带有复合介质薄膜的F-P压力传感器制造技术

本发明专利技术公开的一种带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，包括制有F-P谐振腔的上插芯，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谐振腔端口的压力膜片。在所述的压力膜片背面以及所述F-P谐振腔凹槽底部硅片上生长有至少一层复合介质膜，所述复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。本发明专利技术结构简单，制作方便快捷，成本低，有较高的热稳定性。本发明专利技术在压力膜片背面和上插芯凹槽底面生长复合介质膜，通过压力膜片与上插芯连接形成F-P谐振腔，匹配系统的反射率，这种组合复合介质膜不但热稳定性好，同时可以根据设计要求组合得到满足系统要求的反射率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种广泛应用于温度、应变、振动和压力等物理量测量的光纤法珀(F-P)传感器，特别是涉及一种带有复合介质薄膜的F-P压力传感器。
技术介绍
光纤传感器以光作为信息载体，以光纤作为信传输介质，对被测参量进行传感测量。它具有好的电绝缘性，强的抗电磁干扰能力，同时还具有耐高温、高压，耐腐蚀特性，并且能在易燃易爆等恶劣环境下使用。光纤法布里-法珀(F-P)传感器是光纤传感器中的一个重要的分支。光纤F-P谐振腔压力传感器的敏感部件是光纤F-P谐振腔，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谐振腔长的变化，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传感器具有结构简单，体积小，高可靠性，高灵敏度，响应时间短，单光纤信号传输等优点受到人们普遍的关注，同时还在石油化工、航空航天及桥梁等建筑物的健康监测中有广泛的应用前景，是目前的研究热点之一。绝大部分F-P传感器的基本测量原理都是以压力(压强)测量为基础的,比如超声测量就是测量由声信号所引起的一种动态压强的变化;磁场测量也是先由磁致伸缩材料将磁场转化为应力来测量等等。光纤F-P压力传感器的通常由石英管和单模光纤构成。单模光纤的外径为125m,石英管的内径为126m.用两段单模光纤(SMF1和SMF2)插入石英管中,两光纤端面根据需要相距可以在几十到几百微米的范围,中间为空气隙,在石英管中形成一个外腔式F-P干涉腔,两反射光束分别来自于SMF1和SMF2的端面,在SMF1中形成干涉条纹。在石英管两端将石英管与光纤粘接在一起,如果有外力作用,石英管会发生形变,相当于腔长S有一个微小的变化。对于F-P光纤压力传感器,根据其测量范围和分辨率的要求,需要控制传感器的温度系数.在几个影响因素中,以粘接胶的影响最大,通过控制涂胶方式,可以大幅度改善其温度敏感性,但如果通过控制涂胶方式不能满足要求,则应考虑用熔接方式将光纤和石英管焊接在一起,但此种方法要求工艺较高;第二个因素是腔中的空气热胀冷缩,在干涉腔中产生一定的压强,会部分抵消或加强外界压强,解决方法是采用开放腔,可以将只起反射作用的光纤换成带孔光纤,并延长到外界空气中,可以保持腔内空气压强恒定。SU－8复合材料压力传感器是国外一种比较成熟的压力传感器，在介入式生物医学已经有了广泛的应用。但是由于SU-8复合材料不是密封材料，在微系统中会引入其它误差源，同时材料还具有迟滞及漂移等问题，对传感器的性能有一定的影响。膜片迟滞、密封问题、反射层分层也有可能使这种传感器稳定性较差。目前，光纤传感器正在朝微型化、低成本、耐恶劣环境和实用化方向发展。我国的研究水平与国际领先水平还有不小的差距，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。膜片式F-P谐振腔结构理论上可以获得较高的灵敏度,但目前能够在光纤端面上制作高灵敏膜片的技术仍存在诸多缺陷,如工艺复杂、材料温度和力学特性差等。目前，膜片式光纤F-P谐振腔的压力传感器的传感头通常采用微机电(MEMS)技术加工制作，这种方法加工精度高，能批量化生产，如中国专利公开号CN103644987A,CN103698080A所述，硅材料的感压膜片玻璃凹槽是通过阳极键合的方式连接形成F-P谐振腔，通过的测量的F-P谐振腔底面和感压膜片之谐振腔的反射光谱，来测量外界的压力。但是目前F-P压力传感器还存在着难点问题，传统光纤F-P谐振腔的压力传感器都是在插芯凹槽的底面生长一层单层介质膜(一般为Ta2O5),这种结构存在着两个方面的问题：1)、单层介质膜(一般为Ta2O5)的热稳定性较差，随着温度的变化，介质膜由于热胀冷缩导致其表面出现起伏不平，导致光纤F-P谐振腔的压力传感器产生随着温度变化的附加腔长，进而导致传感器精度降低。2)、由插芯凹槽的单介质膜和裸露硅片组成的F-P谐振腔的总体反射率很难满足解调系统信噪比的要求，导致目前F-P压力传感器的总体精度较低，一般小于0.1%FS。为了进一步提升传感器的综合精度，需要优化设计F-P谐振腔两端的反射率。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种热稳定性好，精度高，可靠性好,且带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，以解决目前光纤F-P压力传感器由热稳定性和反射率带来精度下降问题。本专利技术的上述目的可采用如下技术方案来实现：一种带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，包括制有F-P谐振腔的上插芯，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F-P谐振腔端口的压力膜片，其特征在于：在所述压力膜片的背面以及F-P谐振腔凹槽底部硅片上生长有至少一层复合介质膜，所述复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果。本专利技术采用一种新的复合介质膜作为光纤F-P压力传感器谐振腔的反射膜,该复合介质膜SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合材料具有无机材料的特性,硬度高、热稳定性好、弹性好、与玻璃基底材料粘合强,同现有的MEMS微细加工工艺兼容，重复性好，可以进行大批量制造，适合于工业生产。本专利技术能进一步提升光纤F-P压力传感器的信噪比，提高系统的精度。本专利技术在压力膜片背面生长有复合介质膜和上插芯凹槽底面生长复合介质膜，通过压力膜片与上插芯连接形成F-P谐振腔，匹配系统的反射率，同时可以根据设计要求组合得到满足系统要求的反射率。采用MEMS工艺加工而成带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，器灵敏度和精度较石英膜片式传感器提高了约两个数量级。本专利技术采用在凹槽底面生长复合介质膜，用它来代替单介质膜，能解决由热稳定性和反射率带来精度下降问题。本专利技术采用SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜力学特性好，机械灵敏度高，热稳定性好，重复性好，与玻璃键合强度高，厚度可控性好。该传感器既具备较高的信噪比，同时又避免了电路噪声及电磁干扰，医学上可用于人体内压力检测和口腔义齿压力检测，工业上可用于高温环境下的压力检测。附图说明图1为本专利技术带有复合介质薄膜的F-P压力传感器的系统结构原理剖视图。图中:1压力膜片、2复合介质膜、3上插芯、4下插芯，5光纤。图2：光纤F-P压力传感器在不同反射率下的反射光谱图。图中:(a)、(c)对应的LED光源,(b)、（d）对应的宽带光源。具体实施方式在图1所示的实施例中，带有复合介质薄膜的F-P压力传感器由压力膜片1、复合介质膜2、上插芯3、下插芯4和光纤5组成，其中，上插芯3与下插芯互连成整体，光纤5一部分插入下插芯4，另一部分位于下插芯外，作为传导光纤与解调设备连接。压力膜片1背面生长有复合介质膜(2)和具有凹槽上插芯(3)凹槽底面生长有复合介质膜2。压力膜片1与上插芯3连接形成F-P谐振腔。上插芯3和下插芯4互连成整体。压力膜片背面以及所述F-P谐振腔凹槽底部生长的至少一层复合介质膜，所述压力膜片背面的复合介质膜为或氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5多层薄膜,或SiO2、Ta2O5、Si3N4多层薄膜，凹槽底面复合介质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有复合介质薄膜的F‑P压力传感器，包括制有F‑P谐振腔的上插芯，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F‑P谐振腔端口的压力膜片，其特征在于：在所述压力膜片的背面以及F‑P谐振腔凹槽底部硅片上生长有至少一层复合介质膜，所述复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/ Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，包括制有F-P谐振腔的上插芯，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F-P谐振腔端口的压力膜片，其特征在于：在所述压力膜片的背面以及F-P谐振腔凹槽底部硅片上生长有至少一层复合介质膜，所述复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。2.根据权利要求1所述的带有复合介质薄膜的F-P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所述的带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，其特征在于：在硅片一面溅射生长至少一层Si3N4/Ta2O5薄膜，多层薄膜的厚度为50/100nm。4.根据权利要求1所述的带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，其特征在于：在上插芯（3）凹槽底面溅射生长至少一层SiO2/Ta2O5/Si3N4薄膜，多层薄膜的厚度为50/100/60nm。5.根据权利要求1所述的带有复合介质薄膜的F-P压力传感器，其特征在于：通过阳极键合工艺把压力膜片（1）与上插芯（3）连接形成F-P谐振腔；将传导光纤（5）一端充分研磨平整，固定与下插芯（4）的插孔中，并与下插芯...

【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