一種基于mems工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖f-p應(yīng)變計(jì)及成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)及成型方法，屬于高精度光纖傳感測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在工程測(cè)量技術(shù)中，應(yīng)變測(cè)量是最為基礎(chǔ)和重要的技術(shù)之一。電阻應(yīng)變測(cè)量方法是獲取應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的一種基本傳統(tǒng)手段，然而，電阻應(yīng)變片抗疲勞性能差、零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，易受電磁場(chǎng)、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等環(huán)境因素的影響，無(wú)法用于長(zhǎng)期在線測(cè)量，也不能滿(mǎn)足高溫、電磁環(huán)境中精確測(cè)量應(yīng)變的需求。
[0003]近年來(lái)，光纖傳感器作為一種新型的測(cè)量手段，因其抗干擾性(如電磁場(chǎng)、濕度、化學(xué)腐蝕等)強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、復(fù)用性好(如波分復(fù)用與時(shí)分復(fù)用)、可長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)葍?yōu)良特性，在工程測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)中得到日益廣泛的應(yīng)用。在單點(diǎn)或準(zhǔn)分布式多點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域，尤其以光纖光柵應(yīng)變計(jì)和光纖F-P應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用最為廣泛。
[0004]光纖光柵加工制作簡(jiǎn)單、串聯(lián)或并聯(lián)組網(wǎng)容易，在橋梁、大壩、隧道、高層建筑等土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在飛機(jī)、船舶等靜載測(cè)試和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中也有應(yīng)用，已成為一種日益成熟的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)手段。
[0005]與光纖光柵應(yīng)變計(jì)相比較，光纖F-P應(yīng)變計(jì)具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)，尤其在靈敏度和耐高溫方面具有光纖光柵應(yīng)變計(jì)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，近年來(lái)在航空航天、國(guó)防軍事和工業(yè)制造等高溫、高精度測(cè)量領(lǐng)域，光纖F-P應(yīng)變計(jì)展現(xiàn)出了不可替代的獨(dú)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0006]光纖F-P傳感器的制作過(guò)程中，最為關(guān)鍵的是F-P光學(xué)干涉腔的制作和封裝，由于其工作原理決定了 F-P光學(xué)干涉腔由具有一定反射率的兩個(gè)平行平面組成，光束在其間多次反射構(gòu)成多光束干涉，因此，F(xiàn)-P光學(xué)干涉腔兩個(gè)反射平面的表面光潔度和平行度有苛刻的要求，才能保證獲得良好的信噪比。傳統(tǒng)的光纖端面加工手段很難實(shí)現(xiàn)F-P光學(xué)干涉腔的批量化制作，而且兩個(gè)光纖端面的對(duì)準(zhǔn)精度和封裝后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也是難以解決的問(wèn)題。近年來(lái)，深紫外激光加工技術(shù)和飛秒激光加工技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了光纖微納加工技術(shù)的快速發(fā)展，既可以在光纖端面燒蝕加工微腔后借助光纖端面焊接來(lái)構(gòu)造F-P光學(xué)干涉腔，也可以通過(guò)對(duì)光纖切削刻槽直接在其軸向形成F-P光學(xué)干涉腔，從而實(shí)現(xiàn)了 F-P光學(xué)干涉腔的批量化制造，同時(shí)極大減小了光纖F-P應(yīng)變計(jì)的體積。但是，這些基于光纖端面加工或光纖本體微加工制作出的F-P光學(xué)干涉腔由于無(wú)法獲得高光潔度反射面，也難以通過(guò)光學(xué)鍍膜來(lái)提高反射面的光學(xué)反射率，因此，很難提高F-P光學(xué)干涉腔的干涉譜精細(xì)度，難以進(jìn)一步提高測(cè)量分辨率，無(wú)法滿(mǎn)足小量程、高靈敏度應(yīng)變測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域(如高速風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量，工業(yè)領(lǐng)域多分量動(dòng)態(tài)力和力矩測(cè)量)；而且由于F-P光學(xué)干涉腔的干涉精細(xì)度因子低，只能采用強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)型和相位調(diào)制解調(diào)型信號(hào)解調(diào)方式，容易受光源功率波動(dòng)和光纖折彎的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于MEMS工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)，所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)具有高精細(xì)度的F-P干涉譜、可以采用波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)獲得高靈敏度和高測(cè)量精度而且可以通過(guò)波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多只應(yīng)變計(jì)在單芯光纖上的串接；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的成型方法所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)的器件采用MEMS工藝制作，可以實(shí)現(xiàn)器件的微型化，并根據(jù)應(yīng)變測(cè)量靈敏度、量程和波分組網(wǎng)等實(shí)際應(yīng)用需要而靈活調(diào)整應(yīng)變計(jì)F-P腔的初始腔長(zhǎng)。
[0008]本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]一種基于MEMS工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)，所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)主要包括F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片和準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖；
[0010]其中，F(xiàn)-P應(yīng)變敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片組成；
[0011]所述SOI硅片包括頂層硅、中間氧化層和底層硅，且SOI硅片加工有中心孔；所述中心孔的半徑大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的外徑；
[0012]玻璃片一側(cè)的端面沉積有增透膜和鈍化層，另一側(cè)的端面沉積有高反膜I ;
[0013]準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的一端設(shè)置有自聚焦透鏡或等效光學(xué)元件，并在同一端的端面沉積有尚反I旲II ；
[0014]所述高反膜、增透膜、中間氧化層和底層硅軸向的圓孔同軸；且高反膜和增透膜的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的出射光束面積，所述光束直徑為50?300 μ?? ;
[0015]整體連接關(guān)系:
[0016]SOI硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的端面與玻璃片上沉積有高反膜I 一側(cè)的端面；準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過(guò)焊料同軸固定在SOI硅片上的中心孔中；S0I硅片中心孔的內(nèi)圓周面、玻璃片上沉積有高反膜I 一側(cè)的端面與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖沉積有高反膜II的端面構(gòu)成密閉空腔；其中，高反膜I和高反膜II之間的區(qū)域?yàn)镕-P光學(xué)干涉腔；準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的光學(xué)軸與F-P光學(xué)干涉腔同軸；所述增透膜、高反膜I和高反膜II的中心點(diǎn)位于SOI硅片中心孔的軸線上；且增透膜、高反膜I和高反膜II的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的出射光束面積。
[0017]所述增透膜構(gòu)成材料均優(yōu)選Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜、S1 2/Ti02復(fù)合介質(zhì)膜和Si02/Si3N4復(fù)合介質(zhì)膜中的一種；
[0018]所述高反膜優(yōu)選Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜、S1 2/Ti02復(fù)合介質(zhì)膜和S1 2/Si3N4復(fù)合介質(zhì)膜中的一種
[0019]其中，玻璃片上的高反膜還可采用金屬薄膜材料；所述金屬優(yōu)選金或鋁；當(dāng)玻璃片上的高反膜采用金屬薄膜材料時(shí)，玻璃片的另一側(cè)端面可以不沉積增透膜。
[0020]工作原理:
[0021]光纖F-P應(yīng)變計(jì)利用法布里一珀羅(Fabry-Perot，簡(jiǎn)稱(chēng)F-P)干涉原理:當(dāng)相干光束沿準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖入射到F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片時(shí)，在玻璃片上的高反膜與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖上的高反膜之間多次反射構(gòu)成多光束干涉，并沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖。沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)與玻璃片上的高反膜與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖上的高反膜之間的微腔的長(zhǎng)度相關(guān)。在外部應(yīng)力應(yīng)變的作用下，玻璃片上的高反膜與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖上的高反膜之間的微腔長(zhǎng)度發(fā)生改變，使得返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)的波長(zhǎng)或相位相應(yīng)改變，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作用于F-P光纖應(yīng)變計(jì)的外部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行精確測(cè)量。
[0022]一種基于MEMS工藝的腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的成型方法，所述方法的具體步驟如下:
[0023](I)在SOI硅片的頂層硅上進(jìn)行光刻處理后利用De印RIE工藝刻蝕得到頂層硅上的圓孔；刻蝕深度為頂層硅的厚度；
[0024](2)利用濕法腐蝕或干法刻蝕將SOI硅片上暴露出的中間氧化層去除，在中間氧化層的軸向形成圓孔；
[0025](3)在SOI硅片的底層硅一側(cè)的端面進(jìn)行光刻，腐蝕掉光刻圖形中的氧化層，隨后以氧化層和光刻膠作為掩膜，采用Deep RIE工藝進(jìn)行刻蝕，直到將底層硅刻穿形成圓孔；所述圓孔直徑大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的直徑；
[0026](4)在玻璃片一側(cè)的端面沉積高反膜(反射率高于95% );對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；
[0027](5)在玻璃片的另一側(cè)端面沉積增透膜和鈍化層，并對(duì)增透膜和鈍化層進(jìn)行圖形化處理；
[0028](6)將步驟⑴?(3)得到的SOI硅片與步驟(4)?(5)得到的玻璃片進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的端面與玻璃片上沉積有高反膜一側(cè)的端面；得到F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片；
[0029](7)對(duì)準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的一端面進(jìn)行磨平處理，并沉積高反膜(反射率95?96% );
[0030](8)將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過(guò)焊料焊接在F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片的底層硅圓孔中，得到本發(fā)明所述F-P光纖