CN205607568U - 一体式光纤f-p腔压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种一体式光纤F‑P腔压力传感器,包括一个桶状封装外壳（1）、设置在所述封装外壳筒体中的压力膜片（2）、固定连接在所述压力膜片端底下的复合介质膜（3）和与插芯（5）端部凹槽底平面齐平，穿过插芯伸出所述封装外壳底部外的光纤（6）。复合介质膜（3）轴向正对插芯顶端凹槽，制有应力释放孔结构的压力膜片（2）通过键合工艺结合将插芯凹槽封装形成一个F‑P谐振腔，插芯与压力膜片以一体结构的固联形式，通过周向连接的固联构件（4）一体式装配在上述封装外壳（1）的筒体中。本实用新型采用顶制有凹槽的 插芯和压力膜片通过键合工艺结合一体形成的F‑P腔，省去了后续的激光焊接和胶粘贴工艺，同时减小了***的热内应力，提高了F‑P压力传感器的性能。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及一种高精度一体式光纤F-P腔的压力传感器。
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。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***( 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 压力传感器都是分立式结构，如中国专利公开号CN103644987 A, CN103698080 A,公开的F-P腔与导光光纤是通过胶粘结或二氧化碳激光焊接而成。这种分立式的光纤F-P压力传感器存在着以下几个问题：
1、由于胶同F-P腔和导光光纤之间热膨胀系数的差异(激光焊接带来的附加应力)，当温度变化时，传感头内部应力发生变化，进而改变F-P腔的腔长，从而使得传感器的零位和灵敏度漂移增加；
2、这种分立式结构的F-P压力传感器存在着多个反射面，从而形成多个法珀谐振腔，使得输出干涉光谱复杂，直接影响F-P压力传感器的解调精度(精度低于在0.5%)；
3、硅材料的感压膜片玻璃凹槽是通过阳极键合的方式连接而成，但是这两种材料间的热膨胀系数是不同的，这使硅感压膜片由温度效应产生形变，导致硅压力膜片与压力之间出现非线性，从而降低F-P压力传感器的精度；
4、目前，F-P压力传感器的封装方式是金属外壳体直接与传感头焊接，这种方式一个最主要的缺点是温度效应十分明显，当温度变化时，金属外壳和传感头由于材料间的差异而产生附加的内应力，从而导致F-P腔的腔长的变化，使得F-P压力传感器的精度下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种压力解调方便，精度高,能够避免附加应力的一体式光纤F-P腔的压力传感器。
本发明的上述目的可采用如下技术方案来实现：一种一体式光纤F-P腔压力传感器,包括一个桶状封装外壳1、设置在所述封装外壳筒体中的压力膜片2、固定连接在所述压力膜片端底下的复合介质膜3和与插芯5端部凹槽底平面齐平，穿过插芯伸出所述封装外壳底部外的光纤6，其特征在于：复合介质膜3轴向正对插芯5顶端凹槽，制有应力释放孔结构的压力膜片2, 压力膜片2键合区域和感压区通过键合工艺结合将插芯5凹槽封装形成一个F-P单谐振腔，插芯5与压力膜片2以一体结构的固联形式，通过周向连接的固联构件4一体式装配在上述封装外壳1的筒体中。
与现有的技术相比，本发明在技术上有较大的突破：本发明的主要特点是F-P谐振腔与导光的插芯是一体的。这种一体式结构的光纤F-P腔的压力传感器主要有两个巨大的优势：
1)、它的谐振腔是单谐振腔，其反射光谱是一系列余弦调制的标准干涉峰，因此压力解调非常方便，同时增加了整个***的精度；
2)、由于是一体式结构，可以避免由于激光焊接或者胶粘贴导致的附加应力。与传统结构的F-P压力传感器相比，本发明的精度能达到万分级，同时这种结构的F-P压力传感器工艺简单，适合批量化制作。同时这种一体式结构的光纤F-P腔的压力传感器与封装外壳之间是通过固联构件连接的，它可以有效地缓解封装外壳与压力传感器之间的应力，进而提高***的精度。另外压力膜片不但引入了应力释放结构，还采用了复合介质膜，它们可以进一步提高本发明的精度。
本发明采用顶制有凹槽的 插芯和压力膜片通过键合工艺结合一体形成的F-P腔，省去了后续的激光焊接和胶粘贴工艺，同时减小了***的热内应力，提高了F-P压力传感器的性能。
本发明在压力膜片四周边沿采用应力释放结构。这些结构的主要作用缓解硅膜片与插芯之间热失配而产生的内应力，从而提高***的精度。
本发明在压力膜片的下端面镀制反射率为30%的复合介质膜，这种复合介质膜具有较高的温度稳定性。
本发明插芯通过固联构件与外壳筒体这样的安装壳体结合，固联构件能够充分释放插芯和安装壳体之间的热应力。这种传感器结构简单、体积小、制作成本低、温度-压力交叉敏感性小、稳定性好。
附图说明
图1 为本发明一体式光纤F-P腔压力传感器的***结构原理剖视图。
图2 是本发明图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、封装外壳，2、压力膜片，3、复合介质膜，4、固联构件，5、插芯，6、光纤，7、固定接头。
具体实施方式
在如图1 所示描述的一个最佳实施例中，一体式光纤F-P腔压力传感器由封装外壳1，压力膜片2，复合介质膜3，固联构件4，插芯5，光纤6，固定接头7组成。主要包括一个桶状封装外壳1、设置在所述封装外壳1筒体中的压力膜片2、固定连接在所述压力膜片2端底下的复合介质膜3和与插芯5端部凹槽底平面齐平，穿过插芯伸出所述封装外壳底部外的光纤6，光纤6通过固定接头7伸出封装外壳1筒体外。光纤6前端与压力膜片2上的复合介质膜3形成一对反射面，并形成干涉条纹，通过测量条纹信息来测量外界压力。复合介质膜3生长在压力膜片2的背面作为光反射面，压力膜片2与插芯5通过阳极键合连接形成F-P腔，插芯5通过固联构件4与封装外壳1连接，光纤6一部分***插芯5，顶端与F-P腔的腔底平行，光纤一部分***插芯，顶端与F-P腔的腔底端平行，光纤另一部分位于插芯外，作为传导光纤与解调设备连接，并通过固定接头7固定在安装壳体1的下端。
参阅图2。压力膜片的下端面镀有反射率为30%的复合介质膜。压力膜片的形状可根据不同的封装形式和***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***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。
在所述的压力膜片背面以及所述F-P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。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。
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，利用磁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50/100nm；利用标准MEMS工艺，对上插芯3按照设计要求制作凹槽，多层薄膜的厚度为50/100/60nm；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腔；将传导光纤5一端充分研磨平整，并固定与下插芯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腔压力传感器的制作。
本实施例光纤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，在其硅片一面通过磁控溅射生长由多层介质膜组成的复合介质膜，形成压力膜片2；利用标准MEMS工艺，对带孔的插芯5按照设计要求制作凹槽，并通过阳极键合工艺与压力膜片2连接，形成F-P腔；通过固联构件4将插芯5与封装外壳相连接，完成对形成对F-P压力传感器的保护；光纤6的前端经磨抛机磨平后放入带孔的插芯5中，并与F-P 腔底面平行，而光纤6的尾端固定接头7固定在安装壳体1的下端，并与外部解调设备连接。
本发明工作原理：光纤压力传感器传感原理在于由压力引起法珀腔长变化，通过精密测量腔长变化量实现压力传感解调。图3所示为法珀传感器结构示意图，法珀腔存在前后两个反射面。第一个反射面的反射率通过控制镀膜反射率确定，第二个反射面为膜片反射率。入射到法珀腔反射面的光强可视为高斯分布，两个反射面反射光再次耦合进入多模光纤，设两个反射面的反射率和损耗系数分别为：R1、 a1 、R2 、a2。
设入射光强为I0，则两个面的耦合光强分别为：。
干涉条纹表示：
其中表示位相差。外界压力的变化会引起的变化，通过测量来获知外界的压力。
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。
Claims (10)
1.一种一体式光纤F-P腔压力传感器,包括一个桶状封装外壳（1）、设置在所述封装外壳筒体中的压力膜片（2）、固定连接在所述压力膜片端底下的复合介质膜（3）和与插芯（5）端部凹槽底平面齐平，穿过插芯伸出所述封装外壳底部外的光纤（6），其特征在于：复合介质膜（3）轴向正对插芯顶端凹槽，制有应力释放孔结构的压力膜片（2）, 压力膜片（2）键合区域和感压区通过键合工艺结合将插芯凹槽封装形成一个F-P谐振腔，插芯（5）与压力膜片（2）以一体结构的固联形式，通过周向连接的固联构件（4）一体式装配在上述封装外壳（1）的筒体中。
2.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，光纤（6）前端与压力膜片（2）上的复合介质膜（3）形成一对反射面，并形成干涉条纹，通过测量条纹信息来测量外界压力。
3.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，压力膜片（2）的形状是正方形、菱形、圆形或六边形中的一种结构形状。
4.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，压力膜片（2）的键合区域的应力释放结构为正方形、菱形、圆形或六边形通孔。
5.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，压力膜片（2）感压区的应力释放结构的正方形、菱形、圆形或六边形孔，孔的深度为压力膜片厚度的1/3。
6.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，压力膜片（2）的下端面镀有反射率为30%的复合介质膜。
7.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，在所述的压力膜片（2）背面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。
8.根据权利要求7 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，所述压力膜片（2）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。
9.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，压力膜片（2）以100晶向的优质硅片，在其硅片一面溅射生长由多层介质膜组成的复合介质膜，形成压力膜片（2）。
10.根据权利要求1 所述的一体式光纤F-P腔压力传感器，其特征在于，复合介质膜（3）生长在压力膜片（2）的背面作为光反射面，压力膜片（2）与插芯（5）通过阳极键合连接形成F-P腔，插芯（5）通过固联构件（4）与封装外壳（1）连接。
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