專利名稱：一種光纖壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖壓力傳感器，可用于檢測壓力以及振動(dòng)。
背景技術(shù)：
對(duì)易燃易爆環(huán)境下的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，是保障環(huán)境安全的重要措施之一。由于電信號(hào)會(huì)引發(fā)燃燒爆炸，傳統(tǒng)的壓電傳感器不適合在此環(huán)境下應(yīng)用。因此，人們將光纖傳感器應(yīng)用于上述環(huán)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(hào)，具有體積小、重量輕、電絕緣性強(qiáng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該傳感器可以承受高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)等極端條件，可用于易燃易爆、高溫和高壓等環(huán)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，F(xiàn)abry-Perot型壓力傳感器,是通過壓力使薄膜產(chǎn)生彈性形變,導(dǎo)致諧振腔的長度發(fā)生改變，從而使得諧振波長移動(dòng)[J.Micromech.Microeng., vol.15, pp.521-527,2005]。該傳感器具有高的靈敏度和溫度穩(wěn)定性，但是敏感參數(shù)是反射光的相位變化(反射光的強(qiáng)度隨壓力變化呈周期性震蕩)，測試分析比較復(fù)雜；而且，傳感器的靈敏度越高，所需的薄膜就越薄。對(duì)于厚度小于幾十微米的薄膜，操作時(shí)極易破碎。因此研發(fā)測試簡易、低成本且高靈敏度的光纖壓力傳感器，是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(shí)入射光被弧形懸膜斜反射，從而進(jìn)入光纖的反射光強(qiáng)度可以作為探測的敏感量，簡化了測試方法；同時(shí)，利用犧牲層實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)移很薄的薄膜(厚度可以小于10微米)，并且可以精細(xì)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(diǎn)。發(fā)明人對(duì)半導(dǎo)體光學(xué)反射鏡和懸膜制備有著深入研究[IEEE PhotonicsTechnology Letters, vol.16, pp.245-247, 2004],從而啟發(fā)了本發(fā)明的產(chǎn)生。本發(fā)明的工作原理是:在光纖端面附近懸置一個(gè)彈性薄膜，光纖出射的光波經(jīng)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(dāng)彈性懸膜受壓變形時(shí)，反射光的軌跡與入射光相比會(huì)偏離一個(gè)角度Θ (如圖3所示)；同時(shí)，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(qiáng)度，就可以獲知外界的壓力和振動(dòng)狀態(tài)。本發(fā)明可以按以下方式實(shí)現(xiàn):本發(fā)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(gè)孔，該孔底部到達(dá)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(jié)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(fā)生彈性形變?？障堕g距可以通過控制光纖在套筒中的位置來調(diào)節(jié)。本發(fā)明還可以按另一種方式實(shí)現(xiàn):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(gè)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(duì)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(fā)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(fā)明中的光纖纖芯與懸膜中軸線的偏移量L可以在O到D的范圍內(nèi)變化(如圖2所示懸膜寬度為2D)。 本發(fā)明中的襯底和薄膜材料選自有機(jī)和無機(jī)材料，其中襯底材料優(yōu)選娃、GaAs和InP,薄膜材料優(yōu)選 S1、Si02、SiNx, GaAs, InGaP, InGaAsP 和 InP。


附圖，其被結(jié)合入并成為本說明書的一部分，示范了本發(fā)明的實(shí)施例，并與前述的綜述和下面的詳細(xì)描述一起解釋本發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；圖5為在襯底背面刻蝕一個(gè)到達(dá)犧牲層的孔；圖6為犧牲層腐蝕除去后得到的彈性懸膜；圖7為在犧牲層上腐蝕出另一個(gè)圓孔得到彈性懸膜；圖8為光纖壓力傳感器的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使得本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容更加清晰，以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。其中的薄膜生長技術(shù)包括:蒸發(fā)、濺射、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或液相外延(LPE)等常用技術(shù)。例I首先，在硅SOI襯底(如圖4)背面刻蝕一個(gè)孔至SiO2犧牲層(如圖5)；然后，把SiO2腐蝕除去，得到硅襯底支撐的硅彈性懸膜(如圖6)；最后，把光纖固定在套筒內(nèi)部，然后把帶著彈性懸膜的硅襯底與套筒端面粘在一起(如圖1)。例2首先，在硅襯底表面依次生長SiO2犧牲層和SiNx彈性層(如圖4)；然后，在襯底背面刻蝕一個(gè)孔至SiO2犧牲層(如圖5)；接著，利用光刻、刻蝕工藝在犧牲層上腐蝕出一個(gè)較小的圓孔(如圖7)，從而得到SiNx彈性懸膜，最后將懸膜與光纖對(duì)接到一起(如圖8)。例3
首先，在GaAs襯底表面依次生長InGaP犧牲層和GaAs彈性層(如圖4)；然后，在襯底背面刻蝕一個(gè)孔至InGaP犧牲層(如圖5)；接著，利用光刻、刻蝕工藝在犧牲層上腐蝕出一個(gè)較小的圓孔(如圖7)，
從而得到GaAs彈性懸膜，最后將懸膜與光纖對(duì)接到一起(如圖8)。例4首先，在InP襯底表面依次生長InGaAsP犧牲層和InP彈性層(如圖4)；然后，在襯底背面刻蝕一個(gè)孔至InGaAsP犧牲層(如圖5)；接著，利用光刻、刻蝕工藝在犧牲層上腐蝕出一個(gè)較小的圓孔(如圖7)，從而得到InP彈性懸膜，最后將懸膜與光纖對(duì)接到一起(如圖8)。以上所述是本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)原理和具體實(shí)例，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效變換，只要其所運(yùn)用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此說明。
權(quán)利要求
1.一種光纖壓力傳感器及其制備方法，其特征是:傳感器中光纖的纖芯位置偏離懸膜中軸線，受壓時(shí)入射光被弧形懸膜斜反射，從而反射進(jìn)入光纖的強(qiáng)度可以作為探測的敏感量；利用犧牲層實(shí)現(xiàn)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固定在一起。
2.權(quán)利要求1所述的懸膜中軸線，是指懸膜未受壓形變時(shí)垂直于懸膜且經(jīng)過懸膜中心的軸線。
3.權(quán)利要求1所述的襯底表面具有犧牲層薄膜和彈性薄膜。
4.權(quán)利要求1所述的彈性懸膜是通過在襯底背面刻蝕孔洞得到，其中犧牲層起到腐蝕停止層的作用。
5.權(quán)利要求1所述的傳感器可以通過將帶有彈性懸膜的襯底表面與光纖套筒粘結(jié)在一起得到，其中彈性懸膜與光纖端面之間具有空隙。
6.權(quán)利要求1所述的傳感器可以通過將帶有懸膜的襯底背面與光纖對(duì)接到一起得到，其中彈性懸膜與光纖端面之間的空隙距離由犧牲層的厚度決定。
7.權(quán)利要求5所述的空隙，其間距可以通過控制光纖在套筒中的位置來調(diào)節(jié)。
8.權(quán)利要求1，5和6所述的傳感器，其中的彈性懸膜與光纖端面之間具有空隙，因此懸膜可以在外部壓力作用下發(fā)生彈性形變。
9.權(quán)利要求1和3所述的襯底和薄膜材料選自有機(jī)和無機(jī)材料，其中襯底材料優(yōu)選S1、GaAs 和 InP，薄膜材料優(yōu)選 S1、Si02、SiNx、GaAs, InGaP、InGaAsP 和 InP。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光纖壓力傳感器及其制備方法，本發(fā)明的特征是傳感器中光纖的纖芯位置偏離懸膜中軸線，受壓時(shí)入射光被弧形懸膜斜反射，從而反射進(jìn)入光纖的強(qiáng)度可以作為探測的敏感量；同時(shí)，利用犧牲層實(shí)現(xiàn)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保持和襯底固定在一起。因此可以將很薄的懸膜(厚度可以小于10微米)轉(zhuǎn)移并固定到傳感器上，并且可以精細(xì)控制懸膜與光纖端面之間的距離(間距可以小于10微米)，該傳感器具有體積小、使用簡便以及靈敏度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L11/02GK103162878SQ20111041992
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月11日
發(fā)明者黃輝, 劉蓬勃, 曹暾, 唐禎安, 渠波, 齊振彬, 任明坤, 劉學(xué)宇, 吳海波 申請人:黃輝, 劉蓬勃, 曹暾