法珀传感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及法珀传感器及其制造方法。法珀传感器包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。

Fabry-Perot Sensor and Its Manufacturing Method

The invention relates to a Fapper sensor and a manufacturing method thereof. The Fabry-Perot sensor includes: a base; a cavity formed between the base and the pressure-sensitive diaphragm and sealed by the base and the pressure-sensitive diaphragm; the pressure-sensitive diaphragm is fixed to the base, where the pressure-sensitive diaphragm has one or more local areas, each of which has a doping into the base material of the pressure-sensitive diaphragm to generate stress. Impurities, any local area does not penetrate the entire thickness of the pressure sensitive diaphragm, the pressure sensitive diaphragm presents wavy structure under the action of the stress; an optical fiber is used to transmit optical signals, one end of the optical fiber is fixed to the optical fiber mounting part at the base, and the optical fiber mounting part is at the end opposite to the cavity.

【技术实现步骤摘要】
法珀传感器及其制造方法
本专利技术涉及传感器领域，特别地涉及一种具有非线性补偿设计和优化的结构的法珀传感器，并涉及其制造方法。
技术介绍
光纤传感器已经广泛应用于各行各业，如石油、航空、航天、医疗、海洋等方面，且展现了优异的性能，例如具有耐受恶劣环境、耐电磁辐射、抗干扰、无源防爆、体积小巧、结构简单、动态范围大、能实现准分布测量、制作过程材料使用量少等优点。光纤传感器比较成熟的技术主要有两种，一种是利用光纤光栅黏贴在受压模型上，通过模型受到压力后的形变来进行压力测量；另外一种是采用法布里-珀罗腔(或可简称为法珀腔、FP腔)技术，通过腔长度的变化来感测压力或温度。采用第二种技术的光纤传感器可称为光纤法布里-珀罗传感器，或可简称为法布里-珀罗传感器、法珀传感器、FP传感器等，其特别适于作为压力传感器使用。专利US7689071B2公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器。附图1示出了这种现有的法布里-珀罗传感器的示例性图示。其中，该法珀传感器主要包括具有腔体1_5的玻璃基部1_6、固定到该玻璃基部1_6的单层压力敏感膜片1_4、设置在玻璃基部1_6的腔体底部的第一反射镜1_3、设置在压力敏感膜片1_4下表面的第二反射镜1_2，以及用于传导光学信号的双向光纤1_1。其中第一反射镜1_3、第二反射镜1_2以及腔体1_5构成法布里-珀罗腔。由于法布里-珀罗腔的长度是压力的明确函数，因此通过获知法布里-珀罗腔的长度即可获知施加到压力敏感膜片1_4的压力。上述单质单晶薄膜结构的法珀传感器采用存在若干问题。如图3所示，随着压力的增加，其压力敏感膜片偏移量的增加明显减少，即压力敏感膜片的偏移是所施加压力的非线性函数。由于压力敏感膜片的偏移在全压力量程中存在这种较强的非线性，因此在较高压力范围内法珀传感器的灵敏度受到限制。针对上文所述的技术问题，专利CN103534568B公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器，其围绕特定偏压压力进行了灵敏度优化。附图2示出了该专利CN103534568B所公开的法布里-珀罗传感器的局部示意图。具体地，该法珀传感器包括基部2_1以及安装在该基部上的压力敏感膜片。该压力敏感膜片包括由第一材料制成的第一层2_2、和由第二材料制成且包括内部应力的第二层2_3。第二层2_3安装在该第一层2_2上，使得压力敏感膜片形成双层结构。上述采用双层或更多层复合膜结构的法珀传感器仍然存在若干问题，包括但不限于，第一，利用额外的、存在应力的结构层来拉伸传感器灵敏度的线性段，使得压力敏感膜片必须为非单层结构，增加了压力敏感膜片结构的复杂度；第二，多层膜相比单层膜，由于膜厚的增加，会降低整体传感器的灵敏度；第三，多层膜材料自身长期稳定性也综合影响传感器的长期性能；第四，由于尺寸微小，在上述专利的制造方法中，为了将第二层增加到第一层上需要复杂的工艺和步骤，这增加了传感器的制造成本。
技术实现思路
着眼于现有传感器设计中存在的上述问题，本专利技术设计了一种新型的法布里-珀罗传感器，其不但能够避免现有传感器设计存在的上述问题，还具有下文中所述的其他优势。本专利技术提出一种法珀传感器，包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。通过物质掺杂的方式，能够以有效的方式减弱传感器的非线性，提高传感器不同量程的适用性。可选地，所述压力敏感膜片为一体的单层结构。通过特定的掺杂方式实现膜片的波状构造，既避免了现有技术中双层膜片结构中存在的前述诸多问题，又避免了构造多层膜片结构的复杂技术步骤。可选地，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm。可选地，所述基部的厚度为200μm至500μm。可选地，所述腔体的直径为80μm至300μm。即，本专利技术所限定的技术方案特别适用于实施于微型传感器。可选地，所述应力为拉应力。可选地，所述应力为压应力。可选地，所述一个或多个局部区域包括位于压力敏感膜片中心位置处的大致圆形区域。可选地，所述一个或多个局部区域包括围绕压力敏感膜片中心位置的大致环形区域。可选地，所述局部区域位于压力敏感膜片的靠近腔体的局部厚度中。可选地，所述局部区域位于压力敏感膜片的远离腔体的局部厚度中。可选地，在不同的局部区域掺杂有不同的掺杂物质。可选地，在同一局部区域掺杂有不同的掺杂物质。通过掺杂的方式在膜片中形成应力集中，并合理地设置应力类型以及集中的区域，能够形成优化且合理的波状结构，从而改善传感器性能。可选地，所述压力敏感膜片的所述基础材料为硅。可选地，所述掺杂物质为以下材料中的一种或多种：P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg。可选地，所述光纤通过UV胶固定到光纤接收部。可选地，所述法珀传感器还包括第一反射膜和第二反射膜，所述第一反射膜位于压力敏感膜片的一侧上，且第二反射膜位于所述腔体的底部。可选地，形成所述第一反射膜和第二反射膜的材料为以下至少之一：Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al2O3、Ta2O5。可选地，所述形成基部的材料为以下至少之一：玻璃、单晶硅、碳化硅、蓝宝石。可选地，所述腔体为真空腔。本专利技术还提出一种制造法珀传感器的方法，包括：制造压力敏感膜片，包括：步骤1：提供用于生产压力敏感膜片的压力敏感膜片基材；步骤2：将一种或多种掺杂物质掺杂到压力敏感膜片基材的一个或多个局部区域内，以在所述局部区域产生应力，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度；制造具有腔体的基部；将压力敏感膜片与基部结合在一起，使得所述腔体被压力敏感膜片和基部封闭。可选地，进行物质掺杂后的压力敏感膜片为一体的单层结构。可选地，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm，所述基部的厚度为200μm至500μm。可选地，所述应力为拉应力。可选地，所述应力为压应力。可选地，在步骤2中，所述掺杂物质与构成压力敏感膜片基材的基础材料在原子或分子水平上掺杂在一起。可选地，所述局部区域为一个或多个大致环形区域。可选地，所述局部区域为一个或多个大致圆形区域。可选地，所述压力敏感膜片基材为SOI晶圆。可选地，所述压力敏感膜片基材为其上形成有二氧化硅层的硅衬底。可选地，所述步骤1还包括：对压力敏感膜片基材进行清洗和干燥。可选地，所述步骤2还包括：对压力敏感膜片基材涂光刻胶，并去除部分光刻胶以暴露出需要进行掺杂的所述局部区域。可选地，在步骤2中，掺杂通过高温扩散的方式进行。可选地，所述高温扩散具体为在高温下进行浓硼扩散。可选地，在步骤2中，掺杂通过离子注入的方式进行。可选地，在所述离子注入过程中选用B、P、As中的一种或多种作为注入离子。可选地，制造压力敏感膜片的步骤还包括：步骤3：在掺杂之后，对压力敏感膜片进行清洗，去除压力膜片表面杂质；步骤4：对清洗后的压力敏感膜片进行退火。可选地，制造压力敏感膜片的步骤还包括步骤5：在压力敏感膜片一侧通过以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种法珀传感器，包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。

【技术特征摘要】
1.一种法珀传感器，包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。2.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片为一体的单层结构。3.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm。4.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述基部的厚度为200μm至500μm。5.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述腔体的直径为80μm至300μm。6.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述应力为拉应力。7.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述应力为压应力。8.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述一个或多个局部区域包括位于压力敏感膜片中心位置处的大致圆形区域。9.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述一个或多个局部区域包括围绕压力敏感膜片中心位置的大致环形区域。10.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述局部区域位于压力敏感膜片的靠近腔体的局部厚度中。11.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述局部区域位于压力敏感膜片的远离腔体的局部厚度中。12.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，在不同的局部区域掺杂有不同的掺杂物质。13.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，在同一局部区域掺杂有不同的掺杂物质。14.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片的所述基础材料为硅。15.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述掺杂物质为以下材料中的一种或多种：P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg。16.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述光纤通过UV胶固定到光纤接收部。17.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述法珀传感器还包括第一反射膜和第二反射膜，所述第一反射膜位于压力敏感膜片的一侧上，且第二反射膜位于所述腔体的底部。18.如前一权利要求所述的法珀传感器，其中，形成所述第一反射膜和第二反射膜的材料为以下至少之一：Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al2O3、Ta2O5。19.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述形成基部的材料为以下至少之一：玻璃、单晶硅、碳化硅、蓝宝石。20.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述腔体为真空腔。21.一种制造法珀传感器的方法，包括：制造压力敏感膜片，包括：步骤1：提供用于生产压力敏感膜片的压力敏感膜片基材；步骤2：将一种或多种掺杂物质掺杂到压力敏感膜片基材的一个或多个局部区域内，以在所述局部区域产生应力，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度；制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立喆，林春，
申请(专利权)人：北京佰为深科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11