一體式光纖f-p腔壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)的一種一體式光纖F?P腔壓力傳感器,包括一個(gè)桶狀封裝外殼（1）、設(shè)置在所述封裝外殼筒體中的壓力膜片（2）、固定連接在所述壓力膜片端底下的復(fù)合介質(zhì)膜（3）和與插芯（5）端部凹槽底平面齊平，穿過(guò)插芯伸出所述封裝外殼底部外的光纖（6）。復(fù)合介質(zhì)膜（3）軸向正對(duì)插芯頂端凹槽，制有應(yīng)力釋放孔結(jié)構(gòu)的壓力膜片（2）通過(guò)鍵合工藝結(jié)合將插芯凹槽封裝形成一個(gè)F?P諧振腔，插芯與壓力膜片以一體結(jié)構(gòu)的固聯(lián)形式，通過(guò)周向連接的固聯(lián)構(gòu)件（4）一體式裝配在上述封裝外殼（1）的筒體中。本實(shí)用新型采用頂制有凹槽的 插芯和壓力膜片通過(guò)鍵合工藝結(jié)合一體形成的F?P腔，省去了后續(xù)的激光焊接和膠粘貼工藝，同時(shí)減小了系統(tǒng)的熱內(nèi)應(yīng)力，提高了F?P壓力傳感器的性能。
【專利說(shuō)明】
一體式光纖F-P腔壓力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高精度一體式光纖F-P腔的壓力 傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感器以光作為信息載體，以光纖作為信傳輸介質(zhì)，對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行傳感測(cè) 量。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，高可靠性，高靈敏度，響應(yīng)時(shí)間短，單光纖信號(hào)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)受 到人們普遍的關(guān)注，同時(shí)還在石油化工、航空航天及橋梁等建筑物的健康監(jiān)測(cè)中有廣泛的 應(yīng)用前景，是目前的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)傳感器材料、制作方法等的不同，光纖F-P腔壓力 傳感器可分為全光纖結(jié)構(gòu)和MEMS膜片式。
[0003] 全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是將兩根光纖的端面作為反射面，使兩 光纖端面嚴(yán)格平行、同軸，與中空光纖形成一個(gè)腔體。當(dāng)腔體一定時(shí)，其變形量與所受的壓 強(qiáng)成正比，而腔體長(zhǎng)度的變化影響到光纖內(nèi)入射光與反射光的光程差。由于全光纖結(jié)構(gòu)F-P 光纖壓力傳感器的主體部分全部采用光纖材料，因此其主要特點(diǎn)是具有很好的熱穩(wěn)定性 能。但目前能夠在光纖端面制作技術(shù)仍存在工藝復(fù)雜、材料溫度和力學(xué)特性差等諸多缺陷， 所以全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器不適合批量化生產(chǎn)，限制了其應(yīng)用。
[0004] 上世紀(jì)七八十年代國(guó)外已經(jīng)提出基于膜片設(shè)計(jì)F-P壓力傳感器結(jié)構(gòu)，光學(xué)反射平 面采用的是對(duì)壓力敏感的膜片，當(dāng)膜片隨著壓力的變化產(chǎn)生位移，F(xiàn)-P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā) 生變化。隨著技術(shù)的不斷成熟，光纖F-P壓力傳感器出現(xiàn)很多種不同結(jié)構(gòu)，其中光纖MEMS壓 力傳感器傳感器是其中一個(gè)重要的部分。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)技術(shù) 在光領(lǐng)域中的應(yīng)用非常引人注目，將光纖傳感技術(shù)和MEMS技術(shù)相結(jié)合制作新型光纖MEMS 傳感器已經(jīng)成為光纖傳感器制作領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。MEMS技術(shù)的引入，使得F-P壓力傳感器的 可靠性、抗電磁干擾以及抗腐蝕性都有提高，而且F-P腔MEMS光纖壓力傳感器還具有尺寸 小、準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于MEMS器件適合于大規(guī)模集成化生產(chǎn)，一 旦技術(shù)成熟，產(chǎn)品定型，可以大大降低傳感器的成本。隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟完善，國(guó)外 多家高校及研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了F-P光纖MEMS壓力傳感器的研究工作，并且出現(xiàn)了不同結(jié) 構(gòu)的F-P光纖MEMS壓力傳感器。其中一部分傳感器的壓力敏感膜是運(yùn)用體硅工藝和表面 犧牲層工藝制作的，還有一部分的傳感器是利用光纖腐蝕熔接工藝制作的。
[0005] 但是，目前光纖MEMS壓力傳感器都是分立式結(jié)構(gòu)，如中國(guó)專利公開(kāi)號(hào) CN103644987 A，CN103698080 A，公開(kāi)的F-P腔與導(dǎo)光光纖是通過(guò)膠粘結(jié)或二氧化碳激光 焊接而成。這種分立式的光纖F-P壓力傳感器存在著以下幾個(gè)問(wèn)題：
[0006] 1、由于膠同F(xiàn)-P腔和導(dǎo)光光纖之間熱膨脹系數(shù)的差異（激光焊接帶來(lái)的附加應(yīng) 力），當(dāng)溫度變化時(shí)，傳感頭內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而改變F-P腔的腔長(zhǎng)，從而使得傳感器的 零位和靈敏度漂移增加；
[0007] 2、這種分立式結(jié)構(gòu)的F-P壓力傳感器存在著多個(gè)反射面，從而形成多個(gè)法珀諧振 腔，使得輸出干涉光譜復(fù)雜，直接影響F-P壓力傳感器的解調(diào)精度(精度低于在0.5%);
[0008] 3、硅材料的感壓膜片玻璃凹槽是通過(guò)陽(yáng)極鍵合的方式連接而成，但是這兩種材料 間的熱膨脹系數(shù)是不同的，這使硅感壓膜片由溫度效應(yīng)產(chǎn)生形變，導(dǎo)致硅壓力膜片與壓力 之間出現(xiàn)非線性，從而降低F-P壓力傳感器的精度；
[0009] 4、目前，F(xiàn)-P壓力傳感器的封裝方式是金屬外殼體直接與傳感頭焊接，這種方式一 個(gè)最主要的缺點(diǎn)是溫度效應(yīng)十分明顯，當(dāng)溫度變化時(shí)，金屬外殼和傳感頭由于材料間的差 異而產(chǎn)生附加的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致F-P腔的腔長(zhǎng)的變化，使得F-P壓力傳感器的精度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種壓力解調(diào)方便，精度高， 能夠避免附加應(yīng)力的一體式光纖F-P腔的壓力傳感器。
[0011] 本發(fā)明的上述目的可采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種一體式光纖F-P腔壓力傳感 器，包括一個(gè)桶狀封裝外殼1、設(shè)置在所述封裝外殼筒體中的壓力膜片2、固定連接在所述壓 力膜片端底下的復(fù)合介質(zhì)膜3和與插芯5端部凹槽底平面齊平，穿過(guò)插芯伸出所述封裝外殼 底部外的光纖6,其特征在于:復(fù)合介質(zhì)膜3軸向正對(duì)插芯5頂端凹槽，制有應(yīng)力釋放孔結(jié)構(gòu) 的壓力膜片2，壓力膜片2鍵合區(qū)域和感壓區(qū)通過(guò)鍵合工藝結(jié)合將插芯5凹槽封裝形成一個(gè) F-P單諧振腔，插芯5與壓力膜片2以一體結(jié)構(gòu)的固聯(lián)形式，通過(guò)周向連接的固聯(lián)構(gòu)件4 一體 式裝配在上述封裝外殼1的筒體中。
[0012] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明在技術(shù)上有較大的突破:本發(fā)明的主要特點(diǎn)是F-P諧振 腔與導(dǎo)光的插芯是一體的。這種一體式結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔的壓力傳感器主要有兩個(gè)巨大的 優(yōu)勢(shì)：
[0013] 1)、它的諧振腔是單諧振腔，其反射光譜是一系列余弦調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)干涉峰，因此壓 力解調(diào)非常方便，同時(shí)增加了整個(gè)系統(tǒng)的精度；
[0014] 2)、由于是一體式結(jié)構(gòu)，可以避免由于激光焊接或者膠粘貼導(dǎo)致的附加應(yīng)力。與傳 統(tǒng)結(jié)構(gòu)的F-P壓力傳感器相比，本發(fā)明的精度能達(dá)到萬(wàn)分級(jí)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的F-P壓力傳感 器工藝簡(jiǎn)單，適合批量化制作。同時(shí)這種一體式結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔的壓力傳感器與封裝外殼 之間是通過(guò)固聯(lián)構(gòu)件連接的，它可以有效地緩解封裝外殼與壓力傳感器之間的應(yīng)力，進(jìn)而 提高系統(tǒng)的精度。另外壓力膜片不但引入了應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，還采用了復(fù)合介質(zhì)膜，它們可以 進(jìn)一步提尚本發(fā)明的精度。
[0015] 本發(fā)明采用頂制有凹槽的插芯和壓力膜片通過(guò)鍵合工藝結(jié)合一體形成的F-P腔， 省去了后續(xù)的激光焊接和膠粘貼工藝，同時(shí)減小了系統(tǒng)的熱內(nèi)應(yīng)力，提高了 F-P壓力傳感器 的性能。
[0016] 本發(fā)明在壓力膜片四周邊沿采用應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的主要作用緩解硅膜片 與插芯之間熱失配而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而提高系統(tǒng)的精度。
[0017] 本發(fā)明在壓力膜片的下端面鍍制反射率為30%的復(fù)合介質(zhì)膜，這種復(fù)合介質(zhì)膜具 有較高的溫度穩(wěn)定性。
[0018] 本發(fā)明插芯通過(guò)固聯(lián)構(gòu)件與外殼筒體這樣的安裝殼體結(jié)合，固聯(lián)構(gòu)件能夠充分釋 放插芯和安裝殼體之間的熱應(yīng)力。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制作成本低、溫度-壓力交 叉敏感性小、穩(wěn)定性好。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1為本發(fā)明一體式光纖F-P腔壓力傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理剖視圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明圖1的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，（b)為側(cè)視圖。
[0021] 圖3是圖1的原理圖。
[0022]圖中：1、封裝外殼，2、壓力膜片，3、復(fù)合介質(zhì)膜，4、固聯(lián)構(gòu)件，5、插芯，6、光纖，7、 固定接頭。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 在如圖1所示描述的一個(gè)最佳實(shí)施例中，一體式光纖F-P腔壓力傳感器由封裝外 殼1，壓力膜片2,復(fù)合介質(zhì)膜3,固聯(lián)構(gòu)件4,插芯5,光纖6,固定接頭7組成。主要包括一個(gè)桶 狀封裝外殼1、設(shè)置在所述封裝外殼1筒體中的壓力膜片2、固定連接在所述壓力膜片2端底 下的復(fù)合介質(zhì)膜3和與插芯5端部凹槽底平面齊平，穿過(guò)插芯伸出所述封裝外殼底部外的光 纖6,光纖6通過(guò)固定接頭7伸出封裝外殼1筒體外。光纖6前端與壓力膜片2上的復(fù)合介質(zhì)膜3 形成一對(duì)反射面，并形成干涉條紋，通過(guò)測(cè)量條紋信息來(lái)測(cè)量外界壓力。復(fù)合介質(zhì)膜3生長(zhǎng) 在壓力膜片2的背面作為光反射面，壓力膜片2與插芯5通過(guò)陽(yáng)極鍵合連接形成F-P腔，插芯5 通過(guò)固聯(lián)構(gòu)件4與封裝外殼1連接，光纖6-部分插入插芯5,頂端與F-P腔的腔底平行，光纖 一部分插入插芯，頂端與F-P腔的腔底端平行，光纖另一部分位于插芯外，作為傳導(dǎo)光纖與 解調(diào)設(shè)備連接，并通過(guò)固定接頭7固定在安裝殼體1的下端。
[0024]參閱圖2。壓力膜片的下端面鍍有反射率為30%的復(fù)合介質(zhì)膜。壓力膜片的形狀可 根據(jù)不同的封裝形式和系統(tǒng)精度的要求來(lái)選擇壓力膜片的形狀，壓力膜片的形狀可以是正 方形、菱形、圓形、六邊形的一種或多種。壓力膜片的鍵合區(qū)域設(shè)計(jì)的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)是由分 布在上述鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力釋放孔組成的，壓力膜片和上插芯之間的熱失配而 產(chǎn)生的應(yīng)力通過(guò)這些不同形狀的通孔來(lái)釋放。這些結(jié)構(gòu)形狀的應(yīng)力釋放孔可為正方形、菱 形、圓形、六邊形通孔。應(yīng)力釋放孔的深度為壓力膜片厚度的1/3。根據(jù)系統(tǒng)精度的要求來(lái)選 擇應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的形狀，通過(guò)這些不同形狀的應(yīng)力釋放孔來(lái)釋放由于壓力膜片和上插芯之 間的熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力。
[0025] 在所述的壓力膜片背面以及所述F-P腔凹槽底部硅片上生長(zhǎng)有至少一層復(fù)合介質(zhì) 膜，所述復(fù)合介質(zhì)膜為Si02/Ta 2〇5薄膜、Si3N4/Ta2〇5薄膜或Si0 2/Ta2〇5/ Si3N4中的至少一種 組合形態(tài)的多層薄膜。所述壓力膜片背面的復(fù)合介質(zhì)膜為或氮化硅Si3N 4、五氧化二鉭Ta205 多層薄膜，或Si〇2、Ta2〇5、Si3N4多層薄膜。
[0026] 帶有復(fù)合介質(zhì)薄膜的F-P壓力傳感器的制造方法的加工工藝步驟如下:選取無(wú)翹 曲、表面平整度好(起伏小于lnm)、以100晶向的優(yōu)質(zhì)硅片作為壓力膜片1，厚度為50-300 um，利用磁控派射在娃片一面生長(zhǎng)至少一層Si 3N4/Ta2〇5薄膜，多層薄膜的厚度為50/100 nm;利用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝，對(duì)上插芯3按照設(shè)計(jì)要求制作凹槽，多層薄膜的厚度為50/100/60 nm;通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝把壓力膜片1與上插芯3連接形成F-P腔;將傳導(dǎo)光纖5-端充分研磨 平整，并固定與下插芯4的插孔中，并與下插芯4的頂端齊平;利用激光鍵合或者膠粘貼工藝 將上插芯3和下插芯4連接，完成光纖F-P腔壓力傳感器的制作。
[0027] 本實(shí)施例光纖F-P腔壓力傳感器的制造方法，其加工工藝步驟如下。
[0028]選取無(wú)翹曲、表面平整度好(起伏小于lnm)、100晶向的優(yōu)質(zhì)硅片，在其硅片一面通 過(guò)磁控濺射生長(zhǎng)由多層介質(zhì)膜組成的復(fù)合介質(zhì)膜，形成壓力膜片2;利用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝，對(duì) 帶孔的插芯5按照設(shè)計(jì)要求制作凹槽，并通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝與壓力膜片2連接，形成F-P腔； 通過(guò)固聯(lián)構(gòu)件4將插芯5與封裝外殼相連接，完成對(duì)形成對(duì)F-P壓力傳感器的保護(hù);光纖6的 前端經(jīng)磨拋機(jī)磨平后放入帶孔的插芯5中，并與F-P腔底面平行，而光纖6的尾端固定接頭7 固定在安裝殼體1的下端，并與外部解調(diào)設(shè)備連接。
[0029]本發(fā)明工作原理:光纖壓力傳感器傳感原理在于由壓力引起法珀腔長(zhǎng)變化，通過(guò) 精密測(cè)量腔長(zhǎng)變化量實(shí)現(xiàn)壓力傳感解調(diào)。圖3所示為法珀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，法珀腔存在前 后兩個(gè)反射面。第一個(gè)反射面的反射率通過(guò)控制鍍膜反射率確定，第二個(gè)反射面為膜片反 射率。入射到法珀腔反射面的光強(qiáng)可視為高斯分布，兩個(gè)反射面反射光再次耦合進(jìn)入多模 光纖，設(shè)兩個(gè)反射面的反射率和損耗系數(shù)分別為:Ri、m、R 2、a2。
[0030]設(shè)入射光強(qiáng)為1〇,則兩個(gè)面的耦合光強(qiáng)分別為：
[0031]干涉條紋表示：
[0032]
[0033]其中表示位相差。外界壓力的變化會(huì)引起的變化，通過(guò)測(cè)量來(lái)獲知外界的壓力。 [0034]雖然參照上述實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的 實(shí)施。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種一體式光纖F-P腔壓力傳感器，包括一個(gè)桶狀封裝外殼（1)、設(shè)置在所述封裝外 殼筒體中的壓力膜片（2)、固定連接在所述壓力膜片端底下的復(fù)合介質(zhì)膜(3)和與插芯(5) 端部凹槽底平面齊平，穿過(guò)插芯伸出所述封裝外殼底部外的光纖(6)，其特征在于:復(fù)合介 質(zhì)膜(3)軸向正對(duì)插芯頂端凹槽，制有應(yīng)力釋放孔結(jié)構(gòu)的壓力膜片（2)，壓力膜片(2)鍵合 區(qū)域和感壓區(qū)通過(guò)鍵合工藝結(jié)合將插芯凹槽封裝形成一個(gè)F-P諧振腔，插芯(5)與壓力膜片 (2)以一體結(jié)構(gòu)的固聯(lián)形式，通過(guò)周向連接的固聯(lián)構(gòu)件(4) 一體式裝配在上述封裝外殼（1) 的筒體中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，光纖(6)前端與 壓力膜片(2)上的復(fù)合介質(zhì)膜(3)形成一對(duì)反射面，并形成干涉條紋，通過(guò)測(cè)量條紋信息來(lái) 測(cè)量外界壓力。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，壓力膜片（2)的 形狀是正方形、菱形、圓形或六邊形中的一種結(jié)構(gòu)形狀。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，壓力膜片（2)的 鍵合區(qū)域的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)為正方形、菱形、圓形或六邊形通孔。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，壓力膜片（2)感 壓區(qū)的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的正方形、菱形、圓形或六邊形孔，孔的深度為壓力膜片厚度的1/3。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，壓力膜片（2)的 下端面鍍有反射率為30%的復(fù)合介質(zhì)膜。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，在所述的壓力膜 片（2)背面上生長(zhǎng)有至少一層復(fù)合介質(zhì)膜，所述復(fù)合介質(zhì)膜為Si0 2/Ta2〇5薄膜、Si3N4/Ta 2〇5 薄膜或Si02/Ta2〇5/ Si3N4中的至少一種組合形態(tài)的多層薄膜。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，所述壓力膜片 (2)背面的復(fù)合介質(zhì)膜為或氮化娃Si3N4、五氧化二鉭Ta2〇5多層薄膜，或Si〇2、Ta2〇5、Si3N4多 層薄膜。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，壓力膜片（2)以 100晶向的優(yōu)質(zhì)硅片，在其硅片一面濺射生長(zhǎng)由多層介質(zhì)膜組成的復(fù)合介質(zhì)膜，形成壓力膜 片(2) 〇10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式光纖F-P腔壓力傳感器，其特征在于，復(fù)合介質(zhì)膜(3) 生長(zhǎng)在壓力膜片（2)的背面作為光反射面，壓力膜片（2)與插芯(5)通過(guò)陽(yáng)極鍵合連接形成 F-P腔，插芯(5)通過(guò)固聯(lián)構(gòu)件(4)與封裝外殼(1)連接。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK205607568SQ201620137157
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年2月23日
【發(fā)明人】孫波, 熊菠, 梅運(yùn)橋
【申請(qǐng)人】成都凱天電子股份有限公司