本发明专利技术公开了一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤；其中，F-P应变敏感MEMS芯片由SOI应变梁、玻璃固定极和硅套管组成；SOI应变梁包括顶层硅、中间氧化层和底层硅；SOI应变梁通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃固定极上，玻璃固定极通过硅-玻璃阳极键合固定在硅套管上，准直扩束光纤通过焊料固定在硅套管上；所述F-P压力敏感MEMS芯片基于MEMS微加工技术制备，可以实现器件的微型化、批量化制作；应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤；其中，F-P应变敏感MEMS芯片由SOI应变梁、玻璃固定极和硅套管组成；SOI应变梁包括顶层硅、中间氧化层和底层硅；SOI应变梁通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃固定极上，玻璃固定极通过硅-玻璃阳极键合固定在硅套管上，准直扩束光纤通过焊料固定在硅套管上；所述F-P压力敏感MEMS芯片基于MEMS微加工技术制备，可以实现器件的微型化、批量化制作；应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接。【专利说明】一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计及成型方法
本专利技术涉及一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。
技术介绍
在工程测量技术中，应变测量是最为基础和重要的技术之一。电阻应变测量方法是获取应变试验数据的一种基本传统手段，然而，电阻应变片抗疲劳性能差、零点漂移严重，易受电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等环境因素的影响，无法用于长期在线测量，也不能满足高温、电磁环境中精确测量应变的需求。 近年来，光纤传感器作为一种新型的测量手段，因其抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如波分复用与时分复用)、可长距离信号传输等优良特性，在工程测量和科学试验中得到日益广泛的应用。在单点或准分布式多点应变测量领域，尤其以光纤光栅应变计和光纤F-P应变计的应用最为广泛。 光纤光栅加工制作简单、串联或并联组网容易，在桥梁、大坝、隧道、高层建筑等土木工程结构安全监测领域得到了广泛应用，近年来在飞机、船舶等静载测试和结构健康监测中也有应用，已成为一种日益成熟的应变测量技术手段。 与光纤光栅应变计相比较，光纤F-P应变计具有更为紧凑的结构，尤其在灵敏度和耐高温方面具有光纤光栅应变计不可比拟的优势。因此，近年来在航空航天、国防军事和工业制造等高温、高精度测量领域，光纤F-P应变计展现出了不可替代的独有技术优势。 光纤F-P传感器的制作过程中，最为关键的是F-P光学干涉腔的制作和封装，由于其工作原理决定了 F-P光学干涉腔由具有一定反射率的两个平行平面组成，光束在其间多次反射构成多光束干涉，因此，F-P光学干涉腔两个反射平面的表面光洁度和平行度有苛刻的要求，才能保证获得良好的信噪比。传统的光纤端面加工手段很难实现F-P光学干涉腔的批量化制作，而且两个光纤端面的对准精度和封装后的长期稳定性也是难以解决的问题。近年来，深紫外激光加工技术和飞秒激光加工技术的出现带动了光纤微纳加工技术的快速发展，既可以在光纤端面烧蚀加工微腔后借助光纤端面焊接来构造F-P光学干涉腔，也可以通过对光纤切削刻槽直接在其轴向形成F-P光学干涉腔，从而实现了 F-P光学干涉腔的批量化制造，同时极大减小了光纤F-P应变计的体积。但是，这些基于光纤端面加工或光纤本体微加工制作出的F-P光学干涉腔由于无法获得高光洁度反射面，也难以通过光学镀膜来提高反射面的光学反射率，因此，很难提高F-P光学干涉腔的干涉谱精细度，难以进一步提高测量分辨率，无法满足小量程、高灵敏度应变测量应用领域(如高速风洞气动力测量，工业领域多分量动态力和力矩测量)；而且由于F-P光学干涉腔的干涉精细度因子低，只能采用强度调制解调型和相位调制解调型信号解调方式，容易受光源功率波动和光纤折弯的影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接；目的之二在于提供一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计的成型方法所述应变计的器件采用MEMS工艺制作，可以实现器件的微型化、批量一致化制作。 本专利技术的目的由以下技术方案实现: 一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤； 其中，F-P应变敏感MEMS芯片由SOI应变梁、玻璃固定极和硅套管组成； 所述SOI应变梁包括顶层硅、中间氧化层和底层硅；其中，底层硅的一侧端面沉积有增透膜和钝化层；另一侧端面沉积有高反膜；中间氧化层和顶层硅均加工有中心孔，所述中心孔同轴，且孔径形同； 所述玻璃固定极一侧端面沉积有增透膜，另一侧端面沉积有高反膜； 所述硅套管加工有中心孔； 所述准直扩束光纤的上端部设置有自聚焦透镜或等效光学元件(实现光纤出射光的平行扩束)；所述准直扩束光纤的出射平行光束直径大于光纤纤芯直径。 整体连接关系为: SOI应变梁通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃固定极上，键合面为SOI硅片中顶层硅沉积有高反膜一侧的端面与玻璃固定极沉积有高反膜一侧的端面；玻璃固定极通过硅-玻璃阳极键合固定在硅套管上，键合面为玻璃固定极沉积有增透膜一侧的端面与硅套管一侧的端面；准直扩束光纤通过焊料同轴固定在硅套管上；其中，中间氧化层和顶层硅中心孔的内圆周面、顶层娃沉积有高反膜I 一侧的端面与玻璃固定极沉积有高反膜II 一侧的端面构成密闭空腔一；硅套管中心孔的内圆周面、玻璃固定极沉积有增透膜I 一侧的端面、与准直扩束光纤上端面构成密闭空间二 ；高反膜I与高反膜II之间的区域形成F-P光学干涉腔；所述增透膜1、增透膜1、高反膜I及高反膜II的中心点位于顶层硅中心孔的轴线上；且增透膜1、增透膜1、高反膜I及高反膜II的面积均大于准直扩束光纤的出射光束面积，所述光束直径为50?300 μ mo 所述增透膜构成材料优选Si02/Ta205复合介质膜、S1 2/Ti02复合介质膜和S1 JSi3N4复合介质膜中的一种； 高反膜优选Si02/Ta205复合介质膜、S1 2/Ti02复合介质膜和S1 2/Si3N4复合介质膜中的一种； 其中，SOI应变梁底层硅上的高反膜还可采用金属薄膜材料；所述金属优选金或铝；当底层硅上的高反膜采用金属薄膜材料时，底层硅的右侧端面可以不沉积增透膜。 工作原理: 光纤F-P应变计利用法布里一珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)干涉原理:当相干光束沿准直扩束光纤入射到F-P应变敏感MEMS芯片时，在玻璃固定极右侧端面的高反膜与SOI应变梁底层硅左侧端面的高反膜之间多次反射构成多光束干涉，并沿原路返回到准直扩束光纤。沿原路返回到准直扩束光纤的干涉输出信号与玻璃固定极的高反膜与SOI应变梁底层硅的高反膜之间的微腔的长度相关。在外部应变的作用下，玻璃固定极的高反膜与SOI应变梁底层硅的高反膜之间的微腔的长度发生改变，使得返回到准直扩束光纤的干涉输出信号的波长或相位相应改变，由此可以实现对作用于F-P光纤应变计的外部应力应变进行精确测量。 一种基于MEMS工艺的光纤F-P应变计的成型方法，所述方法的具体步骤如下: (I)在SOI硅片的顶层硅上进行光刻处理后利用De印RIE工艺刻蚀，在顶层硅的轴向形成圆孔；刻蚀深度为顶层硅的厚度； (本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于MEMS工艺的光纤F‑P应变计，其特征在于：所述光纤F‑P应变计主要包括F‑P应变敏感MEMS芯片(1)和准直扩束光纤(2)；其中，所述F‑P应变敏感MEMS芯片(1)由SOI应变梁、玻璃固定极(3)和硅套管(4)组成；所述SOI应变梁包括顶层硅(5)、中间氧化层(6)和底层硅(7)；其中，底层硅(7)一侧的端面沉积有增透膜Ⅰ(8)和钝化层(10)，另一侧的端面沉积有高反膜Ⅰ(9)；中间氧化层(6)和顶层硅(5)均加工有中心孔，所述中心孔同轴，且孔径形同；所述玻璃固定极(3)一侧的端面沉积有增透膜Ⅰ(11)，另一侧的端面沉积有高反膜Ⅱ(12)；所述硅套管(4)加工有中心孔；所述准直扩束光纤(2)的上端部设置有自聚焦透镜或等效光学元件；所述准直扩束光纤(2)的出射平行光束直径大于光纤纤芯直径；整体连接关系为：所述SOI应变梁通过硅‑玻璃阳极键合固定在玻璃固定极(3)上，键合面顶层硅(5)沉积有高反膜Ⅰ(9)一侧的端面与玻璃固定极(3)沉积有高反膜Ⅱ(12)一侧的端面；玻璃固定极(3)通过硅‑玻璃阳极键合固定在硅套管(4)上，键合面为玻璃固定极(3)沉积有增透膜Ⅰ(8)一侧的端面与硅套管(4)一侧的端面；准直扩束光纤(2)通过焊料焊接在硅套管(4)的中心孔中；其中，中间氧化层(6)和顶层硅(5)中心孔的内圆周面、顶层硅(5)沉积有高反膜Ⅰ(9)一侧的端面与玻璃固定极(3)沉积有高反膜Ⅱ(12)一侧的端面构成密闭空腔一；硅套管(4)中心孔的内圆周面、玻璃固定极(3)沉积有增透膜Ⅰ(8)一侧的端面与准直扩束光纤(2)上端面构成密闭空间二；高反膜Ⅰ(9)与高反膜Ⅱ(12)之间的区域形成F‑P光学干涉腔；所述增透膜Ⅰ(8)、增透膜Ⅰ(11)、高反膜Ⅰ(9)及高反膜Ⅱ(12)的中心点位于顶层硅(5)中心孔的轴线上；且增透膜Ⅰ(8)、增透膜Ⅰ(11)、高反膜Ⅰ(9)及高反膜Ⅱ(12)的面积均大于准直扩束光纤(2)的出射光束面积。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：钟少龙，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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