[發明專利]一種基于MEMS工藝的微型封裝F-P壓力傳感器及成型方法

有效

• 申請號: 201410728291.6
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN104596685A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 劉玉玨
• 申請（專利權）人: 劉玉玨
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L11/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術領域

本發明涉及一種基于MEMS工藝的微型封裝F-P壓力傳感器及成型方法，屬于高精度光纖傳感測量領域。

背景技術

壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器。傳統的壓力傳感器主要是以彈性元件的形變指示壓力的機械結構型的器件，這種器件體積大、質量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生，特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化、低功耗發展。

采用電信號檢測的MEMS壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種，壓阻式壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。由于壓阻式和電容式的檢測精度受熱機械噪聲和寄生阻容參量的影響很難進一步地提高，因此，為了能夠提高壓力傳感器的檢測精度，需要最大限度的降低敏感薄膜的厚度，增加了MEMS壓力傳感器的制作難度，降低了機械可靠性和批量成品率。

目前，基于F-P干涉原理的壓力傳感器主要是全光纖式結構，將兩光纖的端面進行拋磨，其中一光纖端面制作微槽，然后兩光纖熔融對接在一起，以形成F-P腔。現有的這種全光纖式的F-P壓力傳感器存在諸多缺陷，比如對連接的光纖進行端面拋磨，拋磨質量較差，微槽的制作比較困難，從而使得F-P腔的兩個端面粗糙度較差，而且端面沉積高反膜比較困難；兩光纖進行熔接，F-P腔兩個端面的平行度較差，從而使得現有的F-P壓力傳感器制作困難，檢測信號的信噪比較差，檢測靈敏度較低等。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種基于MEMS工藝的微型封裝F-P壓力傳感器，所述光纖F-P壓力傳感器兼具高靈敏度、高測量精度、過量程能力優異、機械可靠性高和動態測量響應能力高；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的微型封裝F-P壓力傳感器的成型方法所述壓力傳感器的器件采用MEMS工藝制作，可以實現器件的微型化、批量化制作。

本發明的目的由以下技術方案實現：

一種基于MEMS工藝的微型封裝F-P壓力傳感器，所述F-P壓力傳感器主要包括F-P壓力敏感MEMS芯片和準直擴束光纖；

其中，F-P壓力敏感MEMS芯片由SOI硅片、玻璃片和雙拋硅片組成；

其中，底層硅的外表面依次沉積有增透膜Ⅰ和鈍化層；由SOI硅片頂層硅的表面沿SOI硅片厚度方向加工深度至底層硅的環形凹槽后形成圓柱形凸臺，即形成“膜-島”結構，所述環形凹槽部分為“膜”，圓柱形凸臺部分為“島”；所述圓柱形凸臺的表面與底層硅和中間氧化層的分界面處于同一平面，且圓柱形凸臺(“島”)的表面沉積有高反膜Ⅰ；

所述玻璃片上表面沉積有高反膜Ⅱ，下表面沉積有增透膜Ⅱ；

所述雙拋硅片的軸向設置有圓孔，所述圓孔直徑大于準直擴束光纖的外徑；

所述準直擴束光纖的上端設置有自聚焦透鏡或等效光學元件，并在上端面沉積有增透膜；所述準直擴束光纖的出射平行光束直徑大于光纖纖芯直徑。

整體連接關系：

SOI硅片通過硅-玻璃陽極鍵合固定在玻璃片上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的下表面與玻璃片的上表面；玻璃片通過硅-玻璃陽極鍵合固定在雙拋硅片上，鍵合面為玻璃片的下表面與雙拋硅片的上表面；準直擴束光纖通過焊料固定在雙拋硅片的通孔中；所述高反膜Ⅰ、高反膜Ⅱ的高反膜之間的形成的區域構成F-P光學干涉腔；準直擴束光纖的光學軸與F-P光學干涉腔同軸；所述高反膜Ⅰ、高反膜Ⅱ、增透膜Ⅰ和增透膜Ⅱ的中心點位于圓柱形凸臺的軸線上；且高反膜Ⅰ、高反膜Ⅱ、增透膜Ⅰ和增透膜Ⅱ的面積均大于準直擴束光纖的出射光束面積并小于等于圓柱形凸臺的面積。?

所述增透膜構成材料均優選SiO₂/Ta₂O₅復合介質膜、SiO₂/TiO₂復合介質膜和SiO₂/Si₃N₄復合介質膜中的一種；