本發(fā)明涉及一種廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的應(yīng)力 、 應(yīng)變、壓力、 溫度等物理量測(cè)量的F-P腔壓力傳感器，特別是涉及一種帶有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔壓力傳感器。

背景技術(shù)：

光纖F-P腔壓力傳感器的敏感部件是光纖F-P 腔，當(dāng)光進(jìn)入光纖F-P 腔后，將會(huì)在兩反射端面間多次反射，形成多光束干涉光譜。當(dāng)在進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)，外界壓力的變化引起光纖F-P腔長(zhǎng)的變化，從而引起多光束干涉光譜變化，利用外部解調(diào)設(shè)備可以計(jì)算出壓力值。光纖F-P腔壓力傳感器是伴隨著光纖通訊技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的， 由于其具有信號(hào)不受電磁場(chǎng) 干擾、絕緣性高、防爆性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，高可靠性，高靈敏度，響應(yīng)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在民用和軍事領(lǐng)域都有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用光纖壓力傳感器進(jìn)行顱壓、胸壓、腹壓等的測(cè)量可以最大限度地減小患者手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)； 而在進(jìn)行斷層掃描（CT）及核磁共振（NMR）時(shí)，它依舊可以準(zhǔn)確地測(cè)量病患部位的壓力，突出了其抗電磁干擾的特性。

國(guó)內(nèi)外諸多科研機(jī)構(gòu)，例如: 南京師范大學(xué)、美國(guó)的弗吉尼亞理工學(xué)院、斯坦福大學(xué); 英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué);斯洛文尼亞的馬里博爾大學(xué)等都在做光纖F-P腔壓力傳感器研究工作。根據(jù)傳感器材料、制作方法等的不同，光纖F-P 腔壓力傳感器可分為全光纖結(jié)構(gòu)和MEMS膜片式。

全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是將兩根光纖的端面作為反射面，使兩光纖端面嚴(yán)格平行、同軸，與中空光纖形成一個(gè)腔體。當(dāng)腔體一定時(shí)，其變形量與所受的壓強(qiáng)成正比，而腔體長(zhǎng)度的變化影響到光纖內(nèi)入射光與反射光的光程差。由于全光纖結(jié)構(gòu)F-P 光纖壓力傳感器的主體部分全部采用光纖材料，因此其主要特點(diǎn)是具有很好的熱穩(wěn)定性能。但目前能夠在光纖端面制作技術(shù)仍存在工藝復(fù)雜、材料溫度和力學(xué)特性差等諸多缺陷， 所以全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器不適合批量化生產(chǎn)，限制了其應(yīng)用。

上世紀(jì)七八十年代國(guó)外已經(jīng)提出基于膜片設(shè)計(jì)F-P壓力傳感器結(jié)構(gòu)，光學(xué)反射平面采用的是對(duì)壓力敏感的膜片，當(dāng)膜片隨著壓力的變化產(chǎn)生位移, F-P腔的腔長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化。隨著技術(shù)的不斷成熟，光纖F-P壓力傳感器出現(xiàn)很多種不同結(jié)構(gòu),其中光纖MEMS壓力傳感器傳感器是其中一個(gè)重要的部分。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，微電子機(jī)械系統(tǒng)( MEMS) 技術(shù)在光領(lǐng)域中的應(yīng)用非常引人注目，將光纖傳感技術(shù)和MEMS 技術(shù)相結(jié)合制作新型光纖MEMS 傳感器已經(jīng)成為光纖傳感器制作領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。MEMS 技術(shù)的引入，使得F-P 壓力傳感器的可靠性、抗電磁干擾以及抗腐蝕性都有提高，而且F-P腔MEMS 光纖壓力傳感器還具有尺寸小、準(zhǔn)確度高、動(dòng)態(tài)范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于MEMS 器件適合于大規(guī)模集成化生產(chǎn)，一旦技術(shù)成熟，產(chǎn)品定型，可以大大降低傳感器的成本。隨著MEMS 技術(shù)的不斷成熟完善，國(guó)外多家高校及研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了F-P 光纖MEMS 壓力傳感器的研究工作，并且出現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)的F-P 光纖MEMS 壓力傳感器。其中一部分傳感器的壓力敏感膜是運(yùn)用體硅工藝和表面犧牲層工藝制作的，還有一部分的傳感器是利用光纖腐蝕熔接工藝制作的。

但是，目前光纖MEMS壓力傳感器傳感器還存在著難點(diǎn)問題，如中國(guó)專利公開號(hào)CN103644987 A,CN103698080A)所述，硅材料的感壓膜片與玻璃凹槽是通過陽(yáng)極鍵合的方式連接而成，但是這種結(jié)構(gòu)存在著兩個(gè)方面的問題：

1、 感壓膜片與玻璃凹槽所屬不同材料，由于它們熱膨脹系數(shù)的差異，使得感壓膜片與玻璃凹槽鍵合處存在著較大的應(yīng)力，從而使得光纖F-P腔壓力傳感器溫漂系數(shù)大，線性度差；

2、 由感壓膜片與玻璃凹槽鍵合處的熱應(yīng)力失配，使感壓膜片隨溫度變化，產(chǎn)生附加形變，從而光纖F-P腔壓力傳感器重復(fù)性下降，時(shí)漂增加，進(jìn)一步降低F-P壓力傳感器的精度。

目前困擾光纖F-P壓力傳感器綜合性能的難點(diǎn)問題，是由于溫度效應(yīng)使光纖F-P腔壓力傳感器內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致傳感器精度和可靠性下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決困擾光纖F-P壓力傳感器綜合性能的難點(diǎn)問題，本發(fā)明的目的提供一種力學(xué)特性好，靈敏度高，精度高，同時(shí)具有高可靠性，線性度好的，一種帶有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔壓力傳感器。

本發(fā)明的目的可采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種光纖F-P腔應(yīng)力釋放壓力傳感器，包括制有F-P腔的上插芯，與上插芯軸向固聯(lián)為一體的下插芯和插入所述下插芯的光纖，以及覆蓋在所述F-P腔端口的壓力膜片，其中所述壓力膜片與上插芯連接形成F-P腔，其特征在于：在所述壓力膜片的鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域設(shè)計(jì)有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，所述應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)是由分布在上述鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力釋放孔組成的，壓力膜片和上插芯之間的熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力通過這些不同形狀的應(yīng)力釋放孔來釋放。

本發(fā)明采用帶有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔壓力傳感器，通過壓力膜片感壓區(qū)設(shè)計(jì)的形狀為正方形、菱形、圓形、六邊形孔的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)，其上孔深度為壓力膜片厚度的1/3的這些應(yīng)力釋放孔可以釋放壓力膜片感壓區(qū)域中溫度內(nèi)應(yīng)力，從而保證壓力膜片對(duì)外界壓力的感壓的線性度。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明在技術(shù)上有較大的突破：本發(fā)明的主要特點(diǎn)是在光纖F-P腔壓力傳感器設(shè)計(jì)有應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)。這種應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)有主要有兩個(gè)主要的作用：

1)、通過鍵合區(qū)域的應(yīng)力釋放通孔，可以釋放由于壓力膜片和上插芯之間的熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力。這樣可以很好地消除F-P腔壓力傳感器的溫度敏感性，降低傳感器的溫漂系數(shù)，提高傳感器的線性度；

2)、感壓區(qū)域的應(yīng)力釋放能夠釋放由于溫度效應(yīng)所引起的材料內(nèi)部應(yīng)力，降低感壓膜片受溫度的影響，提升傳感器的重復(fù)性，降低時(shí)漂，從而提高傳感器的綜合精度。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明一種光纖F-P腔應(yīng)力釋放壓力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的剖視圖。

圖2 是本發(fā)明圖1的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖。

圖3是圖1的原理圖。

圖中: 1、壓力膜片，2、上插芯，3、下插芯，4、光纖。

具體實(shí)施方式

在如圖1 所示的一個(gè)最佳實(shí)施例中，一種光纖F-P腔應(yīng)力釋放壓力傳感器，制有F-P腔的上插芯，與上插芯軸向固聯(lián)為一體的下插芯和插入所述下插芯的光纖，以及覆蓋在所述F-P腔端口的壓力膜片，其中所述壓力膜片與上插芯連接形成F-P腔，其中，壓力膜片1與上插芯2通過陽(yáng)極鍵合工藝連接形成F-P腔。光纖4一部分插入下插芯3，與其頂面平行，另一部分位于下插芯3外，作為傳導(dǎo)光纖與解調(diào)設(shè)備連接，而上插芯2和下插芯3通過激光鍵合或者膠粘貼工藝互連成整體。上插芯和下插芯通過激光鍵合或者膠粘貼連接。其壓力膜片設(shè)計(jì)的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)分別位于鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域。壓力膜片的形狀可根據(jù)不同的封裝形式和系統(tǒng)精度的要求來選擇壓力膜片的形狀，壓力膜片的形狀可以是正方形、菱形、圓形、六邊形的一種或多種。壓力膜片的鍵合區(qū)域設(shè)計(jì)的應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)是由分布在上述鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力釋放孔組成的，壓力膜片和上插芯之間的熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力通過這些不同形狀的通孔來釋放。這些結(jié)構(gòu)形狀的應(yīng)力釋放孔可為正方形、菱形、圓形、六邊形通孔。應(yīng)力釋放孔的深度為壓力膜片厚度的1/3。根據(jù)系統(tǒng)精度的要求來選擇應(yīng)力釋放結(jié)構(gòu)的形狀，通過這些不同形狀的應(yīng)力釋放孔來釋放由于壓力膜片和上插芯之間的熱失配而產(chǎn)生的應(yīng)力。

本實(shí)施例的光纖F-P腔壓力傳感器的制作方法，其加工工藝步驟如下：

選取無翹曲、表面平整度好(起伏小于1nm)、100晶向的優(yōu)質(zhì)硅片，厚度為50-300 um，利用測(cè)控濺射在硅片一面生長(zhǎng)一層SiO₂薄膜，薄膜的厚度為100-1000 nm；利用掩膜光刻工藝在壓力膜片1的鍵合區(qū)域制作應(yīng)力釋放孔，孔的形狀為圓形，直徑為0.5-10 um，孔間距為孔直徑的2-10倍；利用RIE離子刻蝕機(jī)刻蝕SiO₂薄膜，把光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到SiO₂薄膜上，刻蝕的氣體為CF4/Ar₂。利用ICP離子刻蝕機(jī)或者濕法腐蝕溶液來完成制作鍵合區(qū)域的應(yīng)力釋放孔。重復(fù)(a)-(d)過程來制作感壓區(qū)域的應(yīng)力釋放孔；利用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝，對(duì)上插芯2按照設(shè)計(jì)要求制作凹槽，并通過陽(yáng)極鍵合工藝與壓力膜片1連接形成F-P腔；將傳導(dǎo)光纖3一端充分研磨平整，并固定與下插芯3的插孔中，并與下插芯3的頂端齊平。利用激光鍵合或者膠粘貼工藝將上插芯2和下插芯3連接，完成光纖F-P腔壓力傳感器的制作。

雖然參照上述實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例。

本發(fā)明的工作原理：

光纖壓力傳感器傳感原理在于由壓力引起法珀腔長(zhǎng)變化，通過精密測(cè)量腔長(zhǎng)變化量實(shí)現(xiàn)壓力傳感解調(diào)。圖1所示為法珀傳感器結(jié)構(gòu)，法珀腔存在前后兩個(gè)反射面。F-P腔第一個(gè)反射面的反射率通過控制鍍膜反射率確定，第二個(gè)反射面為壓力膜片反射率，入射到法珀腔反射面的光強(qiáng)視為高斯分布，上述兩個(gè)反射面反射光再次耦合進(jìn)入多模光纖，設(shè)兩個(gè)反射面的反射率和損耗系數(shù)分別為 ，

設(shè)入射光強(qiáng)為I₀，則兩個(gè)反射面的耦合光強(qiáng)分別為，干涉條紋表示為

其中表示位相差，外界壓力的變化會(huì)引起的變化，通過測(cè)量來獲知外界的壓力。