专利名称：一种光纤压力传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤压力传感器，可用于检测压力以及振动。
背景技术：
对易燃易爆环境下的压力进行实时检测，是保障环境安全的重要措施之一。由于电信号会引发燃烧爆炸，传统的压电传感器不适合在此环境下应用。因此，人们将光纤传感器应用于上述环境下的压力检测[IEEE Sensors Journal，vol.8，pp.1184-1193，2008]。光纤压力传感是以光为载体、光纤为媒介,感知和传输外界压力信号，具有体积小、重量轻、电绝缘性强、抗电磁干扰等优点。同时，该传感器可以承受高温、高压以及强烈的冲击与振动等极端条件，可用于易燃易爆、高温和高压等环境中的压力检测。光纤压力传感器可分为微弯型、消逝波耦合型、Fabry-Perot干涉压力型和光纤光栅型等。其中，Fabry-Perot型压力传感器,是通过压力使薄膜产生弹性形变,导致谐振腔的长度发生改变，从而使得谐振波长移动[J.Micromech.Microeng., vol.15, pp.521-527,2005]。该传感器具有高的灵敏度和温度稳定性，但是敏感参数是反射光的相位变化(反射光的强度随压力变化呈周期性震荡)，测试分析比较复杂；而且，传感器的灵敏度越高，所需的薄膜就越薄。对于厚度小于几十微米的薄膜，操作时极易破碎。因此研发测试简易、低成本且高灵敏度的光纤压力传感器，是本发明的创研动机。
发明内容
本发明旨在解决上述的问题，提出“一种光纤压力传感器及其制备方法”，该传感器中光纤的纤芯位置偏离悬膜中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，从而进入光纤的反射光强度可以作为探测的敏感量，简化了测试方法；同时，利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离从而获得弹性悬膜，而弹性悬膜的边缘仍然和衬底保持固定。因此可以制备以及转移很薄的薄膜(厚度可以小于10微米)，并且可以精细控制薄膜与光纤端面之间的距离(间距可以小于10微米)，所制备的传感器具有体积小、使用简便以及灵敏度高的特点。发明人对半导体光学反射镜和悬膜制备有着深入研究[IEEE PhotonicsTechnology Letters, vol.16, pp.245-247, 2004],从而启发了本发明的产生。本发明的工作原理是:在光纤端面附近悬置一个弹性薄膜，光纤出射的光波经悬膜反射后返回光纤中(如图1所示)。由于光纤的中轴线偏离悬膜的中轴线L的距离(如图2所示)，当弹性悬膜受压变形时，反射光的轨迹与入射光相比会偏离一个角度Θ (如图3所示)；同时，角度Θ随外部压力的变化而变化，并且反射光耦合回光纤的功率随Θ角的增大而降低。因此，通过检测反射光的强度，就可以获知外界的压力和振动状态。本发明可以按以下方式实现:本发明是在衬底上依次制备牺牲层薄膜和弹性薄膜(如图4);然后在衬底背面刻蚀一个孔，该孔底部到达牺牲层(即牺牲层起到腐蚀停止层的作用)(如图5);接着把牺牲层腐蚀除去，从而得到弹性悬膜，周围的衬底仍旧支撑着弹性悬膜(如图6所示)；最后，将带有弹性悬膜的衬底与光纤套筒粘结在一起(如图1所示)，悬膜与光纤端面之间具有空隙，因此悬膜可以在外部压力下发生弹性形变。空隙间距可以通过控制光纤在套筒中的位置来调节。本发明还可以按另一种方式实现:在衬底背面刻蚀圆孔后(如图5)，利用光刻和刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。光纤端面与弹性悬膜之间的间距，由牺牲层的厚度决定，因此可以方便的获得小于10微米的间隙。本发明中的弹性薄膜可以通过减薄或生长得到，其厚度可以小于10微米。本发明中的光纤纤芯与悬膜中轴线的偏移量L可以在O到D的范围内变化(如图2所示悬膜宽度为2D)。 本发明中的衬底和薄膜材料选自有机和无机材料，其中衬底材料优选娃、GaAs和InP,薄膜材料优选 S1、Si02、SiNx, GaAs, InGaP, InGaAsP 和 InP。
附图，其被结合入并成为本说明书的一部分，示范了本发明的实施例，并与前述的综述和下面的详细描述一起解释本发明的原理。图1为光纤压力传感器的示意图；图2为光纤压力传感器的结构尺寸图；图3为光纤压力传感器的工作原理图；图4为带有牺牲层和弹性薄膜层的衬底结构；图5为在衬底背面刻蚀一个到达牺牲层的孔；图6为牺牲层腐蚀除去后得到的弹性悬膜；图7为在牺牲层上腐蚀出另一个圆孔得到弹性悬膜；图8为光纤压力传感器的另一结构示意图。
具体实施例方式为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。其中的薄膜生长技术包括:蒸发、溅射、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)等常用技术。例I首先，在硅SOI衬底(如图4)背面刻蚀一个孔至SiO2牺牲层(如图5)；然后，把SiO2腐蚀除去，得到硅衬底支撑的硅弹性悬膜(如图6)；最后，把光纤固定在套筒内部，然后把带着弹性悬膜的硅衬底与套筒端面粘在一起(如图1)。例2首先，在硅衬底表面依次生长SiO2牺牲层和SiNx弹性层(如图4)；然后，在衬底背面刻蚀一个孔至SiO2牺牲层(如图5)；接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到SiNx弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。例3
首先，在GaAs衬底表面依次生长InGaP牺牲层和GaAs弹性层(如图4)；然后，在衬底背面刻蚀一个孔至InGaP牺牲层(如图5)；接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，
从而得到GaAs弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。例4首先，在InP衬底表面依次生长InGaAsP牺牲层和InP弹性层(如图4)；然后，在衬底背面刻蚀一个孔至InGaAsP牺牲层(如图5)；接着，利用光刻、刻蚀工艺在牺牲层上腐蚀出一个较小的圆孔(如图7)，从而得到InP弹性悬膜，最后将悬膜与光纤对接到一起(如图8)。以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。
权利要求
1.一种光纤压力传感器及其制备方法，其特征是:传感器中光纤的纤芯位置偏离悬膜中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，从而反射进入光纤的强度可以作为探测的敏感量；利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离从而获得弹性悬膜，而弹性悬膜的边缘仍然和衬底固定在一起。
2.权利要求1所述的悬膜中轴线，是指悬膜未受压形变时垂直于悬膜且经过悬膜中心的轴线。
3.权利要求1所述的衬底表面具有牺牲层薄膜和弹性薄膜。
4.权利要求1所述的弹性悬膜是通过在衬底背面刻蚀孔洞得到，其中牺牲层起到腐蚀停止层的作用。
5.权利要求1所述的传感器可以通过将带有弹性悬膜的衬底表面与光纤套筒粘结在一起得到，其中弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙。
6.权利要求1所述的传感器可以通过将带有悬膜的衬底背面与光纤对接到一起得到，其中弹性悬膜与光纤端面之间的空隙距离由牺牲层的厚度决定。
7.权利要求5所述的空隙，其间距可以通过控制光纤在套筒中的位置来调节。
8.权利要求1，5和6所述的传感器，其中的弹性悬膜与光纤端面之间具有空隙，因此悬膜可以在外部压力作用下发生弹性形变。
9.权利要求1和3所述的衬底和薄膜材料选自有机和无机材料，其中衬底材料优选S1、GaAs 和 InP，薄膜材料优选 S1、Si02、SiNx、GaAs, InGaP、InGaAsP 和 InP。
全文摘要
本发明提供一种光纤压力传感器及其制备方法，本发明的特征是传感器中光纤的纤芯位置偏离悬膜中轴线，受压时入射光被弧形悬膜斜反射，从而反射进入光纤的强度可以作为探测的敏感量；同时，利用牺牲层实现弹性薄膜从衬底分离从而获得弹性悬膜，而弹性悬膜的边缘仍然保持和衬底固定在一起。因此可以将很薄的悬膜(厚度可以小于10微米)转移并固定到传感器上，并且可以精细控制悬膜与光纤端面之间的距离(间距可以小于10微米)，该传感器具有体积小、使用简便以及灵敏度高的特点。
文档编号G01L11/02GK103162878SQ20111041992
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月11日 优先权日2011年12月11日
发明者黄辉, 刘蓬勃, 曹暾, 唐祯安, 渠波, 齐振彬, 任明坤, 刘学宇, 吴海波 申请人:黄辉, 刘蓬勃, 曹暾