一种光纤F-P腔MEMS温-压复合传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光纤F

【技术实现步骤摘要】
一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及医用高精度光纤传感
，尤其涉及一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在临床医疗领域，温度与压力监测是对身体部分器官疾病诊断最迅速、客观和准确的方法，也是临床药物指导和改善预后的重要手段，尤其是针对颅内温
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压复合监测。颅内温
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压复合监测通常采用植入式手段，在植入前需要对患者进行开颅手术，开颅大小由颅内温
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压复合监测所采用的传感器外径尺寸决定，外径尺寸的增大会提高整体结构的侵入性与开颅手术的危险性。目前，应用于临床的颅内植入式温
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压复合传感器主要包括压阻式与光纤式传感器。
[0003]压阻式温
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压复合传感器采用基于压阻效应的压力传感器与热敏电阻复合的双探头结构，通过将热敏电阻与压阻片集成于一块MEMS芯片中，可以使整体芯片结构尺寸尽可能小，目前最小尺寸的针对颅内测量的压阻式温
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压复合传感器探头直径可以做到800μm以内；且压阻式传感器采用金属材料引线与电信号传输，对信号传输方向不敏感，可以将传感器的感压面置于侧面，探头正面则采用球头结构进行保护，以实现整体结构的最小外径尺寸与侵入性。但压阻式传感器缺点在于其采用电信号传输与金属外壳封装形式，内部存在电涡流，无法在脑部CT、核磁共振等强电磁环境下使用，存在一定的局限性。
[0004]光纤式温
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压复合传感器通常采用光纤F
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P单谐振腔与布拉格光纤光栅复合的测量原理，光纤F
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P单谐振腔对压力敏感，布拉格光纤光栅对温度敏感。专利201110308246.1公开的一种基于光纤传感的微型颅内多参数传感器即采用上述测量方式，通过非金属材料封装以及全光路传输结构，可以实现传感器在强电磁环境下的使用。但该类传感器由于光纤对于信号传输方向的敏感性，导致其不能大角度弯折，使得该类传感器目前仅能通过正向开孔方式进行压力感知，不仅增大了整体封装结构尺寸与侵入性，同时锋利的传感器芯片边角还有可能导致在植入过程中对人体器官的损伤，增大了临床手术的难度与危险性。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的问题，本专利技术旨在提供一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器及其制备方法，该传感器采用光纤传感原理与光路转向技术，综合了压阻式与光纤式传感器的优点，可以在保证传感器灵敏度与抗电磁干扰能力的前提下，实现侧向压力感知，降低整体封装外径尺寸，减小传感器探头对植入部位的侵入性与损害性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器，其特征在于，所述传感器包括温
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压复合敏感芯片、多模石英光纤、光纤保护套管以及硅胶球头，其中，所述温
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压复合敏感芯片由压力敏感膜片(超薄的单晶硅材质，厚度为10μm)与玻璃基底(高硼硅材质，优选为BF33玻璃片)构成的长方体结构，尺寸为2000*500*530μm。
[0007]在超薄单晶硅压力敏感膜片内表面开设有凹腔，深度为20μm，该凹腔与所述玻璃基底表面通过阳极键合形成盲孔结构的F
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P空气腔；区别于传统的四周固支的圆膜片F
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P空气腔结构，本专利技术通过沿侧向拓宽F
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P空气腔腔室，增大传感器在轴向尺寸限制下的压力灵敏度。
[0008]在玻璃基底底部刻有微槽道，将多模石英光纤穿入定位至温
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压复合敏感芯片中部位置，并且所述多模石英光纤与光纤保护套管内壁相近的周面与光纤保护套管内壁面相贴接触。
[0009]所述温
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压复合敏感芯片定位嵌入且被包覆至所述光纤保护套管内，并且所述超薄单晶硅压力敏感膜片外表面贯穿所述光纤保护套管侧壁且与该光纤保护套管外侧相通。
[0010]在多模石英光纤位于微槽道内的端面设置有从多模石英光纤传射的光源经温
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压复合敏感芯片及其贯穿所述光纤保护套管的侧壁垂直射出的光路转向结构，该结构具体为斜45
°
面的光路转向棱镜。
[0011]进一步的，所述温
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压复合敏感芯片上表面与光纤保护套管侧壁平齐，在温
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压复合敏感芯片侧壁与光纤保护套管侧端处包覆设置硅胶球头。
[0012]该传感器工作原理如下：
[0013]光束自SLED白光光源发出，经1*2光纤耦合分束器入射多模石英光纤，入射光传输至镀有金属增反膜的斜45
°
结构时，该结构表现为光路转向棱镜，入射光作90
°
角转向从与玻璃基底水平连接的光纤侧壁出射，并从玻璃基底中心位置垂直入射温
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压复合敏感芯片。
[0014]对白光光源所在光波段(400
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850nm)而言，玻璃基底表现为光学透明，而单晶硅压力敏感膜片则表现为光学吸收，因此玻璃基底下表面、上表面以及单晶硅压力敏感膜片下表面三者构成双F
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P腔结构，入射至单晶硅压力敏感膜片的白光被材料所吸收不再返回。经双F
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P干涉腔调制形成的复合光谱信号自玻璃基底下表面垂直出射，再次经斜45
°
光路转向棱镜转向并进入多模石英光纤；最后，调制光经1*2光纤耦合分束器进入光谱仪模块，通过对双F
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P腔干涉光谱滤波并采用适当的腔长解调算法，即可实现对双F
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P腔腔长的分别获取。
[0015]特别的，单晶硅压力敏感膜片下表面与玻璃基底上表面构成F
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P空气腔，该腔基于大面积悬空薄膜表现为压力敏感；玻璃基底下表面与上表面构成F
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P基底腔，该腔基于材料热膨胀表现为温度敏感。通过对传感器的压力与温度静态标定，获取双F
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P腔腔长与各自敏感参量的对应关系，即可实现温度与压力的复合获取。
[0016]一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0017](1)选用洁净的SOI片，其由单晶硅器件层、二氧化硅埋氧层及单晶硅基底层构成，在单晶硅器件层表面旋涂光刻胶，光刻机曝光显影，形成所述F
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P空气腔的腔室刻蚀窗口；
[0018](2)以光刻胶为刻蚀掩膜，刻蚀所述F
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P空气腔至腔长，刻蚀过程采用Bosch工艺，以刻蚀10s，钝化1s为一组循环，刻蚀过程保证侧壁垂直度及底部粗糙度；
[0019](3)选用洁净的硼硅材质玻璃片，使用喷胶机在玻璃片表面喷涂厚光刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器，其特征在于，所述传感器包括温
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压复合敏感芯片(1)、多模石英光纤(2)、光纤保护套管(3)以及硅胶球头(4)，其中，所述温
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压复合敏感芯片(1)由压力敏感膜片(11)与玻璃基底(12)构成，所述压力敏感膜片(11)内表面开设有凹腔(101)，该凹腔(101)与所述玻璃基底(12)表面构成F
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P空气腔；所述温
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压复合敏感芯片(1)定位嵌入且被包覆至所述光纤保护套管(3)内，并且所述压力敏感膜片(11)外表面贯穿所述光纤保护套管(3)侧壁且与该光纤保护套管(3)外侧相通；所述多模石英光纤(2)一端穿入进光纤保护套管(3)内且定位穿至所述温
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压复合敏感芯片(1)底侧的中部位置处，并且所述多模石英光纤(2)与光纤保护套管(3)内壁相近的周面与光纤保护套管(3)内壁面相贴接触；所述多模石英光纤(2)穿设至所述温
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压复合敏感芯片(1)内的端面，设置有从多模石英光纤(2)传射的光源经温
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压复合敏感芯片(1)及其贯穿所述光纤保护套管(3)的侧壁垂直射出的光路转向结构；所述硅胶球头(4)连接在远离所述多模石英光纤(2)一侧的所述光纤保护套管(3)的端侧。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述光路转向结构为将多模石英光纤(2)内端面设置为朝向与所述光纤保护套管(3)单侧侧壁面方向的斜45
°
面的光路转向棱镜。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述温
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压复合敏感芯片(1)上表面与光纤保护套管(3)侧壁平齐。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述温
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压复合敏感芯片(1)结构尺寸为2000*500*530μm，所述F
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P空气腔腔长为20μm，所述压力敏感膜片(11)与F
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P空气腔对应位置处的厚度为10μm。5.根据权利要求2所述的一种光纤F
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P腔MEMS温
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压复合传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)选用洁净的SOI片，其由单晶硅器件层(5)、二氧化硅埋氧层(6)及单晶硅基底层(7)构成，在单晶硅器件层(5)表面旋涂光刻胶，光刻机曝光显影，形成所述F
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P空气腔的腔室刻蚀窗口；(2)以光刻胶为刻蚀掩膜，刻蚀所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志波，喜奇，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：