CN209802548U - 用于fp腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，属于压力传感器技术领域。本实用新型的FP腔光纤压力传感器包括毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜，单模光纤从毛细玻璃管的一环形端面插入，另一个环形端面与将其覆盖的镀层式双层敏感膜固连，单模光纤和镀层式双层敏感膜之间形成一空气腔作为FP腔体；镀层式双层敏感膜包括软膜和镀在软膜外表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。本实用新型将弹性模量较大且反射率大的金属硬膜镀在弹性模量小的软膜外表面，形成一外镀双层结构敏感膜，同时具有很好的形变能力和反射率。

Description

用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜

技术领域

本实用新型涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜。

背景技术

光纤传感器可用于压力、应变、位移、温度、湿度、电流、磁场等众多物理量的测量，基于FP腔的光纤压力传感器具有高可靠性、高灵敏度、耐恶劣环境、抗电磁干扰等特点，在航空航天、桥梁建筑、高温油井、声口内探测和生物医疗等领域得到了广泛应用。非本征膜片式FP光纤压力传感器相较于传统FP光纤压力传感器具有更高的灵敏度、更强的抗干扰能力，在构件健康监测、医学超声波检测、生物体内探测等需要高精度测量的方面具有极大的应用潜力。

非本征膜片式FP光纤传感器大多是由切割得到的光纤端面和敏感膜片构成FP腔的两个反射镜，薄膜在外力作用下发生振动，从而导致FP腔的干涉情况发生变化，通过检测干涉变化可以得到外界压力的变化。因此，敏感膜片的设计和加工对传感器的整体性能指标有重要影响。

基于不同材料制成不同结构的敏感膜的FP腔光纤传感器已经被多次报导：例如，(1)Dai等人使用单层石墨烯薄膜作为敏感膜，结合套着毛细管的单模光纤构成FP腔，进而制成FP腔光纤传感器；其中使用单层石墨烯薄膜制成的敏感膜弹性模量低，但是折射率低、成本较高且容易损坏。(2)Majun等人使用多层石墨烯作为敏感膜，用多层石墨烯制成的敏感膜在0.2-22Khz间有高响应，同时随着石墨烯厚度增大，敏感膜的折射率提高但是其弹性模量增大。(3)使用光子晶体反射镜作为敏感膜，在10-50Khz间有高响应，光子晶体反射镜制成的敏感膜具有高反射率和高弹性模量的特点。

现有的敏感膜只具有高反射率或低弹性模量中的单一特点，不能满足实际FP腔光纤压力传感器的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，敏感膜为在弹性模量小的软膜外表面上镀上一层高反射率的金属硬膜，同时具有弹性模小和高反射率的特点。

本实用新型提供了一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，该FP腔光纤压力传感器由毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜组成，其中单模光纤从毛细玻璃管的一环形端面插入，毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的镀层式双层敏感膜固连，单模光纤和镀层式双层敏感膜之间形成一空气腔作为FP腔体，毛细玻璃管环形端面的内径和单模光纤的直径相等；单模光纤的横截面中心和敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，单模光纤的纤芯横截面和敏感膜作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。

本实用新型中的镀层式双层敏感膜包括软膜和镀在软膜外表面的金属硬膜，两者形成倒T形结构，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。

进一步的，所述软膜为表面平整光洁的橡胶模或硅胶膜，软膜优选由PDMS制成。

进一步的，金属硬膜由金或银制成。

进一步的，所述软膜的厚度为0.5-10μm，金属硬膜的厚度为10-1000nm。

一种上述镀层式双层敏感膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、在基底上淀积一层氧化层作为牺牲层，在氧化层上旋涂一层光刻胶，高能辐射透过一掩膜板上特定图形对光刻胶曝光，用显影液去除曝光后性质发生改变的光刻胶，得到与掩膜版对应的图形形状的空槽，然后剩下的光刻胶作为掩膜，使用ICP对整个表面进行刻蚀，在氧化层上得到对应图形的标记，便于后续套刻步骤的定位；

S2、再次涂上光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜版相同位置开设有相同标记图形的掩膜版进行定位，步骤S2中掩膜版还开设有圆形图案；经过与步骤1相同的曝光、溶解步骤，在光刻胶中形成一圆柱体空槽，将软膜溶液填充在圆柱体空槽中，制得软膜；

S3、再次在软膜上涂上光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜版相同位置开设有相同标记图形的掩膜版进行定位，步骤S3中掩膜版还开设有圆形图案，其圆心与步骤S2中掩膜版开设的圆形图案的圆心重合；经过与步骤1相同的曝光、溶解步骤，在光刻胶中形成一圆柱体空槽，通过电子束蒸发技术在软膜的外表面镀上一层金属硬膜；

S4、去除光刻胶和基底，制得镀层式双层敏感膜。

进一步的，在步骤S2中，所述软膜由PDMS制成，软膜的厚度为0.5-10μm，表面平整光洁。

进一步的，在步骤S3中，所述金属硬膜由金或银制成，金属硬膜的厚度为10-1000nm。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有的有益效果如下：本实用新型的镀层式双层敏感膜将弹性模量较大且反射率高的金属硬膜镀在弹性模量小的软膜外表面，构成双层复合薄膜，将该薄膜作为光纤FP腔体的一个腔镜，在受压时，形变主要发生在外侧的软膜层上，处于光纤模场直径范围内的金属硬膜层形变量小，反射率高，将有效增加光束在腔内的往返次数，提高FP腔体的Q值和反射光谱锐度，从而提高传感器的灵敏度。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例中基于镀层式双层敏感膜的FP腔光纤压力传感器的立体剖面示意简图；

图2为图1中镀层式双层敏感膜的结构示意图；

图3(a)-图3(k)为本实用新型实施例中制备镀层式双层敏感膜的制作流程示意图。

附图标记：

1-毛细玻璃管；2-单模光纤；3-敏感膜；31-软膜；32-金属硬膜；4-空气腔；5-硅底；6-二氧化硅层；7-光刻胶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

本实用新型提供了一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，需要说明的是该FP腔光纤压力传感器由毛细玻璃管1、单模光纤2和敏感膜3组成，其中单模光纤2从毛细玻璃管1的一环形端面插入，毛细玻璃管1的另一个环形端面与将其覆盖的镀层式双层敏感膜3固连，单模光纤2和镀层式双层敏感膜3之间形成一空气腔4作为FP腔体，毛细玻璃管1环形端面的内径和单模光纤2的直径相等；单模光纤2的横截面中心和敏感膜3的中心均在毛细玻璃管1的轴线上，单模光纤2的纤芯横截面和敏感膜3作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管1的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。

本实用新型实施例中的敏感膜3为镀层式双层敏感膜，包括软膜31和镀在软模31外表面的金属硬膜32，金属硬膜32与单模光纤2的纤芯横截面相对设置，金属硬膜32的直径与单模光纤2纤芯横截面的直径相等，软膜31的直径与毛细玻璃管1环形端面的外径相等。

如图2所示，在一具体实施例中，所述镀层式双层敏感膜3中的软膜31由PDMS制成，金属硬膜32由银制成，PDMS软膜31表面平整光洁；最终制成的镀层式双层敏感膜3中软膜31的厚度为2.5μm，银金属硬膜32的厚度为400nm；PDMS软膜31直径与毛细玻璃管1环形端面的内径相等，为250μm；银金属硬膜32的直径与单模光纤2纤芯横截面的直径相等，为10μm。

如图3(a)-图3(k)所示，本实用新型实施例中镀层式双层敏感膜的制备方法如下：

(1)在硅底5上镀上一层1-3um厚的二氧化硅层6作为牺牲层，再在二氧化硅层6上旋涂一薄层光刻胶，将一掩膜版覆盖在薄层光刻胶上，掩膜版的边缘开设有三角形的标记图形；使用紫外光透过掩膜版上的三角形标记图形对光刻胶进行曝光，利用显影液融去曝光后性质发生改变的光刻胶；移去掩膜版，利用ICP技术直接对装置表面进行刻蚀，然后去除薄层光刻胶，在二氧化硅层6上得到三角形标记(图中未显示)，便于后续工艺步骤的定位、套刻，如图3(a)所示。

(2)在二氧化硅层6的三角形标记以外区域，使用匀胶机在二氧化硅层6上旋涂一层2.5μm厚的光刻胶7，如图3(b)所示。

(3)将另一掩膜版覆盖在光刻胶7上，步骤(3)中掩膜版与步骤(1)中掩膜版的相同位置开设有三角形的标记图形，步骤(3)中掩膜版的三角形的标记图形与二氧化硅层6的三角形标记对齐。

步骤(3)中掩膜版上还开设有直径为250μm的圆孔，使用紫外光透过掩膜版上的圆孔对光刻胶7进行曝光，利用显影液融去中间曝光部分的光刻胶7，在光刻胶7中得到直径250μm圆柱体槽，如图3(c)所示。

(4)将配置好的PDMS溶液在真空烘箱干燥以去除气泡，再使用匀胶机旋涂在二氧化硅层6和光刻胶7上，使PDMS溶液填充满步骤(3)中的直径250μm圆柱体槽，如图3(d)所示。

(5)用平整光滑的橡胶刀片横向刮过PDMS衬底表面，直至刀片和光刻胶7的顶端表面相接触，将多余的PDMS溶液去除，仅保留光刻胶中直径250μm圆柱体槽中的PDMS溶液，然后加热处理，制得PDMS软膜31，如图3(e)所示。

(6)加热完成后，在二氧化硅层6上有一层薄薄的固体，使用ICP技术将其刻蚀，如图3(f)所示。

(7)在步骤(6)的二氧化硅层6和PDMS软膜31上再次使用匀胶机旋涂一层光刻胶7，如图3(g)所示。

(8)将另一掩膜版覆盖在光刻胶7上，步骤(8)中掩膜版与步骤(1)中掩膜版的相同位置开设有三角形的标记图形，步骤(8)中掩膜版的三角形的标记图形与二氧化硅层6的三角形标记对齐，步骤(8)中掩膜版上还开有直径为10μm的圆孔，步骤(8)中圆孔与步骤(3)中圆孔的圆心重合。

使用紫外光透过掩膜版上的圆孔对光刻胶7进行曝光，利用显影液融去中间曝光部分的光刻胶7，在光刻胶7中得到直径10μm的圆柱体槽，如图3(h)所示。

(9)利用电子束蒸发技术，在直径10μm圆柱体槽内、PDMS软膜31上和直径10μm圆柱体槽外、光刻胶7上镀一层银金属，银金属层作为金属硬膜32，厚度为400nm，如图3(i)所示。

(10)然后将整个装置倒置浸泡在丙酮溶液中，去除多余的光刻胶7以及光刻胶7上的银金属层，在二氧化硅层6上剩下PDMS软膜31和镀在其上的银金属层7，如图3(j)所示。

(11)使用氢氟酸溶解二氧化硅层6，制得镀层式双层敏感膜，如图3(k)所示。

综上所述，本实用新型提供了一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，镀层式双层敏感膜将弹性模量较大且反射率高的金属硬膜镀在弹性模量小的软膜外表面，构成双层复合薄膜，将该薄膜作为光纤FP腔体的一个腔镜，在受压时，形变主要发生在外侧的软膜层上，处于光纤模场直径范围内的金属硬膜层形变量小，反射率高，将有效增加光束在腔内的往返次数，提高FP腔体的Q值和反射光谱锐度，从而提高传感器的灵敏度。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，该FP腔光纤压力传感器由毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜组成，其中单模光纤从毛细玻璃管的一环形端面插入，毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的镀层式双层敏感膜固连，单模光纤和镀层式双层敏感膜之间形成一空气腔作为FP腔体，毛细玻璃管环形端面的内径和单模光纤的直径相等；单模光纤的横截面中心和敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，单模光纤的纤芯横截面和敏感膜作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构；其特征在于，该镀层式双层敏感膜包括软膜和镀在软膜外表面的金属硬膜，两者形成倒T形结构，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。

2.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，其特征在于，所述软膜为表面平整光洁的橡胶模或硅胶膜。

3.根据权利要求2所述一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，其特征在于，所述软膜由PDMS制成。

4.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，其特征在于，所述金属硬膜由金或银制成。

5.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤压力传感器的镀层式双层敏感膜，其特征在于，所述软膜的厚度为0.5-10μm，金属硬膜的厚度为10-1000nm。