本發(fā)明一種光纖法珀溫度傳感器，具體涉及一種基于光纖法布里-珀羅(Fabry-berot)干涉原理的光纖法珀溫度傳感器，特別是與法珀壓力傳感器白光干涉解算技術(shù)兼容、制造工藝和方法相近的光纖法珀溫度傳感器。

背景技術(shù)：

溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。但真正把溫度變成電信號的傳感器是由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，就是后來的熱電偶傳感器。本世紀相繼開發(fā)了包含半導(dǎo)體熱電偶傳感器在內(nèi)的多種溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。自20 世紀70 年代光纖問世以來，光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器， 待測參數(shù)溫度與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的強度、波長、頻率、相位等的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光。再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。光纖溫度傳感器種類很多，但概括起來按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖相位、偏振、強度等的各種特性隨溫度變換的特點，進行溫度測定。這類傳感器盡管具有傳、感合一的特點，但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔?以避開測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境。對待測對象的調(diào)制功能是靠其它物理性質(zhì)的敏感元件來實現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對機械振動之類的干擾比較敏感。光纖法珀腔的傳感器可以檢測溫度、應(yīng)變、壓力、聲音、氣體濃度等諸多物理量和化學(xué)量,并且廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁、大型機械的安全監(jiān)測。在現(xiàn)有報道的光纖法珀溫度傳感器中，采用的技術(shù)方案為：采用外徑大于125 nm 的玻璃毛細管封裝，由2個光纖的端面構(gòu)成光纖法珀腔并采用膠封的方式固定于溫度敏感材料中，該傳感器采用不銹鋼毛細金屬管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空心光纖對光纖法珀腔進行封裝,毛細金屬管在作為法珀腔腔體的同時也是溫度敏感元件。該傳感器采用溫度敏感的金屬材料作為法珀腔的腔體，利用高精度位移機構(gòu)將光纖兩端插入金屬毛細管中形成低精細度的光纖法珀腔。 光纖在金屬管的兩端通過膠粘的方式固定，金屬毛細管的長度為該溫度傳感器的標距。該傳感器的核心結(jié)構(gòu)為光纖法珀干涉腔(F-P腔)。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時將直接導(dǎo)致金屬毛細管的熱膨脹，帶動插入金屬管內(nèi)的光纖移動，引起光纖法珀腔的腔長變化。光入射到F-P腔后，不斷地在F-P腔的2個端面之間進行反射和透射，形成多光束干涉。這種工藝都比較復(fù)雜，一致性難以保證，并且膠的老化和蠕變對于傳感器的性能影響較大，難以實用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有光纖法珀壓力傳感器溫度補償技術(shù)存在的不足之處，提供一種可顯著降低成本，溫度測量精度高、壽命長、易集成，便于實現(xiàn)高精度法珀壓力傳感器系統(tǒng)集成、布線和解算器復(fù)用的光纖法珀溫度傳感器。

本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種光纖法珀溫度傳感器，包括溫度受感芯體、光纖插芯、多模光纖，其特征在于：多模光纖9插入并固定在光纖插芯孔內(nèi)，光纖端面與光纖插芯8端面平齊；溫度受感芯體7裝配在光纖插芯端面并連接在一起，溫度受感芯體7制作有通過硅片3分隔的封裝有一定氣體的溫度腔1和真空的法珀腔4，硅片3兩側(cè)的氣壓差等于溫度腔1內(nèi)的氣體壓力P，法珀腔4腔長y與溫度腔1內(nèi)氣體壓力P成正比；當(dāng)溫度腔內(nèi)氣體受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮時，氣體狀態(tài)隨溫度變化，改變硅片兩側(cè)的氣壓差，硅片發(fā)生形變，將溫度腔1內(nèi)的氣體氣壓溫度值轉(zhuǎn)換為法珀腔4可直接測量的法珀腔腔長值，通過法珀干涉原理檢測出硅片的形變量實現(xiàn)溫度檢測。

多模光纖9和光纖插芯8通過FC/PC光纖接口制作工藝裝配，保證光纖端面與插芯端面平齊。溫度受感芯體7和光纖插芯8使用光學(xué)膠粘接或通過激光焊接工藝連接在一起；

溫度受感芯體7由高硼硅玻璃1、硅片3、半反半透膜5和高硼硅玻璃6組成；感溫腔2刻蝕在高硼硅玻璃1上，硅片3的材料為單晶硅片，高硼硅玻璃1與硅片3之間通過鍵合工藝鍵合在一起，鍵合時在感溫腔2內(nèi)密封一定氣壓的氣體。

高硼硅玻璃6上刻蝕有法珀腔4，在法珀腔4底部鍍制半反半透膜5，高硼硅玻璃6與硅片3之間通過真空鍵合工藝鍵合在一起，法珀腔4內(nèi)真空。

高硼硅玻璃1厚度需要保證傳感器在工作環(huán)境壓力下不發(fā)生可測量形變，以隔絕外界壓力對溫度腔2體積的影響，保證法珀腔5腔長只與傳感器感受的溫度有關(guān)。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。

本發(fā)明中，硅片3兩側(cè)的氣壓差等于溫度腔1內(nèi)的氣體壓力P，法珀腔4腔長y與溫度腔1內(nèi)氣體壓力P成正比。當(dāng)溫度腔1內(nèi)氣體狀態(tài)隨溫度變化，改變硅片3兩側(cè)的氣壓差，硅片3發(fā)生形變，從而實現(xiàn)溫度與法珀腔4可測量的法珀腔腔長值的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明通過雙腔體設(shè)計，保證法珀腔腔長只受外界溫度影響。

本發(fā)明的光纖法珀溫度傳感器與光纖法珀壓力傳感器具有相同的解調(diào)原理和加工工藝，通過工藝復(fù)用和解算器復(fù)用，可顯著降低光纖法珀溫度傳感器的研發(fā)和使用成本。

本發(fā)明采用白光干涉原理進行溫度解算：向F-P腔發(fā)射白光，白光會在F-P腔兩個表面發(fā)生反射，反射光之間的光程差為F-P腔腔長值的兩倍；解算部件采用光程差補償技術(shù)進行光程差掃描，當(dāng)掃描到干涉條紋亮度最大時即為零光程差補償值，從而實現(xiàn)F-P腔腔長解算，通過F-P腔腔長值—溫度曲線，求解出傳感器感受的溫度值。

本發(fā)明的光纖法珀溫度傳感器與光纖法珀壓力傳感器具有相同的解算原理和實現(xiàn)，可通過解算器復(fù)用降低系統(tǒng)成本。

本發(fā)明與光纖法珀壓力傳感器具有相同的結(jié)構(gòu)和制造工藝，可通過通過MEMS工藝批量化制造。

本發(fā)明的可通過硅片3厚度控制實現(xiàn)不同靈敏度傳感器設(shè)計。

本發(fā)明基于氣體理想狀態(tài)方程和法珀干涉原理研制的光纖法珀溫度傳感器，屬于接觸式測溫傳感器。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。

圖1是本發(fā)明光纖法珀溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1溫度受感芯體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1 SOI結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1高硼硅玻璃，2溫度腔，3硅片，4法珀腔，5半反半透膜，6高硼硅玻璃，7溫度受感芯體，8光纖插芯，9多模光纖，10 SOI的手持層(Handing層),11 SOI的氧化層(SiO₂層)，12 SOI的設(shè)備層（Device層）。

具體實施方式

參閱圖1、圖2。在以下描述的實施例中，光纖法珀溫度傳感器由溫度受感芯體7、光纖插芯8、多模光纖9組成。多模光纖插入并固定在光纖插芯孔內(nèi)，光纖端面與光纖插芯端面平齊；溫度受感芯體裝配在光纖插芯端面連接在一起。溫度受感芯體7制作有通過硅片3分隔，封裝有一定氣體的溫度腔和真空的法珀腔4，法珀腔4底部設(shè)有半反半透膜，硅片3兩側(cè)的氣壓差等于溫度腔2內(nèi)的氣體壓力P，法珀腔4腔長y與溫度腔2內(nèi)氣體壓力P成正比；當(dāng)溫度腔內(nèi)氣體受溫度影響發(fā)生熱脹冷縮時，氣體狀態(tài)隨溫度變化，改變硅片兩側(cè)的氣壓差，硅片發(fā)生形變，將溫度腔2內(nèi)的氣體氣壓溫度值轉(zhuǎn)換為法珀腔4可直接測量的法珀腔腔長值，通過法珀干涉原理檢測出硅片的形變量實現(xiàn)溫度檢測。溫度受感芯體由高硼硅玻璃片1和高硼硅玻璃片6及玻璃片之間的硅片3三層結(jié)構(gòu)組成，玻璃片與硅片3通過MEMS鍵合工藝鍵合在一起。硅片3通過在上層高硼硅玻璃片1和下層高硼硅玻璃片6之間中空腔體，將中空腔體分隔為密封的溫度腔2和法珀腔5，法珀腔4內(nèi)真空，溫度腔2內(nèi)保留有一定壓力的氣體。溫度腔2內(nèi)氣體受熱脹冷縮影響，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，溫度腔2內(nèi)氣體壓力P與溫度T的關(guān)系為：

式1

其中：n為腔體內(nèi)氣體的物質(zhì)的量，R為理想氣體常數(shù)，約為8.31441±0.00026J/(mol·K)，T為氣體熱力學(xué)溫度，V為腔體體積，P為溫度腔內(nèi)氣壓。

硅片3兩側(cè)存在壓力差，法珀腔4內(nèi)為真空，因此硅片3兩側(cè)的氣壓差等于溫度腔2內(nèi)的氣體壓力P，法珀腔4腔長y與溫度腔2內(nèi)氣體壓力P的關(guān)系為：

式2

式中，E為楊氏模量，ν為泊松比，B為法珀腔4的直徑，C為膜片厚度。

因此，法珀腔4腔長y與溫度腔2溫度T的關(guān)系為：

式3

可通過光纖法珀干涉儀檢測出法珀腔4的腔長y，通過式2計算出溫度腔內(nèi)氣體壓力P。對于任一溫度T，一旦硅片3的形變量穩(wěn)定后，溫度腔4的體積V也保持不變，通過式1可計算出傳感器所感受的外界溫度T。

本光纖法珀溫度傳感器的結(jié)構(gòu)、加工工藝和解調(diào)原理與光纖法珀壓力傳感器基本相同，便于系統(tǒng)集成、光纖布線、解算器復(fù)用。具體實施步驟如下：

高硼硅玻璃選用4英寸300um厚的晶圓片，如Pyrex7740或BF33，兩面進行研磨和拋光，清洗和干燥后使用光刻技術(shù)暴露溫度腔圖形，使用刻蝕工藝刻蝕深30um、直徑1400um的凹坑陣列，然后去除光刻膠，清洗并干燥晶圓片，溫度腔形狀也可以是矩形等其它形狀；

選用4英寸200um厚高硼硅玻璃如Pyrex7740或BF33晶圓片，兩面進行研磨和拋光，清洗和干燥后使用光刻技術(shù)暴露法珀腔圖形，使用濕法或干法刻蝕工藝刻蝕深法珀腔陣列；

采用Ta靶真空鍵射工藝在法珀腔底部鍍制Ta膜，在高溫純氧環(huán)境中將Ta金屬氧化生成Ta₂O₅半反半透膜5，去除光刻膠，清洗并干燥晶圓片；

參閱圖3。根據(jù)需要選用特定設(shè)備層厚度的SOI晶圓片，清洗表面后在一定壓力、純凈、性質(zhì)穩(wěn)定的環(huán)境下將設(shè)備層12與玻璃晶圓片鍵合在一起，鍵合后的溫度腔內(nèi)預(yù)留有氣體；采用刻蝕工藝先去除SOI的手持層10，再去除SOI的氧化層11，清洗干凈并干燥；在真空環(huán)境下將設(shè)備層12與玻璃晶圓片鍵合在一起，鍵合前需要保證溫度腔與法珀腔中心對準；采用四邊形、六邊形切割劃片或腐蝕劃片等工藝分離溫度受感芯體。

采用外徑2.5mm、內(nèi)徑126um、長10.5mm的光纖插芯，向光纖插芯8內(nèi)孔注入固化膠，去除多模光纖9的涂覆層，將多模光纖9插入光纖插芯8，高溫固化。

采用FC/PC光纖接頭制作平臺研磨插芯端面，直至光纖端面與插芯端面平齊、端面平整無劃痕。

使用光學(xué)膠或激光焊接將溫度受感芯體7和光纖插芯8連接在一起，完成傳感器裝配，焊接時需保證溫度受感芯體7與光纖插芯8中心對齊。