應(yīng)變計(jì)。
[0031]其中，所述高反膜圖形化處理優(yōu)選采用光刻后再腐蝕高反膜工藝或Lift-off工
-H-
乙；
[0032]所述增透膜圖形化處理優(yōu)選采用光刻后再腐蝕增透膜工藝或Lift-off工藝。有益效果
[0033](I)本發(fā)明所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)將高靈敏度光纖F-P應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)與MEMS微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，具有工作溫度范圍寬、耐受化學(xué)腐蝕、抗電磁干擾等顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0034](2)本發(fā)明所述方法基于MEMS微加工技術(shù)制備F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片，其F-P光學(xué)干涉腔的其中一個(gè)反射面為玻璃片的原始拋光表面沉積高反膜后構(gòu)成，另外一個(gè)反射面為準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的端面精細(xì)磨平并沉積高反膜后構(gòu)成，都非常光潔和平整，通過(guò)封裝對(duì)準(zhǔn)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)行應(yīng)變信號(hào)檢測(cè)，提高應(yīng)變分辨率和測(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。
[0035](3)本發(fā)明所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)中，采用SOI的頂層硅制作“環(huán)形”應(yīng)變梁，F(xiàn)-P光學(xué)干涉腔的兩個(gè)反射面分別固定在“環(huán)形”應(yīng)變梁的兩側(cè)，在外部應(yīng)變的作用下，拉、壓變形集中在SOI頂層硅的“環(huán)形”應(yīng)變梁區(qū)域，不但降低了應(yīng)變計(jì)的等效剛度，而且保證F-P腔的兩側(cè)高反膜保持非常低的翹曲，避免了應(yīng)變作用下干涉光譜劣化使檢測(cè)精度和分辨率降低的問(wèn)題；此外，還可利用硅的良好材料特性，保證光纖F-P應(yīng)變計(jì)具有良好的應(yīng)變測(cè)量線性度、重復(fù)性和零點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
[0036](4)本發(fā)明所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)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應(yīng)變計(jì)F-P腔兩個(gè)表面均沉積介質(zhì)高反膜導(dǎo)致的多界面F-P信號(hào)相互干擾問(wèn)題，提高了 F-P光學(xué)干涉譜的信噪比。
[0037](5)本發(fā)明所述基于MEMS微加工技術(shù)制備的F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片自帶軸向圓孔，用于粘接或焊接固定準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖后構(gòu)成光纖F-P應(yīng)變計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光纖F-P應(yīng)變計(jì)的微型化封裝，減小了光纖F-P應(yīng)變計(jì)的初始封裝應(yīng)力，提高了光纖F-P應(yīng)變計(jì)的溫度重復(fù)性和長(zhǎng)期零點(diǎn)穩(wěn)定性。
[0038](6)本發(fā)明所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)通過(guò)采用準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖，將光斑平行擴(kuò)束到直徑50 μπι以上進(jìn)行光路耦合，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。
[0039](7)本發(fā)明所述方法可實(shí)現(xiàn)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的批量化制造，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)，可廣泛用于航空航天、交通、能源等領(lǐng)域氣動(dòng)力試驗(yàn)所急需的新型光纖氣動(dòng)力測(cè)量天平，還可用于冶金、發(fā)電領(lǐng)域的高溫稱重以及鍋爐、壓力管道等特種設(shè)備的高溫應(yīng)變測(cè)量，在需要高精度測(cè)量多分量組合、力和力矩的應(yīng)用領(lǐng)域尤其具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)高端測(cè)量?jī)x器的需求。
[0040](8)本發(fā)明所述光纖F-P應(yīng)變計(jì)直接由F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖一體化封裝，具有良好的抗沖擊過(guò)載能力和極高的可靠性，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)。
【附圖說(shuō)明】
[0041]圖1為本發(fā)明所述腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖2為F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3為本發(fā)明所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖4為本發(fā)明所述腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的工藝流程圖；
[0045]圖5為本發(fā)明所述腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的高精細(xì)度光學(xué)干涉譜；
[0046]圖6為現(xiàn)有F-P應(yīng)變計(jì)的低精細(xì)度典型光學(xué)干涉譜；
[0047]圖7為本發(fā)明所述腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的波長(zhǎng)-應(yīng)變實(shí)測(cè)特性；
[0048]圖8為本發(fā)明所述腔長(zhǎng)可調(diào)光纖F-P應(yīng)變計(jì)的波分復(fù)用+時(shí)分復(fù)用組網(wǎng)圖。
[0049]其中，1-F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片，2-準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖，3_玻璃片，4_鈍化層，5_頂層硅，6-中間氧化層，7-底層硅，8-增透膜，9-高反膜I，10-高反膜II。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0051]實(shí)施例
[0052]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)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片I和準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2 ；
[0053]其中，F(xiàn)-P應(yīng)變敏感MEMS芯片I的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，所述F-P應(yīng)變敏感MEMS芯片I由SOI硅片和玻璃片3組成；
[0054]所述SOI娃片包括頂層娃5、中間氧化層6和底層娃7 ;其中，頂層娃5通過(guò)圖形化刻蝕加工，成為“環(huán)形”應(yīng)變梁，所述“環(huán)形”的刻蝕深度為頂層硅5厚度；中間氧化層6和底層硅7的軸向均設(shè)置有圓孔，所述圓孔的半徑大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2的外徑；
[0055]玻璃片3 —側(cè)的端面沉積有增透膜8和鈍化層4，另一側(cè)的端面沉積有高反膜
I9 ；
[0056]其中，準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2—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高反膜II 10;
[0057]所述增透膜8、高反膜I 9和高反膜II 10的中心點(diǎn)在SOI硅片中心孔的軸線上；且增透膜8、高反膜I 9和高反膜II 10的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖(2)的出射光束面積，所述光束直徑為50?300 μ m ；
[0058]整體連接關(guān)系:
[0059]SOI硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片3上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的端面與玻璃片3上沉積有高反膜II 10—側(cè)的端面；準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2通過(guò)焊料同軸固定在SOI硅片的中心孔中；S0I硅片中心孔的內(nèi)圓周面、玻璃片3上沉積有高反膜I 9 一側(cè)的端面與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2沉積有高反膜II 10的端面構(gòu)成密閉空腔；其中，高反膜I 9和高反膜
II10之間的區(qū)域?yàn)镕-P光學(xué)干涉腔。
[0060]所述增透膜構(gòu)成材料為Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜；
[0061]所述高反膜構(gòu)成材料為Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜；
[0062]其中，高反膜I 9還可采用金反射膜；當(dāng)?shù)讓庸?上的高反膜I 9采用金反射膜時(shí)，底層硅7的另一側(cè)端面可以不設(shè)置增透膜8。
[0063]工作原理:
[0064]光纖F-P應(yīng)變計(jì)利用法布里一珀羅(Fabry-Perot，簡(jiǎn)稱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。
[0065]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:
[0066](I)在SOI娃片的頂層娃上進(jìn)行光刻處理后利用Deep RIE工藝刻蝕得到頂層娃上的環(huán)形應(yīng)變梁；刻蝕株度為頂層娃的厚度；如圖4a和圖4b所不；
[0067](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