微型非本征光纤法珀压力传感器的制作方法

本发明涉及一种采用MEMS工艺制作的微型非本征光纤法珀压力传感器，具体涉及一种基于光纤法布里-珀罗(Fabry-berot)干涉原理的微型非本征光纤法珀压力传感器。

背景技术：

目前常用的一些压力传感器都是基于电学器件的，它存在很多内在的问题没有解决，例如较大的温度依赖性，易受电磁干扰，体积大，以及在机械性能、温度持久性、精度、可靠性、长期稳定性和重复性方面不甚理想。而且不同材料间的热膨胀系数失配会导致温度敏感，影响了测量准确度。同时这种半导体传感器的寿命短，在腐蚀性环境中可靠性非常差。光纤压力传感器能较好解决上述问题。如果封装得好，它能被安全的用于高温高压和腐蚀性环境中。它没有化学活性，尺寸小，对温度不敏感，不受电磁干扰，长期稳定性好特性。光纤法珀型压力传感器是运用光刻并结合反应离子刻蚀等工艺将晶向为100的单晶硅的背面腐蚀出一定深度的圆柱形腔体， 腔长等于刻蚀得到的腔体深度，用阳极键合工艺将硅结构与硼硅玻璃紧密结合成一体，形成法布里一珀罗腔(Fabry-Perot，F-P)，最后将光纤与玻璃通过环氧树脂粘结在一起的传感器。国内先后有清华大学、天津大学、四川大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、燕山大学等多家单位对光纤Ｆ-Ｐ传感器进行了基础性研究，但因大多采用的是光强调制/解调方法，仍然存在光强波动造成的调零、校正、标定等问题。目前膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器是用外玻璃管和用于光纤准直的内玻璃管采用UV胶粘接构成的空气腔。在空气腔的一端粘接石英膜片，另一端插入多模光纤，石英膜片和光纤端面的两个反射面构成法珀干涉腔组成的光纤法珀压力传感器，比如天津大学采用硅片和高硼硅玻璃两层结构形式研发的光纤法珀压力传感器，是将法珀腔加工在高硼硅玻璃上，通过真空阳极键合工艺将硅片与高硼硅玻璃键合在一起。这种结构的传感器存在以下不足：硅片直接暴露在使用环境中，在制造、装配、使用过程中易受物理损害，在硅片上形成各种划痕和撞击点，改变硅片的力学参数，导致传感器性能变化，影响传感器的稳定性；采用SOI晶圆制作感压硅片，在制作不同量程的传感器时往往需要采购不同机械层厚度的SOI，提高了采购批次和成本；两层结构的传感器，其硅片与高硼硅玻璃存在热膨胀差异，受热影响时会导致受感芯体发生翘曲，需要通过增加高硼硅玻璃厚度等手段，提高整体强度；较厚的高硼硅玻璃减小光纤出射光的回收效率，从而降低干涉信号的光强，影响解算速率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种性能稳定、能够提高干涉信号强度，减少噪声，并能消除硅片与玻璃热膨胀差异产生的翘曲，整体强度大、成本低的微型非本征光纤法珀压力传感器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种微型非本征光纤法珀压力传感器，包括与光纤插芯的端面平齐的光纤，压力受感芯体1、光纤插芯2和光纤3，其特征在于：压力受感芯体由制有台阶孔凹腔的高硼硅玻璃片4、高硼硅玻璃片10和夹装在上述高硼硅玻璃片4与高硼硅玻璃片10之间的硅片6构成的三层结构组成，形成被硅片6隔离的法珀腔7和通气腔5双层腔体结构，压力受感芯体装配在光纤插芯端面并连接在一起。

本发明基于MEMS加工工艺，实现微机械结构加工，生产的传感器具有体积小、重量轻、一致性好等优势，适于批量化制造。非本征型光纤法珀压力传感器属于传光型传感器，光纤本身不参与传感，仅做为光传输的通道，压力传感过程由压力受感芯体完成。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明采用不参与压力传感过程的高硼硅玻璃4作力学支撑，其厚度可以做到毫米级，提高压力受感芯体的力学强度，减小或消除硅片与高硼硅玻璃热膨胀差异产生的翘曲。这种设计降低了对高硼硅玻璃10的力学强度的要求，其厚度可减小到100um以下，有效减小光纤出射端面与法珀腔的距离，提长光纤对法珀腔反射光信号的回收率，从而提高进入传感器解算组件的光强，优化传感器的信噪比。

本发明的硅片6上通过减厚槽实现硅片减厚。因此，相同的结构和材料，只要选择不同的腐蚀液浓度和腐蚀时间，可将硅片厚度减薄到所需厚度，以适应不同量程、灵敏度传感器需要。

本发明的结构、加工工艺和解调原理与光纤法珀温度传感器相同，便于传感器系统集成、光纤布线、解算器复用。

本发明可用于要求具有强抗电磁干扰以及易燃易爆的环境中压力的测量，可用于石油工业中储油罐压力检测、厂矿中空气压力的测量等，具有广阔的应用前景。

本发明基于法珀干涉原理研制的微型非本征光纤法珀压力传感器，属于接触式测压传感器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

图1是本发明微型非本征光纤法珀压力传感器结构的剖视示意图。

图2是图1压力受感芯体剖面结构示意图。

图中：1压力受感芯体，2光纤插芯，3光纤，4高硼硅玻璃，5通气腔，6硅片，7法珀腔，8半反半透膜，9通孔，10高硼硅玻璃，11减厚槽。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，微型非本征光纤法珀压力传感器包括与光纤插芯的端面平齐的光纤，压力受感芯体1、光纤插芯2和光纤3。压力受感芯体由制有台阶孔凹腔的高硼硅玻璃片4、高硼硅玻璃片10和夹装在上述高硼硅玻璃片4与高硼硅玻璃片10之间的硅片6构成的三层结构组成，形成被硅片6隔离的法珀腔7和通气腔5双层腔体结构，压力受感芯体装配在光纤插芯端面并连接在一起。高硼硅玻璃片4上刻蚀有通气腔5以保证压力均匀作用于硅片6，通气腔5底部制作有连接内外气/液压力的通孔9；高硼硅玻璃片10上刻蚀有法珀腔7，法珀腔7底部制作有半反半透膜8，法珀腔7内为真空环境。硅片6上刻蚀有满足传感器量程和灵敏度设计的减厚槽11。本实施例通过制作两片高硼硅玻璃和玻璃之间的硅片三层结构实现，一片高硼硅玻璃4刻蚀法珀腔7，另一片高硼硅玻璃10刻蚀通气腔5，高硼硅玻璃4、高硼硅玻璃10与硅片6通过真空键合工艺键合在一起。

高硼硅玻璃4起到传感器保护和力学支撑作用，不参与压力传感过程，其厚度可以做到毫米级，以增加压力受感芯体的力学强度。高硼硅玻璃4两面进行研磨和抛光，清洗和干燥后使用光刻技术制作通气腔图形阵列，使用刻蚀工艺刻蚀通气腔5，通气腔5深度不影响传感器性能。然后，在制作的通气腔底部采用相同工艺过程制作通孔9，清洗并干燥玻璃晶圆片。压力受感芯体的通气腔5和法珀腔7的形状、尺寸和深度应满足传感器性能需求。

半反半透膜8可以采用Ta膜，通过Ta靶真空键射工艺镀制，然后在高温纯氧环境中将Ta金属氧化生成Ta₂O₅半反半透膜，清洗并干燥晶圆片。

硅片6选用单晶硅晶圆片制作，对其表面进行抛光处理后，光刻工艺制作减厚槽图形，使用刻蚀工艺刻蚀所需深度的减厚槽阵列，保留的硅片厚度要满足传感器量程和灵敏度要求。在真空环境下将单晶硅片与带通气腔5的高硼硅玻璃晶圆片键合在一起，再与带法珀腔7的高硼硅玻璃晶圆片真空键合在一起。

压力受感芯体可以采用四边形、六边形切割划片、腐蚀划片等工艺分离成压力受感芯体。

采用外径2.5mm、内径129um、长10.5mm的光纤插芯，制作时向光纤插芯内孔注入高温固化胶，去除光纤的涂覆层并将光纤插入光纤插芯，高温固化。

采用FC/PC光纤接头制作平台研磨插芯端面，直至光纤端面与插芯端面平齐、端面平整无划痕；使用光学胶或激光焊接将压力受感芯体和光纤插芯连接在一起，完成传感器制作，连接时需保证压力受感芯体与光纤插芯中心对齐。