一种基于mems工艺的腔长可调光纤f-p应变计及成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。
【背景技术】
[0002]在工程测量技术中，应变测量是最为基础和重要的技术之一。电阻应变测量方法是获取应变试验数据的一种基本传统手段，然而，电阻应变片抗疲劳性能差、零点漂移严重，易受电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等环境因素的影响，无法用于长期在线测量，也不能满足高温、电磁环境中精确测量应变的需求。
[0003]近年来，光纤传感器作为一种新型的测量手段，因其抗干扰性(如电磁场、湿度、化学腐蚀等)强、寿命长、复用性好(如波分复用与时分复用)、可长距离信号传输等优良特性，在工程测量和科学试验中得到日益广泛的应用。在单点或准分布式多点应变测量领域，尤其以光纤光栅应变计和光纤F-P应变计的应用最为广泛。
[0004]光纤光栅加工制作简单、串联或并联组网容易，在桥梁、大坝、隧道、高层建筑等土木工程结构安全监测领域得到了广泛应用，近年来在飞机、船舶等静载测试和结构健康监测中也有应用，已成为一种日益成熟的应变测量技术手段。
[0005]与光纤光栅应变计相比较，光纤F-P应变计具有更为紧凑的结构，尤其在灵敏度和耐高温方面具有光纤光栅应变计不可比拟的优势。因此，近年来在航空航天、国防军事和工业制造等高温、高精度测量领域，光纤F-P应变计展现出了不可替代的独有技术优势。
[0006]光纤F-P传感器的制作过程中，最为关键的是F-P光学干涉腔的制作和封装，由于其工作原理决定了 F-P光学干涉腔由具有一定反射率的两个平行平面组成，光束在其间多次反射构成多光束干涉，因此，F-P光学干涉腔两个反射平面的表面光洁度和平行度有苛刻的要求，才能保证获得良好的信噪比。传统的光纤端面加工手段很难实现F-P光学干涉腔的批量化制作，而且两个光纤端面的对准精度和封装后的长期稳定性也是难以解决的问题。近年来，深紫外激光加工技术和飞秒激光加工技术的出现带动了光纤微纳加工技术的快速发展，既可以在光纤端面烧蚀加工微腔后借助光纤端面焊接来构造F-P光学干涉腔，也可以通过对光纤切削刻槽直接在其轴向形成F-P光学干涉腔，从而实现了 F-P光学干涉腔的批量化制造，同时极大减小了光纤F-P应变计的体积。但是，这些基于光纤端面加工或光纤本体微加工制作出的F-P光学干涉腔由于无法获得高光洁度反射面，也难以通过光学镀膜来提高反射面的光学反射率，因此，很难提高F-P光学干涉腔的干涉谱精细度，难以进一步提高测量分辨率，无法满足小量程、高灵敏度应变测量应用领域(如高速风洞气动力测量，工业领域多分量动态力和力矩测量)；而且由于F-P光学干涉腔的干涉精细度因子低，只能采用强度调制解调型和相位调制解调型信号解调方式，容易受光源功率波动和光纤折弯的影响。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计具有高精细度的F-P干涉谱、可以采用波长信号解调获得高灵敏度和高测量精度而且可以通过波分复用和时分复用实现多只应变计在单芯光纤上的串接；目的之二在于提供一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的成型方法所述光纤F-P应变计的器件采用MEMS工艺制作，可以实现器件的微型化，并根据应变测量灵敏度、量程和波分组网等实际应用需要而灵活调整应变计F-P腔的初始腔长。
[0008]本发明的目的由以下技术方案实现:
[0009]一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计，所述光纤F-P应变计主要包括F-P应变敏感MEMS芯片和准直扩束光纤；
[0010]其中，F-P应变敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片组成；
[0011]所述SOI硅片包括顶层硅、中间氧化层和底层硅，且SOI硅片加工有中心孔；所述中心孔的半径大于准直扩束光纤的外径；
[0012]玻璃片一侧的端面沉积有增透膜和钝化层，另一侧的端面沉积有高反膜I ;
[0013]准直扩束光纤的一端设置有自聚焦透镜或等效光学元件，并在同一端的端面沉积有尚反I旲II ；
[0014]所述高反膜、增透膜、中间氧化层和底层硅轴向的圆孔同轴；且高反膜和增透膜的面积均大于准直扩束光纤的出射光束面积，所述光束直径为50?300 μ?? ;
[0015]整体连接关系:
[0016]SOI硅片通过硅-玻璃阳极键合固定在玻璃片上，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片上沉积有高反膜I 一侧的端面；准直扩束光纤通过焊料同轴固定在SOI硅片上的中心孔中；S0I硅片中心孔的内圆周面、玻璃片上沉积有高反膜I 一侧的端面与准直扩束光纤沉积有高反膜II的端面构成密闭空腔；其中，高反膜I和高反膜II之间的区域为F-P光学干涉腔；准直扩束光纤的光学轴与F-P光学干涉腔同轴；所述增透膜、高反膜I和高反膜II的中心点位于SOI硅片中心孔的轴线上；且增透膜、高反膜I和高反膜II的面积均大于准直扩束光纤的出射光束面积。
[0017]所述增透膜构成材料均优选Si02/Ta205复合介质膜、S1 2/Ti02复合介质膜和Si02/Si3N4复合介质膜中的一种；
[0018]所述高反膜优选Si02/Ta205复合介质膜、S1 2/Ti02复合介质膜和S1 2/Si3N4复合介质膜中的一种
[0019]其中，玻璃片上的高反膜还可采用金属薄膜材料；所述金属优选金或铝；当玻璃片上的高反膜采用金属薄膜材料时，玻璃片的另一侧端面可以不沉积增透膜。
[0020]工作原理:
[0021]光纤F-P应变计利用法布里一珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)干涉原理:当相干光束沿准直扩束光纤入射到F-P应变敏感MEMS芯片时，在玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间多次反射构成多光束干涉，并沿原路返回到准直扩束光纤。沿原路返回到准直扩束光纤的干涉输出信号与玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔的长度相关。在外部应力应变的作用下，玻璃片上的高反膜与准直扩束光纤上的高反膜之间的微腔长度发生改变，使得返回到准直扩束光纤的干涉输出信号的波长或相位相应改变，由此可以实现对作用于F-P光纤应变计的外部应力应变进行精确测量。
[0022]一种基于MEMS工艺的腔长可调光纤F-P应变计的成型方法，所述方法的具体步骤如下:
[0023](I)在SOI硅片的顶层硅上进行光刻处理后利用De印RIE工艺刻蚀得到顶层硅上的圆孔；刻蚀深度为顶层硅的厚度；
[0024](2)利用湿法腐蚀或干法刻蚀将SOI硅片上暴露出的中间氧化层去除，在中间氧化层的轴向形成圆孔；
[0025](3)在SOI硅片的底层硅一侧的端面进行光刻，腐蚀掉光刻图形中的氧化层，随后以氧化层和光刻胶作为掩膜，采用Deep RIE工艺进行刻蚀，直到将底层硅刻穿形成圆孔；所述圆孔直径大于准直扩束光纤的直径；
[0026](4)在玻璃片一侧的端面沉积高反膜(反射率高于95% );对所述高反膜进行图形化处理；
[0027](5)在玻璃片的另一侧端面沉积增透膜和钝化层，并对增透膜和钝化层进行图形化处理；
[0028](6)将步骤⑴?(3)得到的SOI硅片与步骤(4)?(5)得到的玻璃片进行硅-玻璃阳极键合，键合面为SOI硅片中顶层硅的端面与玻璃片上沉积有高反膜一侧的端面；得到F-P应变敏感MEMS芯片；
[0029](7)对准直扩束光纤的一端面进行磨平处理，并沉积高反膜(反射率95?96% );
[0030](8)将准直扩束光纤通过焊料焊接在F-P应变敏感MEMS芯片的底层硅圆孔中，得到本发明所述F-P光纤