光纤F-P腔应力释放压力传感器制造技术

本发明专利技术公开的一种光纤F-P腔应力释放压力传感器，包括制有F-P腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F-P腔端口的压力膜片，其中所述压力膜片与上插芯连接形成F-P腔。在所述压力膜片的键合区域和感压区域设计有应力释放结构，所述应力释放结构是由分布在上述键合区域和感压区域内的应力释放孔组成的，压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力通过这些不同形状的通孔来释放。通过本发明专利技术键合区域的应力释放通孔，可以释放由于压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力。很好地消除F-P腔压力传感器的温度敏感性。本发明专利技术结构简单，制作方便快捷，成本低，可实现高精度的压力传感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种广泛应用于不同领域的应力、应变、压力、温度等物理量测量的F-P腔压力传感器，特别是涉及一种带有应力释放结构的光纤F-P腔压力传感器。
技术介绍
光纤F-P腔压力传感器的敏感部件是光纤F-P腔，当光进入光纤F-P腔后，将会在两反射端面间多次反射，形成多光束干涉光谱。当在进行压力测试时，外界压力的变化引起光纤F-P腔长的变化，从而引起多光束干涉光谱变化，利用外部解调设备可以计算出压力值。光纤F-P腔压力传感器是伴随着光纤通讯技术的发展而发展起来的，由于其具有信号不受电磁场干扰、绝缘性高、防爆性好，结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，响应时间短等诸多优点，目前在民用和军事领域都有着越来越广泛的应用前景。例如，在医学领域，利用光纤压力传感器进行颅压、胸压、腹压等的测量可以最大限度地减小患者手术的风险；而在进行断层扫描（CT）及核磁共振（NMR）时，它依旧可以准确地测量病患部位的压力，突出了其抗电磁干扰的特性。国内外诸多科研机构，例如:南京师范大学、美国的弗吉尼亚理工学院、斯坦福大学;英国赫瑞瓦特大学;斯洛文尼亚的马里博尔大学等都在做光纤F-P腔压力传感器研究工作。根据传感器材料、制作方法等的不同，光纤F-P腔压力传感器可分为全光纤结构和MEMS膜片式。全光纤结构F-P腔压力传感器的基本结构是将两根光纤的端面作为反射面，使两光纤端面严格平行、同轴，与中空光纤形成一个腔体。当腔体一定时，其变形量与所受的压强成正比，而腔体长度的变化影响到光纤内入射光与反射光的光程差。由于全光纤结构F-P光纤压力传感器的主体部分全部采用光纤材料，因此其主要特点是具有很好的热稳定性能。但目前能够在光纤端面制作技术仍存在工艺复杂、材料温度和力学特性差等诸多缺陷，所以全光纤结构F-P腔压力传感器不适合批量化生产，限制了其应用。上世纪七八十年代国外已经提出基于膜片设计F-P压力传感器结构，光学反射平面采用的是对压力敏感的膜片，当膜片随着压力的变化产生位移,F-P腔的腔长也随之发生变化。随着技术的不断成熟，光纤F-P压力传感器出现很多种不同结构,其中光纤MEMS压力传感器传感器是其中一个重要的部分。进入21世纪以来，微电子机械系统(MEMS)技术在光领域中的应用非常引人注目，将光纤传感技术和MEMS技术相结合制作新型光纤MEMS传感器已经成为光纤传感器制作领域的新热点。MEMS技术的引入，使得F-P压力传感器的可靠性、抗电磁干扰以及抗腐蚀性都有提高，而且F-P腔MEMS光纤压力传感器还具有尺寸小、准确度高、动态范围大等诸多优点，同时，由于MEMS器件适合于大规模集成化生产，一旦技术成熟，产品定型，可以大大降低传感器的成本。随着MEMS技术的不断成熟完善，国外多家高校及研究机构都进行了F-P光纤MEMS压力传感器的研究工作，并且出现了不同结构的F-P光纤MEMS压力传感器。其中一部分传感器的压力敏感膜是运用体硅工艺和表面牺牲层工艺制作的，还有一部分的传感器是利用光纤腐蚀熔接工艺制作的。但是，目前光纤MEMS压力传感器传感器还存在着难点问题，如中国专利公开号CN103644987A,CN103698080A)所述，硅材料的感压膜片与玻璃凹槽是通过阳极键合的方式连接而成，但是这种结构存在着两个方面的问题：1、感压膜片与玻璃凹槽所属不同材料，由于它们热膨胀系数的差异，使得感压膜片与玻璃凹槽键合处存在着较大的应力，从而使得光纤F-P腔压力传感器温漂系数大，线性度差；2、由感压膜片与玻璃凹槽键合处的热应力失配，使感压膜片随温度变化，产生附加形变，从而光纤F-P腔压力传感器重复性下降，时漂增加，进一步降低F-P压力传感器的精度。目前困扰光纤F-P压力传感器综合性能的难点问题，是由于温度效应使光纤F-P腔压力传感器内部产生附加应力，导致传感器精度和可靠性下降。
技术实现思路
为解决困扰光纤F-P压力传感器综合性能的难点问题，本专利技术的目的提供一种力学特性好，灵敏度高，精度高，同时具有高可靠性，线性度好的，一种带有应力释放结构的光纤F-P腔压力传感器。本专利技术的目的可采用如下技术方案来实现：一种光纤F-P腔应力释放压力传感器，包括制有F-P腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F-P腔端口的压力膜片，其中所述压力膜片与上插芯连接形成F-P腔，其特征在于：在所述压力膜片的键合区域和感压区域设计有应力释放结构，所述应力释放结构是由分布在上述键合区域和感压区域内的应力释放孔组成的，压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力通过这些不同形状的应力释放孔来释放。本专利技术采用带有应力释放结构的光纤F-P腔压力传感器，通过压力膜片感压区设计的形状为正方形、菱形、圆形、六边形孔的应力释放结构，其上孔深度为压力膜片厚度的1/3的这些应力释放孔可以释放压力膜片感压区域中温度内应力，从而保证压力膜片对外界压力的感压的线性度。与现有的技术相比，本专利技术在技术上有较大的突破：本专利技术的主要特点是在光纤F-P腔压力传感器设计有应力释放结构。这种应力释放结构有主要有两个主要的作用：1)、通过键合区域的应力释放通孔，可以释放由于压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力。这样可以很好地消除F-P腔压力传感器的温度敏感性，降低传感器的温漂系数，提高传感器的线性度；2)、感压区域的应力释放能够释放由于温度效应所引起的材料内部应力，降低感压膜片受温度的影响，提升传感器的重复性，降低时漂，从而提高传感器的综合精度。附图说明图1为本专利技术一种光纤F-P腔应力释放压力传感器系统结构原理的剖视图。图2是本专利技术图1的应力释放结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为侧视图。图3是图1的原理图。图中:1、压力膜片，2、上插芯，3、下插芯，4、光纤。具体实施方式在如图1所示的一个最佳实施例中，一种光纤F-P腔应力释放压力传感器，制有F-P腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F-P腔端口的压力膜片，其中所述压力膜片与上插芯连接形成F-P腔，其中，压力膜片1与上插芯2通过阳极键合工艺连接形成F-P腔。光纤4一部分插入下插芯3，与其顶面平行，另一部分位于下插芯3外，作为传导光纤与解调设备连接，而上插芯2和下插芯3通过激光键合或者胶粘贴工艺互连成整体。上插芯和下插芯通过激光键合或者胶粘贴连接。其压力膜片设计的应力释放结构分别位于键合区域和感压区域。压力膜片的形状可根据不同的封装形式和系统精度的要求来选择压力膜片的形状，压力膜片的形状可以是正方形、菱形、圆形、六边形的一种或多种。压力膜片的键合区域设计的应力释放结构是由分布在上述键合区域和感压区域内的应力释放孔组成的，压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力通过这些不同形状的通孔来释放。这些结构形状的应力释放孔可为正方形、菱形、圆形、六边形通孔。应力释放孔的深度为压力膜片厚度的1/3。根据系统精度的要求来选择应力释放结构的形状，通过这些不同形状的应力释放孔来释放由于压力膜片和上插芯之间的热失配而产生的应力。本实施例的光纤F-P腔压力传感器的制作方法，其加工工艺步骤如下：选取无翘曲、表面平整度好(起伏小于1nm)、100晶向的优质硅片，厚度为50-300um，利用测控溅射在硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤F‑P腔应力释放压力传感器，包括制有F‑P腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F‑P腔端口的压力膜片（1），其中所述压力膜片与上插芯连接形成F‑P腔，其特征在于：在所述压力膜片的键合区域和感压区域设计有应力释放结构，所述应力释放结构是由分布在上述键合区域和感压区域内的应力释放孔组成的，压力膜片（1）和上插芯（3）之间的热失配而产生的应力通过这些不同形状的应力释放孔来释放。

【技术特征摘要】
1.一种光纤F-P腔应力释放压力传感器，包括制有F-P腔的上插芯，与上插芯轴向固联为一体的下插芯和插入所述下插芯的光纤，以及覆盖在所述F-P腔端口的压力膜片（1），其中所述压力膜片与上插芯连接形成F-P腔，其特征在于：在所述压力膜片的键合区域和感压区域设计有应力释放结构，所述应力释放结构是由分布在上述键合区域和感压区域内的应力释放孔组成的，压力膜片（1）和上插芯（3）之间的热失配而产生的应力通过这些不同形状的应力释放孔来释放。2.根据权利要求1所述的光纤F-P腔应力释放压力传感器，其特征在于：以100晶向的硅片作为压力膜片（1），压力膜片（1）厚度为50-300um。3.根据权利要求2所述的光纤F-P腔应力释放压力传感器，其特征在于：利用测控溅射在硅片一面生长至少一层Si3N4/Ta2O5薄膜，多层薄膜的厚度为100-1000nm。4.根据权利要求1所述的光纤F-P腔应力释放压力传感器，其特征在于：在上插芯（3）凹槽底面硅片上测控溅射生长至少一层SiO2/Ta2O5/Si3N4薄膜，多层薄膜的厚度为50/100/60nm。5.根据权利要求1所述的光纤F-P腔应力释放压力传感器，其特征在于：利用掩膜光刻工艺在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙波，熊菠，梅运桥，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51