[发明专利]一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法，属于光纤传感器技术领域。本发明解决了现有光纤声压传感器由于初始腔长相位差不准确，进而导致传感器解调效果不好的问题。本发明传感器包括两个光纤组件和夹层结构，夹层结构为SOI‑空气‑硅的夹层结构，具体的支撑结构层为框架结构与第二Si基层形成第一方形槽，SiO₂层和第一Si层上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层构成第二方形槽，两个方形槽连通在夹层结构内形成密封腔。两个方形槽的存在使传感器具有两个长度不等的F‑P腔，继而使两路干涉信号相位差保持恒定，从而获得两路正交信号，后续结合双F‑P腔正交测量法，实现对声压信号的精准测量。

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

光纤声压传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高、体积小、质量轻等优势，广泛地应用于航天、工业、军事等领域。光纤声压传感器种类繁多，其中Fabry-Perot干涉式传感器分辨率高、性能优异，已成为目前最有前景的一种光纤声压传感器。MEMS技术具有成本低、功耗低、高性能和集成化等优点，为膜片式压力传感器的制造提供了技术支持。随着光纤传感技术与MEMS技术的不断发展，将两者结合制作光纤MEMS传感器成为一大研究热点。

典型的非本征法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI)可以利用光纤端面与敏感薄膜构成，由于其在静态或动态压力应用中具有良好传感性能而备受关注。这类传感器结构可以有效测量如声音、振动这种动态信号。其特点是，利用强度解调检测膜片振动时造成的腔长变化来检测振动大小，具有结构简单、灵敏度高等优势。

为了进一步提高传感器的灵敏度，声压传感器的敏感结构也尝试了各种材料和各种振动结构形式。丁文慧等人采用金属延展性较好的镍金属作为声波敏感结构,制备得到的传感器表现出灵敏度高、信噪比大和线性声压响应度良好等优点。第十三研究所采用与MEMS工艺兼容的氧化硅薄膜作为敏感材料,并使用MEMS圆片级集成技术成功制备出传感器的核心敏感结构,但该种结构解调时采用正交工作点法，导致光纤声压传感器频率响应性能较差；另一方面该种结构对F-P腔的初始腔长及腔长稳定性具有较高要求，一般采用五轴精密位移台配合光谱分析仪进行封装过程中的F-P腔腔长检测，但五轴位移台的位移分辨率一般为50纳米，导致加工得到的F-P腔腔长一致性较差，不利于光纤F-P腔声压传感器的大规模生产。

发明内容

本发明为了解决上述现有光纤声压传感器由于初始腔长相位差不准确，进而导致传感器解调效果不好的技术问题，提供一种可以精确控制初始腔长并保证腔长一致性的基于MEMS工艺的光纤声压传感器及其制备方法。

本发明的技术方案：

一种基于MEMS工艺的光纤声压传感器，该传感器包括两个光纤组件和夹层结构，所述的夹层结构依次由SOI衬底层3、SiO₂层4、第一Si基层5、支撑结构层6和第二Si基层7组成，所述的支撑结构层6为框架结构与第二Si基层7形成第一方形槽8，所述的SiO₂层4和第一Si层5上刻蚀有方形通孔，该方形通孔与SOI衬底层3构成第二方形槽9，第一方形槽8和第二方形槽9连通在夹层结构内形成密封腔；所述的两个光纤组件连接在SOI衬底层3上，且其中一个光纤组件安装在与第二方形槽9位置对应的SOI衬底层3上。

进一步限定，SiO₂层4和第一Si基层5的厚度和为200μm。

进一步限定，光纤组件由剥去表面涂层的单模光纤1和毛细玻璃管2组成，所述的单模光纤1插装在毛细玻璃管2内。

更进一步限定，毛细玻璃管2的直径为1.8mm。

进一步限定，支撑结构层6为Si材质。

上述基于MEMS工艺的光纤声压传感器的制备方法，包括以下步骤：