信道a、b，这样返回光对阵列波导光栅的输出光产生干扰，使得在光纤MEMS压力传感器复用系统中产生串扰，极大的影响了传感器复用的灵敏度和分布压力的测量精度，因此光路中使用了光单向隔离器7阻止经由2×2(50∶50)光纤耦合器6反射回来的光进入阵列波导光栅，有效地避免了光信号之间的串扰。宽带光源工作在C+L波段(1525nm-1610nm)，长时间提供稳定化光源，光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器，通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定。

为了有效的利用宽带光源，可调谐滤波器的工作波长范围也选择为(1520nm-1620nm)，可调谐滤波器的控制器采用压电陶瓷晶体调节控制器内置的法布里—珀罗腔腔长，控制可调谐滤波器的输出波长，可获得理论上几乎无限制的分辨率。

根据市场上现有的性价比最优以及压力传感器压力分布测量点数的实际需求，选择40个信道的阵列波导光栅，可以实现20个分布压力的测量。

本发明中法布里—珀罗腔腔长的变化是采用双波长法进行解调的，R(λ₁)和R(λ₂)分别是波长λ₁和λ₂光在传感器探头中的反射率，此时R(λ₁)和R(λ₂)中包含有光源的光强波动、传感光路的扰动、探测器的漂移、光纤传输损耗和器件放大倍数的变化等因素带来的误差。而双波长法是将R(λ₁)与R(λ₁)、R(λ₂)和的比值(如式1所示)作为法布里—珀罗腔腔长的检测信号，有效地避免了上述误差。

$I(h,\mathrm{\λ})=\frac{R\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{R\left({\mathrm{\λ}}_1\right)+R\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(1\right)$

具体的复用技术为利用阵列波导光栅稳定的波长分配技术，可以利用两个信道实时测量一个传感器法布里—珀罗腔腔长的变化，从而可以高精度地测量各个传感器所在点的压力值，实现分布式压力测量。

在图5中，两段光纤端面镀有高反膜，两个端面之间形成法布里—珀罗腔，通过控制压电陶瓷晶体的位移量来控制法布里—珀罗腔腔长，从而控制输出一定波长的光，实现可调谐滤波的功能。

图6是非对称式压电陶瓷晶体驱动电源，控制可调谐滤波器。在图中Vi是由信号源输出的0～5V控制信号，T1和T2组成差动放大电路，为保证差动放大电路的对称性，2只管子的参数要尽量一致，T3、R5、R6、D1、D2构成恒流源，恒流2mA。静态时输出为0V，T5、R9、D1、D2构成恒流源，恒流为2.5mA。D3、D4、D5实现电压平移，完成电压放大。T6～T9为功率输出，输出最大不失真电压范围是-7～+220V，R7和R4是电压深度负反馈网络，选择适当阻值的精密电阻，使得当输入信号在0～+5V之间变化时，输出在0～+200V之间变化。T10、T11、T12、T13起到过流保护的作用。经过实验验证该驱动电源线性度误差小于0.2％，频率响应可达到1.5kHz以上，而且在输出低电压的时候没有出现饱和失真，可以较好地实现对可调谐滤波器输出波长的控制。

在图7中是运用双波长法得到的I(h，λ)与法布里—珀罗腔腔长L的变化曲线，具有良好的线性度和灵敏度。

作为本发明的实验例，可得到直径600微米、厚度20微米的单晶硅圆膜，选用40个通道阵列波导光栅，宽带光源工作在[1525，1610]nm范围之内，可以实现20个点的分布压力测量，压力测量范围为[0，2.5]Mpa。

因此，如果借助本发明，可以运用MEMS加工工艺制作得到精度、灵敏度良好，可靠性高、抗电磁干扰，可测量分布压力的光纤MEMS压力传感器及其复用系统。

Claims (4)

1、一种光纤微电子机械系统压力传感器，其特征在于所述传感器包括：硼硅玻璃衬底(12)、端面抛光的光纤(13)、单晶硅膜(14)、法布里—珀罗腔(15)、光固化环氧树脂(16)；其中端面抛光的光纤(13)的抛光端面与硼硅玻璃衬底(12)相接，其连接面的外端由光固化环氧树脂(16)连接；在硼硅玻璃衬底(12)上为单晶硅膜(14)，在单晶硅膜(14)中央的下部与硼硅玻璃衬底(12)之间设有一个空腔即：法布里—珀罗腔(15)，在单晶硅膜(14)中央的上部设有一个截面形状为梯形的凹坑。

2、一种如权利要求1所述的光纤微电子机械系统压力传感器的复用装置，其特征在于该装置包括宽带光源(1)、控制可调谐滤波器(2)、阵列波导光栅(3)、可调谐滤波器控制器(4)、光纤适配器(5)、光纤耦合器(6)、光单向隔离器(7)、光电探测器(8-1、8-2)、传感器(9-1、9-2)；宽带光源(1)和可调谐滤波器控制器(4)与控制可调谐滤波器(2)相接，可调谐滤波器(2)的输出端与阵列波导光栅(3)相接，阵列波导光栅(3)的输出端通过光纤适配器(5)、光单向隔离器(7)、光纤耦合器(6)分别接光电探测器(8-1、8-2)、传感器(9-1、9-2)，通过检测传感器的法布里—珀罗腔(15)的腔长(L)的变化测量单晶硅膜(14)受到的压力大小。

3、如权利要求2所述的光纤微电子机械系统压力传感器的复用装置，其特征在于：所述宽带光源(1)为放大自发辐射光源或超辐射发光二极管。

4、如权利要求2所述的光纤微电子机械系统压力传感器的复用装置，其特征在于：该复用装置中可调谐滤波器(2)波长调谐范围是1520nm-1620nm，阵列波导光栅有40个通道。

Images