CN106323516B - 带有复合介质薄膜的f-p压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明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***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。本发明结构简单，制作方便快捷，成本低，有较高的热稳定性。本发明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***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***要求的反射率。

Description

带有复合介质薄膜的F-P压力传感器

技术领域

本发明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。

背景技术

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)***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***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***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。

发明内容

本发明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。

本发明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***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，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薄膜中的至少一种组合形态的多层薄膜。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明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。

本发明能进一步提升光纤F-P压力传感器的信噪比，提高***的精度。本发明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***的反射率，同时可以根据设计要求组合得到满足***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。

本发明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。本发明采用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 为本发明带有复合介质薄膜的F-P压力传感器的***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***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，凹槽底面复合介质膜为SiO₂、Ta₂O₅多层薄膜，或Si3N4、Ta₂O₅多层薄膜,或SiO₂、Ta₂O₅、Si₃N₄多层薄膜。

进一步地,以100晶向的硅片作为压力膜片1，压力膜片1厚度为50-300 um。

进一步地,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50nm或100 nm。

进一步地,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 nm或100 nm或60 nm。

带有复合介质薄膜的F-P压力传感器的制作方法的加工工艺步骤如下：选取无翘曲、表面平整度好(起伏小于1nm)、以100晶向的优质硅片作为压力膜片1，厚度为50-300um，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50nm或100 nm；利用标准MEMS工艺，对上插芯3按照设计要求制作凹槽，同时在上插芯3凹槽底面生长溅射至少一层SiO₂、Ta₂O₅、Si₃N₄薄膜，多层薄膜的厚度为50nm或100nm或60 nm；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，并固定于下插芯4的插孔中，并与下插芯4的顶端齐平；利用激光键合或者胶粘贴工艺将上插芯3和下插芯4连接，完成光纤F-P谐振腔压力传感器的制作。光源发出的光通过传导光纤垂直入射到F-P谐振腔,一部分光功率被上插芯3凹槽底面的复合介质膜端面反射, 其余光透射后,到达压力膜片1, 被压力膜片1下端的复合介质膜端面反射, 凹槽底面的复合介质膜端面反射光和压力膜片下端的复合介质膜端面反射光发生干涉。根据薄膜弹性形变原理, 作为压力敏感膜的压力膜片1在外界压力的作用下发生形变,从而改变 F-P 腔腔长,引起干涉谱变化,通过测量干涉光谱,对干涉光谱进行解调, 即可得到作用在压力膜片1上的压力变化。

本发明提高光纤F-P压力传感器***信噪比和精度的原理如下：

光纤F-P压力传感器的F-P谐振腔压力膜片下端的复合介质膜端面的反射率为R1，上插芯3凹槽底面的复合介质膜端面的反射率为R2，由于表面反射率较低，多光束干涉可以近似为双光束干涉，最后总光强可以表示为：

其中n表示F-P谐振腔的折射率，d表示F-P谐振腔的腔长，而I₀表示光源的强度，对于LED光源:

,对于宽带光源: I₀=C₀，其中C₀为常数。

图2是光纤F-P压力传感器***总光强I随着R1和R2的变化急剧变化，可以根据***的要求，在压力膜片和凹槽底面设计不同结构的复合介质膜，使***的信噪比达到最优值，从而提高光纤F-P压力传感器的性能精度。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。

Claims (7)

1.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***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薄膜中的至少一种组合形态的多层薄膜；

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，固定于下插芯（4）的插孔中，并与下插芯（4）的顶端齐平；利用激光键合或者胶粘贴工艺将上插芯（3）和下插芯（4）连接，完成光纤F-P谐振腔压力传感器的制作；

F-P谐振腔压力膜片下端的复合介质膜端面的反射率为R1，上插芯（3）凹槽底面的复合介质膜端面的反射率为R2，折多光束干涉为双光束干涉，总光强度I为：

其中，n为F-P谐振腔的折射率，d为F-P谐振腔的腔长，I₀为光源的强度。

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50-300 um。

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50nm或100 nm。

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50nm或100nm或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：光源发出的光通过传导光纤垂直入射到F-P谐振腔,一部分光功率被上插芯（3）凹槽底面的复合介质膜端面反射, 其余光透射后，到达压力膜片（1）, 被压力膜片（1）下端的复合介质膜端面反射, 凹槽底面的复合介质膜端面反射光和压力膜片下端的复合介质膜端面反射光发生干涉。

6.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：作为压力敏感膜的压力膜片（1）在外界压力的作用下发生形变,改变 F-P 腔腔长,引起干涉谱变化,通过测量干涉光谱,对干涉光谱进行解调, 即可得到作用在压力膜片（1）上的压力变化。

7.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：对于LED光源:

,对于宽带光源: I₀=C₀，其中C₀为常数。

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