[發明專利]一種光纖壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110419923.7
• 申請日: 2011-12-11
• 公開（公告）號: CN103162878A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 黃輝;劉蓬勃;曹暾;唐禎安;渠波;齊振彬;任明坤;劉學宇;吳海波
• 申請（專利權）人: 黃輝;劉蓬勃;曹暾
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L11/02;G01H9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種光纖壓力傳感器，可用于檢測壓力以及振動。

背景技術

對易燃易爆環境下的壓力進行實時檢測，是保障環境安全的重要措施之一。由于電信號會引發燃燒爆炸，傳統的壓電傳感器不適合在此環境下應用。因此，人們將光纖傳感器應用于上述環境下的壓力檢測[IEEE?Sensors?Journal，vol.8，pp.1184-1193，2008]。

光纖壓力傳感是以光為載體、光纖為媒介，感知和傳輸外界壓力信號，具有體積小、重量輕、電絕緣性強、抗電磁干擾等優點。同時，該傳感器可以承受高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動等極端條件，可用于易燃易爆、高溫和高壓等環境中的壓力檢測。

光纖壓力傳感器可分為微彎型、消逝波耦合型、Fabry-Perot干涉壓力型和光纖光柵型等。其中，Fabry-Perot型壓力傳感器，是通過壓力使薄膜產生彈性形變，導致諧振腔的長度發生改變，從而使得諧振波長移動[J.Micromech.Microeng.，vol.15，pp.521-527，2005]。該傳感器具有高的靈敏度和溫度穩定性，但是敏感參數是反射光的相位變化(反射光的強度隨壓力變化呈周期性震蕩)，測試分析比較復雜；而且，傳感器的靈敏度越高，所需的薄膜就越薄。對于厚度小于幾十微米的薄膜，操作時極易破碎。因此研發測試簡易、低成本且高靈敏度的光纖壓力傳感器，是本發明的創研動機。

發明內容

本發明旨在解決上述的問題，提出“一種光纖壓力傳感器及其制備方法”，該傳感器中光纖的纖芯位置偏離懸膜中軸線，受壓時入射光被弧形懸膜斜反射，從而進入光纖的反射光強度可以作為探測的敏感量，簡化了測試方法；同時，利用犧牲層實現彈性薄膜從襯底分離從而獲得彈性懸膜，而彈性懸膜的邊緣仍然和襯底保持固定。因此可以制備以及轉移很薄的薄膜(厚度可以小于10微米)，并且可以精細控制薄膜與光纖端面之間的距離(間距可以小于10微米)，所制備的傳感器具有體積小、使用簡便以及靈敏度高的特點。

發明人對半導體光學反射鏡和懸膜制備有著深入研究[IEEE?Photonics?Technology?Letters，vol.16，pp.245-247，2004]，從而啟發了本發明的產生。本發明的工作原理是：在光纖端面附近懸置一個彈性薄膜，光纖出射的光波經懸膜反射后返回光纖中(如圖1所示)。由于光纖的中軸線偏離懸膜的中軸線L的距離(如圖2所示)，當彈性懸膜受壓變形時，反射光的軌跡與入射光相比會偏離一個角度θ(如圖3所示)；同時，角度θ隨外部壓力的變化而變化，并且反射光耦合回光纖的功率隨θ角的增大而降低。因此，通過檢測反射光的強度，就可以獲知外界的壓力和振動狀態。本發明可以按以下方式實現：

本發明是在襯底上依次制備犧牲層薄膜和彈性薄膜(如圖4)；然后在襯底背面刻蝕一個孔，該孔底部到達犧牲層(即犧牲層起到腐蝕停止層的作用)(如圖5)；接著把犧牲層腐蝕除去，從而得到彈性懸膜，周圍的襯底仍舊支撐著彈性懸膜(如圖6所示)；最后，將帶有彈性懸膜的襯底與光纖套筒粘結在一起(如圖1所示)，懸膜與光纖端面之間具有空隙，因此懸膜可以在外部壓力下發生彈性形變。空隙間距可以通過控制光纖在套筒中的位置來調節。

本發明還可以按另一種方式實現：在襯底背面刻蝕圓孔后(如圖5)，利用光刻和刻蝕工藝在犧牲層上腐蝕出一個較小的圓孔(如圖7)，從而得到彈性懸膜，最后將懸膜與光纖對接到一起(如圖8)。光纖端面與彈性懸膜之間的間距，由犧牲層的厚度決定，因此可以方便的獲得小于10微米的間隙。

本發明中的彈性薄膜可以通過減薄或生長得到，其厚度可以小于10微米。

本發明中的光纖纖芯與懸膜中軸線的偏移量L可以在0到D的范圍內變化(如圖2所示懸膜寬度為2D)。

本發明中的襯底和薄膜材料選自有機和無機材料，其中襯底材料優選硅、GaAs和InP，薄膜材料優選Si、SiO₂、SiN_x、GaAs、InGaP、InGaAsP和InP。

附圖說明

附圖，其被結合入并成為本說明書的一部分，示范了本發明的實施例，并與前述的綜述和下面的詳細描述一起解釋本發明的原理。

圖1為光纖壓力傳感器的示意圖；

圖2為光纖壓力傳感器的結構尺寸圖；

圖3為光纖壓力傳感器的工作原理圖；

圖4為帶有犧牲層和彈性薄膜層的襯底結構；

圖5為在襯底背面刻蝕一個到達犧牲層的孔；

圖6為犧牲層腐蝕除去后得到的彈性懸膜；