[發明專利]具有多臺階的寬范圍光纖真空傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201310228911.5
• 申請日: 2013-06-08
• 公開（公告）號: CN103344381A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 江俊峰;劉鐵根;尹金德;劉琨;鄒盛亮;王雙;秦尊琪;吳凡
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

技術領域

本發明涉及光纖壓力傳感器技術領域，該傳感器用于檢測真空度，同時也適用于液體的相對壓力和絕對壓力檢測，聲波、超聲波信號等的探測。

背景技術

光纖法-珀壓力傳感器是光纖壓力傳感器中的一種，它通常由光纖端面和膜片端面構成法布里-珀羅微諧振腔，當壓力作用在膜片上將使膜片變形，而使得法-珀腔長發生變化，從而實現傳感。

近年來，隨著對光纖法-珀壓力傳感器研究的不斷深入，科研人員不斷提出設計方案和制作方法，如2001年Don?C.Abeysinghe等（Don?C.Abeysinghe，Samhita?Dasgupta，Joseph?T.Boyd，Howard?E.Jackson，A?Novel?MEMS?pressure?sensor?fabricated?on?an?optical?fiber,IEEE?Photonics?Technology?Letters,2001,139:993-995）在包層直徑分別為200μm和400μm，芯徑為190μm和360μm的多模光纖端面刻蝕出微腔，然后在該端面鍵合上硅片構成傳感器；2005年Juncheng?Xu等（Juncheng?Xu,Xingwei?Wang,Kristie?L.Cooper,Anbo?Wang,Miniature?all-silica?fiber?optic?pressure?and?acoustic?sensors,Optics?Letters,2005,30(24):3269-3271）利用氫氟酸蝕刻大芯徑的石英光纖獲得石英膜片，石英膜片熔接于毛細管端面處，切割的單模光纖端面伸入到該毛細管中就與石英膜片構成了光纖法布里-珀羅壓力傳感器；2006年Xiaodong?Wang等（Xiaodong?Wang，Baoqing?Li，Onofrio?L.Russo,et.al.,Diaphragm?design?guidelines?and?an?optical?pressure?sensor?based?on?MEMS?technique,Journal?of?microelectronics,2006,37:50-56）在500μm厚的Pyrex玻璃微加工出微腔體，然后硅片鍵合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔體的光纖端面構成了光纖法布里-珀羅腔；2006年王鳴等（王鳴，陳緒興，葛益嫻等，法布里-珀羅型光纖壓力傳感器及其制作方法，專利申請號：200610096596.5）利用單晶硅晶圓片、玻璃圓管、光纖法蘭盤和光纖插頭構建了光纖法布里-珀羅腔。

但是，目前光纖法布里-珀羅傳感器主要適用于較大壓力測量的檢測，通常大于100kPa以上，此時盡管名義上，較小的壓力也被覆蓋在此范圍，但事實上壓力傳感器已不能分辨開。而在航空航天、半導體制造領域，對儀器或設備的真空度進行監測非常關鍵，真空區域的絕對壓力小于1.333kPa。本發明旨在解決上述困難，對真空區域實現高精度壓力測量，從而確定當前的真空度，同時又能可靠地在常壓（1個大氣壓）下存活和測量。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的上述一系列難題，提供一種光纖真空傳感器及其制作方法。本發明是在對傳統的光纖法布里-珀羅傳感器存在上述問題的分析和研究的基礎上提出來的，該傳感器結構可以避免上述敘述的真空度無法測量的問題，同時又適用于常規壓力范圍的測量，并且在全范圍保證測量精度，這對航空航天、半導體制造領域的光纖傳感技術應用具有非常重要的意義。

本發明的提出一種多臺階的寬范圍光纖真空傳感器，包括傳感器頭、傳感器體5和傳輸光纖7、以及傳感器的支撐結構和傳輸光纖的容納結構，其特征在于，所述傳感器頭為臺階式光纖真空傳感器頭，具有雙層結構，第一層結構為單晶硅晶圓片2，第二層結構為Pyrex玻璃晶圓片3；其中：

所述單晶硅晶圓片2作為彈性膜片，感受壓力，單晶硅晶圓片前表面9具有SiO2氧化層臺階且經光刻腐蝕，單晶硅晶圓片后表面10構成法布里-珀羅腔8的第二個反射面；

所述Pyrex玻璃晶圓片的Pyrex玻璃晶圓片前表面16具有兩級臺階式的圓形淺坑陣列，其被切割成表面為正方形或其他多邊形的單個傳感器頭單元，該圓形淺坑陣列包括圓形淺坑第一臺階14、和圓形淺坑第二臺階15；圓形淺坑第二臺階15底部鍍的反射膜17作為法布里-珀羅腔8的第一個反射面；Pyrex玻璃晶圓片后表面12具有圓形淺坑13，與前述圓形淺坑陣列的位置同心，共軸，用于對光纖的定位；