一种基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏fp压力传感器的制造方法
【专利摘要】一种基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器，其主要是：作为FP腔体的毛细玻璃管，其一个环形端面与单模光纤的横截面熔接，环形端面的外径和单模光纤的直径相等，该毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的圆形金属薄膜固连，该金属薄膜为表面平整度高且厚度为亚微米级的金属薄膜，并且单模光纤的横截面中心、金属薄膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，所述金属薄膜采用银、铝或镍制备。本发明的结构光纤化，结构简单、体积纤小，可靠性高，能够实现压力的高精度测量，同时便于大规模组网。
【专利说明】
一种基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器
技术领域
[0001] 本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及非本征膜片式法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP)压力传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器可用于压力、应变、位移、温度、湿度、电流、磁场等众多物理量的测量， 基于FP腔的光纤压力传感器具有高可靠性、高灵敏度、耐恶劣环境、抗电磁干扰等特点，在 航空航天、桥梁建筑、高温油井、声呐探测和生物医疗等领域得到了广泛应用。非本征膜片 式FP光纤压力传感器相较于传统FP光纤压力传感器具有更高的灵敏度、更强的抗干扰能 力，在构件健康监测、医学超声波检测、生物体内探测等需要高精度测量的方面具有极大的 应用潜力。
[0003] 非本征膜片式FP光纤传感器大多是由切割得到的光纤端面和敏感膜片构成FP腔 的两个反射镜，薄膜在外力作用下发生振动，从而导致FP腔的干涉情况发生变化，通过检测 干涉变化可以得到外界压力的变化。因此，敏感膜片的设计和加工，特别是膜片的厚度、平 整度、反射率对传感器的整体性能指标有重要影响。
[0004] 目前，石英膜片、硅膜片、聚合物膜片均被用于非本征膜片式FP光纤压力传感器的 敏感膜。石英膜片、硅膜片具有和光纤、毛细玻璃管一样的热膨胀系数，温度特性好，但现阶 段技术很难得到亚微米厚度的薄膜;聚合物膜片通常的厚度也在数微米。传感器的灵敏度 正比于r 4/h3，r是敏感膜的半径，h是敏感膜的厚度，作为光纤化的微型传感器，厚度的影响 非常关键。此外这些材料还存在反射率较低的特点，常需要在其上制备金属层用来增强反 射，以保证FP腔的干涉效果。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种由反射率高的亚微米厚度敏感膜片制备的基于亚微 米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器。本发明主要是采用亚微米超平滑金属薄膜作为 FP的一个腔镜。
[0006] 一、本发明是由毛细玻璃管、单模光纤和金属薄膜组成。其中，作为FP腔体的毛细 玻璃管，其一个环形端面与单模光纤的横截面熔接，环形端面的外径和单模光纤的直径相 等。该毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的圆形金属薄膜固连。该金属薄膜为表面 平整度高且厚度为亚微米级的金属薄膜。并且单模光纤的横截面中心、金属薄膜的中心均 在毛细玻璃管的轴线上。于是单模光纤的纤芯横截面和金属薄膜作为FP腔的两个腔镜，与 毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。所述金属薄膜采用机械性能和柔韧性好且具 备高反射率高的金属材料，如银、铝或镍制备。
[0007] 二、所述金属薄膜的制备方法如下：
[0008] 1、采用磁控溅射或热沉积等半导体工艺将银、铝或镍沉积在粗糙度极低的平板 上，厚度为一百到几百纳米。最好通过掩膜版控制形成与毛细玻璃管直径相匹配的圆形金 属膜。
[0009] 2、在金属薄膜表面旋涂光固化胶，固化后，金属与光固化胶粘合力大于金属与平 板粘合力，分离得到基于无机平板平整度超平滑金属膜。
[0010] 本发明的工作过程大致如下：当探测光通过单模光纤进入到FP腔后，由于单模光 纤横截面与金属薄膜对入射光的多次反射，形成干涉。当金属薄膜受迫振动时，对干涉光形 成调谐，调谐后的干涉光耦合进入单模光纤。对单模光纤内的光进行解调，即可实现对压力 的检测。
[0011] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0012] 1、由半导体工艺制备的亚微米级超平滑金属膜作为反射膜，亚微米的厚度可以使 金属膜具有良好的柔韧性，实现对压力的灵敏测量；
[0013] 2、超平滑金属膜固有的镜面效果(高反射率)使FP腔具有极好的干涉效果，进而降 低解调的难度，方便微弱信号的检查；
[0014] 3、金属薄膜半径的缩小有利于提高传感器的固有频率，使其具有较大的频率响应 范围；
[0015] 4、本发明的结构光纤化，结构简单、体积纤小，可靠性高，能够实现压力的高精度 测量，同时便于大规模组网。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明立体剖面示意简图。
[0017] 图2为本发明制备金属薄膜用的掩膜版俯视示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0019] 在图1所示的基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器立体剖面示意简 图中，它是由毛细玻璃管2、单模光纤1和铝薄膜3组成。其中，作为FP腔体的毛细玻璃管，外 径125μηι、内径75μηι、长度100μπι，其一个环形端面与单模光纤的横截面恪接，单模光纤的直 径为125μπι(去涂覆层）。单模光纤的端面通过切割平整处理，反射率约为4%。该毛细玻璃管 的另一个环形端面与将其覆盖的圆形铝薄膜固连，采用环氧树脂粘合或激光热熔等方法将 其与毛细玻璃管的环形端面结合，于60°C固化30分钟，之后再用丙酮有机溶剂将固化后的 有机选涂层去除，使得单模光纤的横截面中心、金属薄膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上。 于是单模光纤的纤芯横截面和金属薄膜作为FP腔的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°， 形成FP腔干涉结构。
[0020] 所述金属薄膜的制备方法如下:采用真空热沉积技术将铝通过掩膜版蒸镀在表面 平整度为〇.4nm以下的硅平板上，通过晶振来控制成膜的厚度，沉积速度为2 Α/s，制备厚度 为200nm。掩膜版4的图形为圆孔的阵列，如图2所示，其中圆孔的直径与毛细玻璃管2的外径 相同，均为125μπι。铝膜制备完成后，在其上旋涂光固化胶，光固化胶的厚度约为300μπι。紫外 灯下进行10分钟固化，经过固化后，金属与光固化胶粘合力大于金属与无机平板粘合力，手 动分离得到基于无机平板平整度超平滑金属膜，经原子力显微镜观测铝薄膜的表面粗糙度 小于0.3nm。
[0021] 敏感薄膜的灵敏度正比于r4/h3,其中r是敏感膜的半径，h是敏感膜的厚度。经过测 试，该膜片的形变对压力具有良好的线性响应，传感器线性相关度为0.999;声压灵敏度约 为5 · 2nm/KPa，实现了对压力的高灵敏检测。
[0022] 以上所述的具体实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换，改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器，其是由毛细玻璃管、单模 光纤和金属薄膜组成，其特征在于:作为FP腔体的毛细玻璃管，其一个环形端面与单模光纤 的横截面熔接，环形端面的外径和单模光纤的直径相等，该毛细玻璃管的另一个环形端面 与将其覆盖的圆形金属薄膜固连，该金属薄膜为表面平整度高且厚度为亚微米级的金属薄 膜，并且单模光纤的横截面中心、金属薄膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，所述金属薄膜 采用银、铝或镍制备。2. 权利要求1的基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器，其特征在于:金属 薄膜的制备方法如下： 1) 采用磁控溅射或热沉积等半导体工艺将银、铝或镍沉积在粗糙度极低的平板上，厚 度为一百到几百纳米； 2) 在金属薄膜表面旋涂光固化胶，固化后，金属与光固化胶粘合力大于金属与平板粘 合力，分离得到基于无机平板平整度超平滑金属膜。3. 根据权利要求2所述的基于亚微米超平滑金属薄膜的高灵敏FP压力传感器，其特征 在于:通过掩膜版控制形成与毛细玻璃管直径相匹配的圆形金属膜。
【文档编号】G01L11/02GK106017756SQ201610538661
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】刘雪强, 齐跃峰, 刘燕燕, 姜芳, 相鹏瑞
【申请人】燕山大学