內(nèi)容說(shuō)明
 

　　本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器及成型方法，屬于高精度光纖傳感測(cè)量領(lǐng)域。
 

　　發(fā)明背景
 

　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器主要是以彈性元件的形變指示壓力的機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件，這種器件體積大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化、低功耗發(fā)展。
 

　　采用電信號(hào)檢測(cè)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(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)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(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。由于壓阻式和電容式的檢測(cè)精度受熱機(jī)械噪聲和寄生阻容參量的影響很難進(jìn)一步地提高，因此，為了能夠提高壓力傳感器的檢測(cè)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(jī)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(jié)構(gòu)，將兩光纖的端面進(jìn)行拋磨，其中一光纖端面制作微槽，然后兩光纖熔融對(duì)接在一起，以形成F-P腔。現(xiàn)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(duì)連接的光纖進(jìn)行端面拋磨，拋磨質(zhì)量較差，微槽的制作比較困難，從而使得F-P腔的兩個(gè)端面粗糙度較差，而且端面沉積高反膜比較困難；兩光纖進(jìn)行熔接，F(xiàn)-P腔兩個(gè)端面的平行度較差，從而使得現(xiàn)有的F-P壓力傳感器制作困難，檢測(cè)信號(hào)的信噪比較差，檢測(cè)靈敏度較低等。
 

　　發(fā)明內(nèi)容
 

　　有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于MEMS工藝的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(cè)量精度、過(guò)量程能力優(yōu)異、機(jī)械可靠性高和動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)特性好；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的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(shí)現(xiàn)器件的小型化、批量一致化制作。
 

　　本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于MEMS工藝的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、基座和準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖；其中，F(xiàn)-P壓力敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片組成；所述SOI硅片包括頂層硅、中間氧化層和底層硅；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(huán)形凹槽后形成圓柱形凸臺(tái)，即形成“膜-島”結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形凹槽部分為“膜”，圓柱形凸臺(tái)部分為“島”；所述圓柱形凸臺(tái)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(tái)(“島”)的表面沉積有高反膜Ⅰ。
 

　　有益效果：(1)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器將高靈敏度光纖F-P傳感信號(hào)檢測(cè)技術(shù)與MEMS微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，利用F-P干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS工藝制作的硅壓力敏感膜位移變化的高分辨率檢測(cè)，使得硅壓力敏感膜不需要設(shè)計(jì)得非常薄，從而兼顧MEMS壓力傳感器的測(cè)量精度、過(guò)量程能力、機(jī)械可靠性和動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)特性；本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的光學(xué)精細(xì)度因子(自由譜寬FSR與3dB帶寬FWHM的比值)達(dá)到136 .4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有F-P壓力傳感器的光學(xué)精細(xì)度因子(通常小于10)。
 

　　(2)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中F-P壓力敏感MEMS芯片的SOI硅片可以有效地解決了現(xiàn)有F-P壓力傳感器兩端面平行度較差、F-P腔長(zhǎng)不能精確控制等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的F-P壓力傳感器的批量一致化制作；其中，SOI硅片的底層硅設(shè)置為“膜-島”結(jié)構(gòu)，“島”部分的厚度大于“膜“厚度，使得F-P壓力傳感器芯片在壓力作用下光束照射區(qū)仍能保持非常低的翹曲，避免了現(xiàn)有F-P壓力傳感器在壓力作用下由于F-P腔兩端面平行度降低導(dǎo)致干涉光譜劣化使檢測(cè)精度和分辨率降低的問(wèn)題。
 

　　(3)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中的SOI硅片的底層硅上的高反膜可采用金屬薄膜材料，當(dāng)?shù)讓庸枭系母叻茨げ捎媒饘俦∧げ牧蠒r(shí)，底層硅的上表面可以不沉積增透膜，解決了現(xiàn)有F-P壓力傳感器F-P腔兩個(gè)表面均沉積介質(zhì)高反膜導(dǎo)致的硅壓力敏感膜上形成干擾F-P信號(hào)的問(wèn)題，提高了檢測(cè)精度和分辨率。
 

　　(4)本發(fā)明所述方法基于MEMS微加工技術(shù)制備F-P壓力敏感MEMS芯片，其F-P光學(xué)干涉腔的其中一個(gè)反射面為SOI硅片的原始拋光表面沉積高反膜后構(gòu)成，另外一個(gè)反射面為玻璃片的原始拋光表面沉積高反膜后構(gòu)成，都非常光潔和平整，通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定后可以獲得很高的F-P光學(xué)干涉腔干涉精細(xì)度，其精細(xì)度因子也即自由譜寬FSR與信號(hào)譜3dB帶寬FWHM之比不小于20，可采用波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方式進(jìn)行壓力信號(hào)檢測(cè)，提高壓力分辨率和測(cè)量精度，解決了F-P光學(xué)干涉腔采用強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)方法和相位調(diào)制解調(diào)方法所存在的靈敏度低、受光源功率波動(dòng)和光纖彎折影響等問(wèn)題。
 

　　(5)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中采用SOI硅片的底層硅制作“膜-島”結(jié)構(gòu)作為壓力敏感變形元件，可以利用底層硅的優(yōu)異材料特性獲得良好的壓力線性度和重復(fù)性；此外，對(duì)“膜-島”結(jié)構(gòu)上的高反膜、增透膜和鈍化層均進(jìn)行了圖形化處理，只在“膜-島”結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力變形區(qū)-“島”的兩側(cè)沉積高反膜、增透膜和鈍化層，而在“膜-島”結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力變形區(qū)-“膜”的兩側(cè)沒(méi)有沉積高反膜、增透膜和鈍化層，保證“膜-島”結(jié)構(gòu)中“膜”始終保留原始的底層硅表面，從而確保F-P壓力傳感器具有良好的線性度、重復(fù)性和極低的熱漂移系數(shù)。
 

　　(6)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中的壓力敏感F-P光學(xué)干涉腔通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合形成，可以通過(guò)在硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中抽真空而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)壓力測(cè)量，可測(cè)量的最小絕對(duì)壓力小于1KPa。而且由于F-P光學(xué)干涉腔由硅-玻璃陽(yáng)極鍵合形成，所以可以保持長(zhǎng)期的高真空穩(wěn)定度。
 

　　(7)本發(fā)明所述基于MEMS微加工技術(shù)制備的F-P壓力敏感MEMS芯片通過(guò)基座與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖對(duì)準(zhǔn)封裝后構(gòu)成光纖F-P壓力傳感器，通過(guò)利用準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖將光斑平行擴(kuò)束到直徑50μm以上進(jìn)行光路同軸耦合，可減小因光束發(fā)散、角度偏差而造成的信號(hào)嚴(yán)重惡化，從而降低耦合封裝的難度。
 

　　(8)本發(fā)明所述方法可實(shí)現(xiàn)光纖F-P壓力傳感器的批量化制造，光纖F-P壓力傳感器的初始腔長(zhǎng)、壓力測(cè)量靈敏度、量程等關(guān)鍵參數(shù)的批量一致性很容易保證，可廣泛用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等飛行器大氣數(shù)據(jù)測(cè)量，機(jī)電設(shè)備油氣壓力測(cè)量，油罐自動(dòng)化液位測(cè)量，以及其他工業(yè)領(lǐng)域的高精度壓力和液位測(cè)量。
 

　　(9)相比于傳統(tǒng)的壓力傳感器，本發(fā)明所述的F-P壓力傳感器精度高、批量一致性好、抗電磁干擾，耐腐蝕，本質(zhì)安全。這使它在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金、高壓、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕、易燃易爆環(huán)境中能方便而有效地傳感。而其無(wú)源無(wú)電、零點(diǎn)穩(wěn)定、可長(zhǎng)壽命工作的突出特點(diǎn)，使其在油罐自動(dòng)化液位測(cè)量領(lǐng)域，也具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，光纖不僅是敏感元件，而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線，因此幾乎不必考慮測(cè)量?jī)x和被測(cè)物體的相對(duì)位置，特別適合于電學(xué)方式等傳感器不太適用的場(chǎng)合。可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制。
 

　　(10)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器內(nèi)部F-P壓力敏感MEMS芯片與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖之間為非接觸式光學(xué)信號(hào)檢測(cè)方式，具有良好的抗沖擊過(guò)載能力，故障率極低，后續(xù)免維護(hù)，可長(zhǎng)期精確測(cè)量。在安裝操作不便、維護(hù)困難的應(yīng)用場(chǎng)合更具顯著優(yōu)勢(shì)。
 

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