一种EFPI光纤压力传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种EFPI光纤压力传感器及其制作方法，具体涉及一种采用MEMS工艺制作的硅玻基EFPI光纤压力传感器及其制作方法，属于光纤压力传感器技术领域。压力敏感结构为两层结构，分别为压力敏感结构上层单元和压力敏感结构下层单元；所述压力敏感结构上层单元采用单晶硅晶圆片材料；所述压力敏感结构下层单元采用玻璃晶圆片材料。本发明专利技术在简化MEMS工艺复杂性的同时，能够保证构成法珀微腔的两个反射面的平行度好、粗糙度等级高，改善了干涉信号光谱质量，提高了基于MEMS工艺技术的光纤压力传感器的可靠性及整个压力传感系统的测量精度。

A EFPI optical fiber pressure sensor and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种EFPI光纤压力传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种EFPI光纤压力传感器及其制作方法，具体涉及一种采用MEMS工艺制作的硅玻基EFPI光纤压力传感器及其制作方法，属于光纤压力传感器
技术背景非本征型法珀干涉(extrinsicFabry-Perotinterferometer，EFPI)光纤传感器因其灵敏度高、体积小、结构简单且设计灵活，而被开发成各种传感器以适应不同的应用领域。典型的EFPI传感器结构由一个腔组成，即由一根入射光纤和一根出射光纤组成，当然形成F-P腔的两个反射面可以是任何光学元件的表面，因此，为了满足压力测量需求，基于薄膜结构的EFPI光纤压力传感器更为适合。EFPI光纤压力传感器制作工艺有多种类型，其中微机电系统(MEMS)器件适合大规模集成化生产，可大大降低传感器的生产成本，因此，国内外开展了很多基于MEMS工艺技术的EFPI光纤压力传感器的研究。授权公告号CN102721492B、授权公告号CN102384809B的专利提供了一种传感器结构是一片带通孔的双面抛光的玻璃晶圆片通过两次键合工艺分别与两片单晶硅键合形成法珀微腔结构；授权公告号CN102721492B、申请专利号201510401629.1、授权公告号CN102607761B的专利提供了一种传感器结构是将双面抛光的玻璃晶圆片上腐蚀形成圆形浅坑，然后与单晶硅键合形成法珀微腔结构。综上所述，根据EFPI光纤传感原理，构成其法珀微腔的两个反射面的平行度以及粗糙度是影响传感器性能的关键参数。两片双面抛光的单晶硅片与一片带通孔的玻璃晶圆片通过两次键合形成法珀微腔结构的方法，其微腔结构的两个反射面为经过抛光处理的单晶硅片表面，虽然保证的两个反射面的平行度以及粗糙度，但两次键合增加了制造工艺的难度及复杂性；单晶硅片与带腐蚀形成盲孔的玻璃晶圆片通过一次键合形成法珀微腔结构的方法，其微腔结构的两个反射面为经过抛光处理的单晶硅片表面和盲孔的底面，虽然一次键合工艺简单，但玻璃晶圆片上腐蚀形成的盲孔底部为碗状，无法保证与另一个反射面的平行度，同时腐蚀形成的表面粗糙度差，从而影响到传感光信号的质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供了一种硅玻基EFPI光纤压力传感器及其制作方法，该方法在基于MEMS工艺的光纤压力传感器制作过程中，简化MEMS工艺复杂性；且该方法制备出的传感器能够保证构成法珀微腔的两个反射面的平行度好、粗糙度等级高。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种EFPI光纤压力传感器，包括：压力敏感结构、圆柱形中空管和传输光纤；压力敏感结构底部与圆柱形中空管同轴固连，传输光纤穿入圆柱形中空管至压力敏感结构底部，并与圆柱形中空管封装固连，所述的压力敏感结构为两层结构，包括：压力敏感结构上层单元和压力敏感结构下层单元；压力敏感结构上层单元采用单晶硅晶圆片加工，单晶硅晶圆片双面抛光，在其下表面加工盲孔，盲孔与单晶硅晶圆片同心，该盲孔即为法珀微腔，盲孔的深度即为法珀微腔的腔长，盲孔的底部表面为法珀微腔的第二个反射面；压力敏感结构下层单元采用玻璃晶圆片加工，玻璃晶圆片双面抛光，玻璃晶圆片的上表面为法珀微腔的第一个反射面。本专利技术所示的一种EFPI光纤压力传感器，还可以在单晶硅晶圆片的下表面镀反射率为4％的玻璃反射膜，提高传感器返回干涉信号的对比度，便于解调仪表信号解调。本专利技术所示的一种EFPI光纤压力传感器制作方法，：该方法包括以下步骤：1)制作压力敏感结构a)选取原表面平整度满足光学干涉原理要求的双抛玻璃晶圆片和单晶硅晶圆片，并进行标准清洗；b)在单晶硅晶圆片下表面加工盲孔阵列，盲孔底部至单晶硅晶圆片上表面结构的作用是感压弹性膜片，该盲孔即为法珀微腔，盲孔的深度即为法珀微腔的腔长，盲孔的底部表面为法珀微腔的第二个反射面；c)采用阳极键合将单晶硅晶圆片的下表面和玻璃晶圆片上表面键合到一起，至此，完成了法珀微腔的制作：玻璃晶圆片上表面为法珀微腔的第一个反射面，单晶硅晶圆片上盲孔底部表面为法珀微腔的第二个反射面，盲孔的深度为法珀微腔的腔长；d)将单晶硅晶圆片的上表面进行减薄，并做打毛处理使该表面具有漫反射效果，该表面至盲孔底部表面的厚度即为感压弹性膜片的膜厚。至此，完成压力敏感结构阵列晶圆片；e)采用划片机将压力敏感结构阵列晶圆片进行划片，得到单个压力敏感结构单元。2)圆柱形中空管前端涂环氧树脂胶，将压力敏感结构玻璃底部与圆柱形中空管前端紧密接触，并且保证环氧树脂胶不会进入中空管内腔，实现压力敏感结构与圆柱形中空管的同轴固连。3)将传输光纤从圆柱形中空管的尾端穿入管内腔，直至光纤端面与压力敏感结构玻璃底部紧密接触，在圆柱形中空管的尾端用环氧树脂胶与传输光纤固连，完成EFPI光纤压力传感器制作。本专利技术所示的一种EFPI光纤压力传感器制作方法，在当地大气压力环境下进行阳极键合，实现表压力传感器制作；还可以在真空环境下进行阳极键合，实现绝对压力传感器制作。有益效果1、本专利技术的一种硅玻基EFPI光纤压力传感器，构成法珀微腔结构的两个反射面的平行度好、粗糙度等级高可在降低制造工艺复杂性的同时，明显改善光学传感信号质量，提高整个压力传感系统的测量精度；2、本专利技术的一种硅玻基EFPI光纤压力传感器的制作方法，降低了MEMS工艺复杂性，有利于提高光纤压力传感器敏感结构的稳定性，从而提高光纤压力传感器的可靠性。附图说明图1为本专利技术的传感器结构示意图；图2为本专利技术实施例1的传感器结构示意图；图3为本专利技术实施例1的压力敏感结构示意图；图4为本专利技术实施例1的压力敏感结构上层单元结构示意图；图5为本专利技术实施例1的压力敏感结构下层单元结构示意图；图6为实施例1传感器的光谱测试图；图7为本专利技术实施例3的压力敏感结构示意图；图8为实施例3传感器的光谱测试图。其中，1-法珀微腔，2-压力敏感结构上层单元，3-压力敏感结构下层单元，4-环氧树脂胶，5-圆柱形中空管，6-传输光纤，7-石英中空管，8-单模石英光纤，9-压力敏感结构上层单元与下层单元阳极键合面，10-单晶硅晶圆片上表面，11-盲孔底部表面，12-单晶硅晶圆片，13-单晶硅晶圆片下表面，14-玻璃晶圆片上表面，15-玻璃晶圆片，16-玻璃晶圆片下表面，17-玻璃反射膜。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。实施例1一种EFPI光纤压力传感器，如图1、图2所示，选用单模石英光纤作为传输光纤，选用外径2mm、内径130μm的石英中空管作为圆柱形中空管，选用厚度为200μm直径为4英寸的双抛单晶硅晶圆片，选用厚度为500μm直径为4英寸的BF33玻璃片。如图3、图4、图5所示，压力敏感结构由两层结构构成，压力敏感结构上层单元2和压力敏感结构下层单元3。一种EFPI光纤压力传感器的制作方法：对单晶硅晶圆片12和玻璃晶圆片15进行标准清洗；在单晶硅晶圆片下表面13加工盲孔阵列，由盲孔底部表面11与单晶硅晶圆片上表面10所构成膜片是感压弹性膜片，该盲孔即为法珀微腔1，盲孔的深度即为法珀微腔1的腔长，盲孔的底部表面11为法珀微腔1的第二个反射面；在真空环境下进行阳极键合将单晶硅晶圆片的下表面13和玻璃晶圆片上表面14键合到一起，至此，完成了法珀微腔1的制作；玻璃晶圆片上表面14为法珀微腔1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种EFPI光纤压力传感器，包括：压力敏感结构、圆柱形中空管和传输光纤；压力敏感结构底部与圆柱形中空管同轴固连，传输光纤穿入圆柱形中空管至压力敏感结构底部，并与圆柱形中空管封装固连，其特征在于：所述的压力敏感结构为两层结构，分别为压力敏感结构上层单元和压力敏感结构下层单元；所述压力敏感结构上层单元采用单晶硅晶圆片材料；所述压力敏感结构下层单元采用玻璃晶圆片材料。

【技术特征摘要】
1.一种EFPI光纤压力传感器，包括：压力敏感结构、圆柱形中空管和传输光纤；压力敏感结构底部与圆柱形中空管同轴固连，传输光纤穿入圆柱形中空管至压力敏感结构底部，并与圆柱形中空管封装固连，其特征在于：所述的压力敏感结构为两层结构，分别为压力敏感结构上层单元和压力敏感结构下层单元；所述压力敏感结构上层单元采用单晶硅晶圆片材料；所述压力敏感结构下层单元采用玻璃晶圆片材料。2.一种EFPI光纤压力传感器制作方法，其特征在于：包括以下步骤：1)制作压力敏感结构a)选取原表面平整度满足光学干涉原理要求的双抛玻璃晶圆片和单晶硅晶圆片，并进行标准清洗；b)在单晶硅晶圆片下表面加工盲孔阵列，盲孔底部至单晶硅晶圆片上表面结构的作用是感压弹性膜片，该盲孔即为法珀微腔，盲孔的深度即为法珀微腔的腔长，盲孔的底部表面为法珀微腔的第二个反射面；c)采用阳极键合将单晶硅晶圆片的下表面和玻璃晶圆片上表面键合到一起，至此，完成了法珀微...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋广慧，江琴，陈爽，张慧君，张欣颍，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11