《一种微型光纤法布里珀罗压力传感器及其制作方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种微型光纤法布里珀罗压力传感器及其制作方法.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103528735 A (43)申请公布日 2014.01.22 CN 103528735 A (21)申请号 201310524956.7 (22)申请日 2013.10.31 G01L 1/24(2006.01) G01L 11/02(2006.01) (71)申请人 南京信息工程大学 地址 210044 江苏省南京市宁六路 219 号 (72)发明人 葛益娴 王婷婷 张闯 冒晓莉 (74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司 32206 代理人 顾进 叶涓涓 (54) 发明名称 一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器及其 制作方法 (57) 摘要 本发明公开了。
2、一种新型的微型光纤法布 里 - 珀罗压力传感器及其制作方法。该传感器能 够有效避免传统光纤法布里 - 珀罗传感器的压力 敏感膜受压后， 产生非平面移动， 造成较大光能损 失的缺陷， 能够得到更高的测量精度。 本发明提供 的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器， 包括通过 静电键合工艺连接的单晶硅膜和硼硅酸盐光纤， 所述单晶硅膜具有凸台， 所述硼硅酸盐光纤具有 凹腔， 单晶硅膜具有凸台的一面和硼硅酸盐光纤 的凹腔相对形成法布里 - 珀罗腔， 所述凸台顶端 形成反射面。本传感器使得敏感膜在受压变形过 程中， 光纤法布里 - 珀罗腔的两个反射面始终保 持平行， 大大提高了测量精度。 (51)Int.C。
3、l. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103528735 A CN 103528735 A 1/1 页 2 1. 一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器， 包括通过静电键合工艺连接的单晶硅膜和 硼硅酸盐光纤， 其特征在于 ： 所述单晶硅膜具有凸台， 所述硼硅酸盐光纤具有凹腔， 单晶硅 膜具有凸台的一面和硼硅酸盐光纤的凹腔相对形成法布里 - 珀罗腔， 所述凸台顶端形成反 射面。 2. 根据权利要求 1 所述的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器的制作方法， 。
4、包括如下步 骤 ： （1） 双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层 1mm 厚的 SiO2后， 再用低压化学气相法在单 晶硅片的两面淀积一层 0.3mm 厚的 Si3N4； （2） 硅片顶面用 BP218 胶作保护， 曝光显影后用 RIE 工艺刻蚀掉未被 BP218 胶保护的 Si3N4， 接着再用 BOE 腐蚀液将顶面暴露的 SiO2去除， 并用丙酮去除 BP218 胶 ； （3） 将硅片放在浓度为 60的 KOH 腐蚀液中， 达到所需膜厚， 膜片厚度为 2040mm ； （4） 分别用反应离子刻蚀工艺和 BOE 溶液去除顶面的 Si3N4和 SiO2； （5） 将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平。
5、端面 , 放入 BOE 腐蚀液进行腐蚀， 腐蚀出 所需腔长 ； （6） 运用静电键合工艺将台面膜和带凹腔的光纤键合连接 ； （7） 用光纤接续子封装所形成的光纤法布里 - 珀罗传感器， 光纤接续子下壳体设有容 置光纤的光纤槽， 将光纤法珀传感器放入光纤槽， 用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、 下 壳体， 从而完成传感器的制作。 权 利 要 求 书 CN 103528735 A 2 1/3 页 3 一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器及其制作方法 0001 技术领域 0002 本发明属于光纤压力传感器技术领域， 尤其是涉及一种新型的微型光纤法布 里 - 珀罗压力传感器结构及该种传感器的其制作方。
6、法。 0003 背景技术 0004 光纤传感技术是上世纪 70 年代后期迅速发展起来的一项新技术 , 它是纤维光学 在非通讯领域中的应用。 光纤传感技术可以测量的物理量已达一百多种， 它的优点是 ： 应用 范围广、 灵敏度高、 抗电磁干扰、 绝缘性好、 耐腐蚀、 可曲挠、 体积小、 成本低， 以及与光纤传 输线路的兼容性好等等。 0005 光纤法布里 - 珀罗压力传感器是光纤压力传感器中的一种， 它通常由光纤端面 和膜片端面构成法布里 - 珀罗微谐振腔， 当压力作用在压力敏感膜时， 产生变形， 使法珀 腔腔长发生变化， 从而实现传感。光纤法布里 - 珀罗压力传感器结构简单， 较易实现， 是目 。
7、前最常用的干涉型光纤压力传感器。一部分传感器的压力敏感膜是运用微机电 （MEMS） 体 硅工艺和表面牺牲层工艺制作的 ； 还有一部分传感器的压力敏感膜是利用光纤腐蚀熔接工 艺制作的。近年来出现了一些设计方案， 比如 2001 年 Cincinnati 大学的 （Jie Zhou Jie Zhou, Samhita Dasgupta, et al. Optically interrogated MEMS pressure sensors for propulsion applications, Optical Engineering, 2001, 40: 598-604.） 等人用体硅工 艺制作。
8、得到光纤法布里珀罗压力传感器 ： 将单晶硅膜作为压力敏感膜， 在玻璃上用 HF 缓 冲溶液腐蚀出浅薄圆柱型腔体， 用静电键合工艺将硅膜与玻璃紧密键合在一起， 形成法珀 腔， 最后用环氧树脂将光纤与传感器芯片对准黏结。 弗吉尼亚大学的Juncheng Xu、 Yizheng Zhu、 Anbo Wang （Juncheng Xu, Xingwei Wang, Kristie L. Cooper, Gary R. Pickrell and Anbo Wang. Miniature Temperature-Insensitive Fabry-Perot Fiber-Optic Pressure Se。
9、nsor, IEEE Photonics Technology Letters, 2006, 18(10): 1134-1136.） 小组设计了一系列制作在光纤上面的传感器 ： 将单模光纤的一端熔接一段 105/125m 纤 芯未掺杂包层掺氟的多模光纤， 作为阻挡层， 在此多模光纤的另一端继续熔接 62.5/125m 纤芯掺锗的多模光纤， 放入50的HF溶液中腐蚀出腔， 再熔接一段105/125m的多模光纤 作为敏感膜。 0006 目前的压力敏感膜大多采用平面膜型， 这种膜受压后， 会产生非平面移动， 这将影 响 F-P 腔的平行度， 从而造成较大的光能损失， 信号平均效应大， 继而影响了压力。
10、传感器的 性能。 针对这一点， 专利申请号为201010185466.5， 名称为光纤法布里-珀罗压力传感器及 其制作方法的国内发明专利， 提供了一种利用光纤、 弹性膜片、 传感器体制作而成的光纤压 力传感器， 将弹性膜片直接与光纤连接， 光纤插入传感器体上的孔中， 避免传统传感器膜片 变形不能过大的缺陷。但该方案提供的传感器结构中弹性膜片表面积远大于光纤截面积， 说 明 书 CN 103528735 A 3 2/3 页 4 成本较高。 0007 发明内容 0008 为解决上述问题， 本发明公开了一种新型的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器及 其制作方法。该传感器能够有效避免传统光纤法布里 -。
11、 珀罗传感器的压力敏感膜受压后， 产生非平面移动， 造成较大光能损失的缺陷， 能够得到更高的测量精度。 0009 为了达到上述目的， 本发明提供如下技术方案 ： 一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器， 包括通过静电键合工艺连接的单晶硅膜和硼 硅酸盐光纤， 所述单晶硅膜具有凸台， 所述硼硅酸盐光纤具有凹腔， 单晶硅膜具有凸台的一 面和硼硅酸盐光纤的凹腔相对形成法布里 - 珀罗腔， 所述凸台顶端形成反射面。 0010 一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器的制作方法， 包括如下步骤 ： （1） 双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层 1mm 厚的 SiO2后， 再用低压化学气相法在单 晶硅片的两面淀积。
12、一层 0.3mm 厚的 Si3N4； （2） 硅片顶面用 BP218 胶作保护， 曝光显影后用 RIE 工艺刻蚀掉未被 BP218 胶保护的 Si3N4， 接着再用 BOE 腐蚀液将顶面暴露的 SiO2去除， 并用丙酮去除 BP218 胶 ； （3） 将硅片放在浓度为 60的 KOH 腐蚀液中， 达到所需膜厚， 膜片厚度为 2040mm ； （4） 分别用反应离子刻蚀工艺和 BOE 溶液去除顶面的 Si3N4和 SiO2； （5） 将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平端面 , 放入 BOE 腐蚀液进行腐蚀， 腐蚀出 所需腔长 ； （6） 运用静电键合工艺将台面膜和带凹腔的光纤键合连接 ； （7）。
13、 用光纤接续子封装所形成的光纤法布里 - 珀罗传感器， 光纤接续子下壳体设有容 置光纤的光纤槽， 将光纤法珀传感器放入光纤槽， 用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、 下 壳体， 从而完成传感器的制作。 0011 本发明提供的光纤法布里 - 珀罗传感器， 采用在单晶硅膜上设置台面结构， 使得 敏感膜在受压变形过程中， 光纤法布里 - 珀罗腔的两个反射面始终保持平行， 大大提高了 测量精度。 整个膜片加工过程采用微机电工艺， 适合批量生产， 法珀腔的腔长可根据腐蚀速 率， 控制腐蚀时间加工制作而成。 本传感器直接采用硅膜与光纤静电键合加工， 外部尺寸与 光纤外径一致， 结构小巧， 成本低廉， 制作简。
14、便， 精度高， 灵敏度高， 可靠性好。 0012 附图说明 0013 图 1 为本发明提供的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器结构示意图 ； 图 2 为本发明提供的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器制作方法步骤流程图 ； 图 3 为本发明提供的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器应用时采用的解调系统 ； 图 4 为本发明提供的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器实验结果图 ； 图 5 为采用平面膜的压力传感器反射率曲线图 ； 图 6 为本发明提供的微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器反射率曲线图。 0014 附图标记列表 ： 说 明 书 CN 103528735 A 4 3/3 页 5 1- 单晶硅。
15、膜， 2- 硼硅酸盐光纤， 3- 凸台， 4- 凹腔。 0015 具体实施方式 0016 以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明， 应理解下述具体 实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。 0017 如图 1 所示， 本发明提供了一种微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器结构， 具体包 括一片单晶硅膜 1 和一片硼硅酸盐光纤 2， 所述单晶硅膜 1 下底面具有突起的圆台 （以下简 称凸台 3） ， 所述硼硅酸盐光纤 2 上表面具有凹腔 4， 单晶硅膜 1 下底面和硼硅酸盐光纤 2 的上表面通过静电键合工艺相对连接， 显然， 凹腔 4 腔长需大于凸台 3 高度， 从而形成法。
16、布 里 - 珀罗腔， 凸台 3 顶端在法布里 - 珀罗腔中形成反射面。当单晶硅膜 1 受压变形时， 凸台 3顶面依然能够保持与凹腔4相对面平行， 从而使得光纤法布里-珀罗腔的两个反射面始终 保持平行， 大大提高了测量精度。 0018 相应的， 本发明还提供了上述微型光纤法布里 - 珀罗压力传感器的制作方法， 如 图 2 所示， 具体包括如下步骤 ： （1） 双面抛光的单晶硅片双面热氧化一层 1mm 厚的 SiO2后， 再用低压化学气相 （LPCVD） 法在单晶硅片的两面淀积一层 0.3mm 厚的 Si3N4作为后续工艺中单晶硅腐蚀的保 护层 ； （2） 硅片顶面上用 BP218 胶作保护， 根。
17、据需要蚀刻的形状曝光显影后用 RIE 工艺刻蚀 掉未被光刻胶保护的 Si3N4， 接着再用 BP218 腐蚀液 （即氢氟酸 (HF)、 氟化氨 (NH4F) 和水的 溶液， 按 3 ： 6 ： 10 配比） ， 将暴露的 SiO2去除， 用丙酮去除 BP218 胶 ； （3） 将硅片放在 KOH 腐蚀液中 （浓度 60） ， 达到所需膜厚， 凸台部分同时蚀刻成型， 膜 片厚度应根据需要达到的压力测量范围进行设定， 厚度一般为 2040mm 左右 ； （4） 分别用反应离子刻蚀工艺和 BOE 溶液去除硅片顶面的 Si3N4和 SiO2； （5） 将一段纤芯掺锗的硼硅酸盐光纤切出平端面 , 放入 。
18、BOE 腐蚀液进行腐蚀， 腐蚀出 所需腔长 ； （6） 运用静电键合工艺将带有凸台的单晶硅片和带凹腔的光纤键合起来， 形成法布 里 - 珀罗腔 ； （7） 用光纤接续子封装所形成的光纤法布里 - 珀罗传感器， 光纤接续子下壳体设有容 置光纤的光纤槽， 将光纤法珀传感器放入光纤槽， 用设置在壳体两侧的夹紧结构夹紧上、 下 壳体， 从而完成传感器的制作。 0019 基于上述方法制作而成的传感器， 利用如图 3 所示的解调系统进行实验， 结果如 图 4 所示， 本发明提供的光纤法珀压力传感器有着较好的线性和重复度。在同样的实验条 件下， 对比采用平面膜的传感器和本发明提供的传感器， 各自的反射率曲线。
19、如图5和图6所 示， 采用平面膜的传感器， 随着施加压力的增加， 光反射率将产生不断衰减的趋势， 而本发 明提供的传感器在压力逐渐增强时， 可以降低信号平均效应对传感器性能的影响， 依然能 够保持较高的反射率， 不造成光能损失， 从而保证了测量精度。 0020 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段， 还包括 由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。 说 明 书 CN 103528735 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103528735 A 6 2/2 页 7 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103528735 A 7 。