[go: up one dir, main page]

CN102384809B - 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 - Google Patents

无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102384809B
CN102384809B CN2011102273692A CN201110227369A CN102384809B CN 102384809 B CN102384809 B CN 102384809B CN 2011102273692 A CN2011102273692 A CN 2011102273692A CN 201110227369 A CN201110227369 A CN 201110227369A CN 102384809 B CN102384809 B CN 102384809B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
layer
pyrex glass
optical fiber
hole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2011102273692A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102384809A (zh
Inventor
江俊峰
刘铁根
尹金德
刘琨
刘宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN2011102273692A priority Critical patent/CN102384809B/zh
Publication of CN102384809A publication Critical patent/CN102384809A/zh
Priority to PCT/CN2012/076158 priority patent/WO2013020408A1/zh
Priority to US13/880,733 priority patent/US9074957B2/en
Application granted granted Critical
Publication of CN102384809B publication Critical patent/CN102384809B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G01L11/025—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means using a pressure-sensitive optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/001—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on interference in an adjustable optical cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/284—Interference filters of etalon type comprising a resonant cavity other than a thin solid film, e.g. gas, air, solid plates
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/29358—Multiple beam interferometer external to a light guide, e.g. Fabry-Pérot, etalon, VIPA plate, OTDL plate, continuous interferometer, parallel plate resonator

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

无胶封装的高稳定性光纤法布里-珀罗压力传感器及制作方法。传感器包括传感器头、中间带有通孔的传感器体和光纤，传感器头采用四层结构（第一单晶硅片、第一Pyrex玻璃片、第二单晶硅片和第二Pyrex玻璃片）。第一单晶硅片后表面构成法布里-珀罗腔的第一个反射面，第二单晶硅片用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第二Pyrex玻璃片与传感器体熔接。光纤采用CO2激光器固定在传感器体中，从而实现无胶封装。当外界压力变化致使第一层单晶硅片变形时，将改变光纤法珀腔的长度，当接入宽带光源后，通过对传感器的反射光谱采集或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。本结构可有效消除温度、湿度等环境变化的影响，大大提升测量精度。

Description

无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
【技术领域】：
本发明涉及光纤压力传感器技术领域，该传感器可以用于检测液体、气体的相对压力和绝对压力，也可用于声波，超声波信号等的探测。
【背景技术】：
光纤法布里-珀罗压力传感器是光纤压力传感器中的一种，它通常由光纤端面和膜片端面构成法布里-珀罗微谐振腔，当压力作用在膜片上将使膜片变形，而使得法珀腔长发生变化，从而实现传感。近年来提出了一些设计方案，如2001年Don C.Abeysinghe等(Don C.Abeysinghe，SamhitaDasgupta，Joseph T.Boyd，Howard E.Jackson，A Novel MEMS pressure sensor fabricatedon an optical fiber，IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(9)：993-995)在包层直径分别为200微米和400微米，芯径为190微米和360微米的多模光纤端面刻蚀出微腔，然后在该端面键合上硅片构成传感器；2005年Juncheng Xu等(Juncheng Xu，Xingwei Wang，Kristie L.Cooper，Anbo Wang，Miniature all-silica fiber optic pressure and acoustic sensors，Optics Letters，2005，30(24)：3269-3271)利用氢氟酸蚀刻大芯径的石英光纤获得石英膜片，石英膜片熔接于毛细管端面处，切割的单模光纤端面伸入到该毛细管中就与石英膜片构成了光纤法布里-珀罗压力传感器；2006年Xiaodong Wang等(Xiaodong Wang，Baoqing Li，Onofrio L.Russo，et.al.，Diaphragmdesign guidel ines and an optical pressure sensor based on MEMS technique，Journal ofmicroelectronics，2006，37：50-56)在500微米厚的Pyrex玻璃微加工出微腔体，然后硅片键合在Pyrex玻璃上，并和伸入腔体的光纤端面构成了光纤法布里-珀罗腔；2006年王鸣等(王鸣，陈绪兴，葛益娴等，法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法，专利申请号：200610096596.5)利用单晶硅片，玻璃圆管，光纤法兰盘和光纤插头构建了光纤法布里-珀罗腔。目前大部分膜片光纤法布里-珀罗传感器的封装为有胶封装，这对传感器的温度和湿度特性不利，2005年Juncheng Xu等的方案实现无胶封装，但限制了膜片只能是石英材料，无法使用机械力学性能更好的单晶硅片，此外也不适合实现批量制作。
【发明内容】：
本发明目的是克服现有技术中存在的上述一系列问题，提供一种新型结构的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法。
本发明是在对传统的光纤法布里-珀罗传感器存在问题的分析与研究的基础上提出的，该传感器结构可以避免传统光纤法布里-珀罗传感器有胶封装的缺点，即传感准确度受环境温湿度影响大的缺陷，同时又可使用机械性能好的单晶硅片，可得到更高的测量精度，降低使用环境温度、湿度限制，提高传感器可靠性和使用寿命。
本发明提供的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器包括：
传感器头：
传感器头为四层结构，第一层为第一单晶硅片，用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第二层为第一Pyrex玻璃片，形状为环形，中间加工有通孔，第一Pyrex玻璃片的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第三层为第二单晶硅片，用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第四层为第二Pyrex玻璃片，第二Pyrex玻璃片的中间加工有通孔，用于对光纤的定位；
传感器体：
用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个轴向通孔，制作材料是Pyrex玻璃或其他玻璃材料，该传感器体的前端面与传感器头中的第二Pyrex玻璃片的后端面熔接在一起；
传输光纤：该传输光纤由传感器体中间的轴向通孔内穿过，传输光纤的前端置于第二Pyrex玻璃片中间的通孔内，传输光纤的前端面与第二单晶硅片的后表面紧密贴合，用来传输入射光和出射光；传输光纤种类包括单模光纤和多模光纤。
本发明同时提供了一种上述无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，具体包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃作为传感器头的第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片；
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第1步加工的第一片Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、对第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光，厚度300μm～450μm，然后在4英寸Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径127～135μm，阵列中各个孔中心与第1步中第一片4英寸Pyrex晶圆片中的通孔阵列保持一致，该层玻璃用作传感器头的第四层；
第4、将厚度为50μm～400μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第3步加工的第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上，作为第三层的单晶硅片；
第5、将已经键合好的传感器头第三层和第四层组成的硅玻璃片组件清洗，将已经键合好的传感器头第一层和第二层组成的硅玻璃片组件清洗，然后将第三层的单晶硅片未键合的一面与第二层的Pyrex玻璃的未键合面接触，同时第二层的Pyrex玻璃通孔阵列与第四层的Pyrex玻璃通孔阵列进行位置对中，然后加电压进行真空阳极键合，构成四层结构的传感器头阵列晶圆片；
第6、采用Nd:YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理；
第7、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是圆形或正方形的单个传感器头单元；
利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头第四层Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的第四层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起；
第8、将传输光纤从传感器体通孔的另一端插入，该光纤端面与传感器头第三层的单晶硅片紧密接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套，并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器。
本发明还提供了另一种无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的简化制作方法，包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃用作传感器头第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片。
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后采用阳极键合的方式键合在第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、采用Nd:YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理。
第4、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成单个传感器头单元。利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的Pyrex玻璃层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起。
第5、将传输光纤从传感器体通孔另一端插入，该光纤端面与传感器头的硅片不接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套，并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60℃的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成传感器。
采用四层结构传感器头的光纤法布里-珀罗压力传感器的工作过程如下：
当压力作用时，传感器头第一层硅片发生变形，从而改变了与传感器头中第三层硅片的距离，即法布里-珀罗腔的腔长。当接入宽带光源后，通过对光纤法布里-珀罗压力传感器的反射光谱扫描或者低相干干涉条纹的提取，可提取出腔长变化，从而获取压力信息。
本发明的优点和积极效果：
1.提出的光纤法布里-珀罗传感器采用四层结构，关键部分的连接采用阳极键合和CO2激光熔接，不使用胶，同时容易实现密闭真空腔，有效消除温度、湿度变化对传感的影响，大大提升了传感准确度。
2.提出的光纤法布里-珀罗传感器和制作方法采用4英寸晶圆片，便于批量制作传感器，有效提高生产效率和保证传感器的一致性，降低单支传感器成本。
【附图说明】：
图1是本发明中第一种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；
图2是本发明中第二种光纤法布里-珀罗压力传感器示意图；
图3是光纤法布里-珀罗压力传感器的光谱解调系统示意图；
图4是四层结构的光纤法布里-珀罗压力传感器的反射光谱；
图5是光纤法布里-珀罗压力传感器的传感器压力响应曲线。
图中，1第一单晶硅片，2第一Pyrex玻璃片，3第一Pyrex玻璃片中心通孔，4第二单晶硅片，5第二pyrex玻璃片，6第二pyrex玻璃片中心通孔，7传感器体，8传感器体中心轴向通孔，9传输光纤，10传感器体前表面，11第二Pyrex玻璃片后表面，12第二单晶硅片的后表面，13第二单晶硅片的前表面，14第一单晶硅片的后表面，15第一Pyrex玻璃片后表面，16宽带光源，17环行器，18传感器，19光谱仪。
【具体实施方式】：
实施例1：第一种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式
如图1所示，该光纤法布里-珀罗压力传感器由传感器头，传感器体7和传输光纤9构成。传感器头由四层结构构成，第一层为第一单晶硅片1，第二层为第一Pyrex玻璃片2，第三层为第二单晶硅片4，第四层为第二Pyrex玻璃片5。第一单晶硅片1用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面14同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第一Pyrex玻璃片2为环形，中间加工有通孔3，第一Pyrex玻璃片2的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第二单晶硅片4的前表面13用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第二Pyrex玻璃片5中间加工有通孔6，用于对光纤的定位。第一单晶硅片1的阳极键合在第一Pyrex玻璃片2上，同时第二单晶硅片4阳极键合在第二Pyrex玻璃片5上，然后将第一Pyrex玻璃片2的后表面15与第二单晶硅片4的前表面13紧密贴合，并保证通孔3和通孔6对中，进行阳极键合或真空阳极键合，构成四层整体结构。
采用Nd:YAG激光加工系统对传感器头的第一单晶硅片1的外表面进行毛化处理。第一单晶硅片1的厚度和第一Pyrex玻璃片2的通孔3的直径决定了压力灵敏度。传感器体7采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔8。将传感器头的第二Pyrex玻璃片5的后表面11与传感器体7的前表面10贴合，采用CO2激光将传感器头的第二Pyrex玻璃片5与传感器体7熔接在一起，传输光纤9从通孔8中插入，传输光纤9的前端面与第二单晶硅片4的后表面12紧密贴合，并采用CO2激光将传输光纤9固定在与传感器体7的通孔8中，用于信号光的输入输出。
当压力作用在第一单晶硅片1时，第一单晶硅片1发生变形，从而改变第一单晶硅片1的后表面14与第二单晶硅片4的前表面13之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。实现压力信息转化为腔长传感信息。
本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中
1.传感器头中的单晶硅片和Pyrex玻璃片采用4英寸晶圆片制作，根据需要，可以采用其他规格如3英寸、6英寸等规格的晶圆片；
2.传感器体可采用熔融石英材料；
3.光纤的选择包括单模光纤，多模光纤，或其它大芯径光纤。
实施例2：第二种光纤法布里-珀罗压力传感器的具体实施方式
如图2所示，该光纤法布里-珀罗压力传感器由传感器头，传感器体7和传输光纤9构成。传感器头由两层结构构成，第一层为单晶硅片1，第二层为Pyrex玻璃片2。单晶硅片1用作弹性膜片，感受压力，单晶硅片的内表面14同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；Pyrex玻璃片2加工有通孔3，其厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度。单晶硅片1阳极键合在Pyrex玻璃片2上，采用Nd:YAG激光加工系统对传感器头的单晶硅片1的外表面进行毛化处理。单晶硅片1的厚度和Pyrex玻璃片2的通孔3的直径决定了压力灵敏度。传感器体7采用Pyrex玻璃加工，其中间钻有轴向通孔8。将传感器头的Pyrex玻璃片2的后表面15与传感器体7的前表面10贴合，采用CO2激光熔接在一起，传输光纤9从通孔8中插入，传输光纤9的前端面与单晶硅片1的内表面14构成法布里-珀罗腔的两个反射面。利用光谱仪观察法布里-珀罗腔干涉图形(如图4所示)，通过干涉图形波长信息可以计算出腔长，通过移动传输光纤9，使腔长到达测量环境要求。此时，采用CO2激光将传输光纤9固定在传感器体7的通孔8中，用于信号光的输入输出。当压力作用在单晶硅片1时，单晶硅片1发生变形，从而改变单晶硅片1的内表面14与传输光纤9的前端面之间的距离，即法布里-珀罗腔腔长。实现压力信息转化为腔长传感信息。
本发明的光纤法布里-珀罗压力传感器中
1.传感器头中的单晶硅片和Pyrex玻璃片采用4英寸晶圆片制作，根据需要，可以采用其他规格如3英寸、6英寸等规格的晶圆片；
2.传感器体可采用熔融石英材料；
3.光纤的选择包括单模光纤，多模光纤，或其它大芯径光纤。
实施例3：光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长解调
光纤法布里-珀罗压力传感器的传感系统如图3所示，腔长解调宽带光源16发出的光通过环行器17进入传感器18，经过传感器的法布里-珀罗腔之后，再经环行器17进入光谱仪19。通过光谱仪19扫描得到传感器返回的光谱，通过求取光谱包络的峰值位置，即可获得光纤法布里-珀罗压力传感器的腔长信息，法布里-珀罗腔长与其干涉光谱之间的关系式为：
Figure BDA0000082086030000071
其中，d表示法布里-珀罗腔长λ1，λ2分别表示光谱包络的两个峰值位置。法布里-珀罗腔长进而可转化为压力信息，法布里-珀罗腔长与压力的关系式为：Δd为法布里-珀罗腔长变化量，P表示压力，E为第一单晶硅片1的杨氏模量，ν为第一单晶硅片1的泊松比，B为第一Pyrex玻璃片中心通孔3的直径，C为第一单晶硅片1的厚度。
图4是实施例1中给出的第一单晶硅片1厚为20μm、第二单晶硅片4厚度400μm和采用单模光纤构成的光纤法布里-珀罗压力传感器经过光谱仪测取的光谱。图5是该传感器在100kPa到240kPa的压力响应曲线。

Claims (2)

1.一种无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器，其特征在于该传感器包括：
传感器头：
传感器头为四层结构，第一层为第一单晶硅片，用作弹性膜片，感受压力，第一单晶硅片的后表面同时构成法布里-珀罗腔的第一个反射面；第二层为第一Pyrex玻璃片，形状为环形，中间加工有通孔，第一Pyrex玻璃片的厚度决定了法布里-珀罗腔的初始长度；第三层为第二单晶硅片，用于提供法布里-珀罗腔的第二个反射面；第四层为第二Pyrex玻璃片，第二Pyrex玻璃片的中间加工有通孔，用于对光纤的定位；
传感器体：
用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，形状为圆柱形或是长方体形，传感器体的中间开有一个轴向通孔，制作材料是Pyrex玻璃或K9玻璃材料，该传感器体的前端面与传感器头中的第二Pyrex玻璃片的后端面熔接在一起； 
传输光纤：该传输光纤由传感器体中间的轴向通孔内穿过，传输光纤的前端置于第二Pyrex玻璃片中间的通孔内，传输光纤的前端面与第二单晶硅片的后表面紧密贴合，用来传输入射光和出射光；传输光纤种类包括单模光纤和多模光纤。
2.一种权利要求1所述的无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器的制作方法，其特征在于该方法包括：
第1、对第一片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光减薄，厚度100μm～400μm，然后在Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径0.8mm～3mm，该层玻璃作为传感器头的第二层，用于形成法布里-珀罗空腔体和支撑单晶硅片；
第2、将厚度为10μm～50μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第1步加工的第一片Pyrex玻璃晶圆片上；
第3、对第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片双面抛光，厚度300μm～450μm，然后在4英寸Pyrex玻璃晶圆片上钻出通孔阵列，通孔直径127～135μm，阵列中各个孔中心与第1步中第一片4英寸Pyrex晶圆片中的通孔阵列保持一致，该层玻璃用作传感器头的第四层；
第4、将厚度为50μm～400μm的双面抛光的4英寸单晶硅片清洗后，采用阳极键合的方式键合在第3步加工的第二片4英寸Pyrex玻璃晶圆片上，作为第三层的单晶硅片；
第5、将已经键合好的传感器头第三层和第四层组成的硅玻璃片组件清洗，将已经键合好的传感器头第一层和第二层组成的硅玻璃片组件清洗，然后将第三层的单晶硅片未键合的一面与第二层的Pyrex玻璃的未键合面接触，同时将第二层的Pyrex玻璃通孔阵列与第四层的Pyrex玻璃通孔阵列位置重合，然后加电压进行真空阳极键合，构成四层结构的传感器头阵列晶圆片；
第6、采用Nd：YAG激光加工系统对4英寸传感器头阵列晶圆片的第一层单晶硅片外表面进行毛化处理；
第7、采用划片机将4英寸传感器头阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是圆形或正方形的单个传感器头单元；
利用Pyrex玻璃或熔融石英材料制作传感器体，首先将传感器体制成外径为1mm～5mm，长度为5mm～15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体中部钻出直径为127μm的通孔；将传感器头第四层Pyrex玻璃的通孔与传感器体通孔精确对准，然后用CO2激光器将传感器头的第四层与传感器体进行激光熔接，使得二者连接在一起；
第8、将传输光纤从传感器体通孔的另一端插入，该光纤端面与传感器头第三层的单晶硅片紧密接触，利用光谱仪观察传输光纤是否到达设计位置，利用CO2激光器在距传感器体尾端2mm～4mm处照射通孔与传输光纤处，使得光纤通过激光熔接的方式与传感器体固定；给光纤套上光纤保护套,并在传感器尾端涂环氧树脂胶，在电热箱中60°C的温度下固化一小时，或常温下固化24小时，即制作完成无胶封装的光纤法布里-珀罗压力传感器。
CN2011102273692A 2011-08-09 2011-08-09 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法 Expired - Fee Related CN102384809B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011102273692A CN102384809B (zh) 2011-08-09 2011-08-09 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
PCT/CN2012/076158 WO2013020408A1 (zh) 2011-08-09 2012-05-28 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
US13/880,733 US9074957B2 (en) 2011-08-09 2012-05-28 High stable fiber fabry-perot pressure sensor with glue-free packing and its fabrication method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011102273692A CN102384809B (zh) 2011-08-09 2011-08-09 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102384809A CN102384809A (zh) 2012-03-21
CN102384809B true CN102384809B (zh) 2013-05-08

Family

ID=45824443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011102273692A Expired - Fee Related CN102384809B (zh) 2011-08-09 2011-08-09 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9074957B2 (zh)
CN (1) CN102384809B (zh)
WO (1) WO2013020408A1 (zh)

Families Citing this family (59)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9528893B2 (en) * 2009-06-29 2016-12-27 University Of Massachusetts Optical fiber pressure sensor with uniform diaphragm and method of fabricating same
EP2675361A4 (en) 2011-02-17 2016-09-14 Univ Massachusetts PHOTOACOUS PROBE
CN102384809B (zh) * 2011-08-09 2013-05-08 天津大学 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
CN102607761B (zh) * 2012-03-22 2013-12-25 天津大学 双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法
CN102879149B (zh) * 2012-10-30 2014-09-03 中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所 一种光纤fp式冲击波压力传感器
CN103234673B (zh) * 2013-04-27 2015-01-07 北京航空航天大学 一种在高温环境下具有高稳定性的压力传感器微纳结构
US9360388B2 (en) * 2013-06-07 2016-06-07 Baker Hughes Incorporated Pressure sensing system and method of housing a pressure sensor
CN103698080A (zh) * 2014-01-09 2014-04-02 中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所 一种光纤f-p腔式动高压传感器
CN103954395B (zh) * 2014-05-12 2015-12-02 中国科学院半导体研究所 微型光纤法珀压力传感器的制作装置及相应的制作方法
CN103994851B (zh) * 2014-05-15 2017-02-08 香港理工大学深圳研究院 谐振式法布里‑珀罗光纤传感器及制造和气压检测方法
CN104596685B (zh) * 2014-12-04 2017-05-10 刘玉珏 一种基于mems工艺的微型封装f‑p压力传感器及成型方法
CN104596435B (zh) * 2014-12-04 2017-09-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于mems工艺的腔长可调光纤f‑p应变计及成型方法
CN104502005B (zh) * 2014-12-04 2017-09-19 上海拜安传感技术有限公司 一种基于mems工艺的f‑p压力传感器及成型方法
CN104614104B (zh) * 2015-01-19 2018-01-30 中北大学 光纤法珀压力传感器及其制作方法
CN105987784B (zh) * 2015-01-27 2019-05-24 成都凯天电子股份有限公司 高真空光纤f-p压力传感器
US9995628B1 (en) * 2015-05-14 2018-06-12 Nutech Ventures Fiber-optic temperature and flow sensor system and methods
CN106197782B (zh) * 2015-05-31 2019-05-28 成都凯天电子股份有限公司 微型非本征光纤法珀压力传感器
CN106289570A (zh) * 2015-05-31 2017-01-04 成都凯天电子股份有限公司 光纤法珀温度传感器
CN106323516B (zh) * 2015-07-10 2022-04-22 成都凯天电子股份有限公司 带有复合介质薄膜的f-p压力传感器
CN105158506A (zh) * 2015-08-31 2015-12-16 中北大学 光纤mems法珀加速度传感器及其制作方法
CN105181191A (zh) * 2015-09-08 2015-12-23 中国计量学院 一种可调谐光纤微型法布里-珀罗压力传感装置
CN105806543A (zh) * 2016-05-16 2016-07-27 中北大学 一种光纤法珀高温压力传感器
CN107063554B (zh) * 2017-04-01 2019-07-09 天津大学 一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法
CN107014691B (zh) * 2017-04-01 2020-09-01 天津大学 一种芯片键合强度测量装置及方法
CN106970253B (zh) * 2017-04-10 2019-08-09 哈尔滨理工大学 一种新型膜片结构的交流高电压传感器及测量方法
CN107560755A (zh) * 2017-07-17 2018-01-09 西北工业大学 蓝宝石基光纤f‑p温度压力复合传感器及其制备方法
CN107300437B (zh) * 2017-08-07 2023-05-09 南京信息工程大学 一种基于微椭球空气腔的光纤压力传感器及其制造方法
CN107817043B (zh) * 2017-09-22 2019-09-17 暨南大学 一种空气微腔式光纤水听器及制作方法和信号检测方法
CN107870052B (zh) * 2017-10-20 2020-01-31 重庆大学 一种微型光纤法珀压力传感器
CN107861192A (zh) * 2017-11-28 2018-03-30 北京信息科技大学 基于光纤拉锥结合化学腐蚀制备光纤f‑p传感器的方法
CN109870255B (zh) * 2017-12-05 2023-09-12 北京佰为深科技发展有限公司 法珀传感器及其制造方法
CN108444623A (zh) * 2018-04-25 2018-08-24 北京东方锐择科技有限公司 基于硅薄膜的高灵敏压力传感器及其制备方法
CN108426840A (zh) * 2018-05-21 2018-08-21 大连理工大学 一种实时测量混凝土内部湿度的传感器
CN110553774A (zh) * 2018-06-01 2019-12-10 武汉理工大学 微型全石英光纤Fizeau腔高频响动态压力传感器及其制作方法
CN109060725B (zh) * 2018-06-08 2020-01-21 清华大学 具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构、制备方法和操作方法
CN108760142B (zh) * 2018-09-06 2024-04-02 安徽省幸福工场医疗设备有限公司 测压内窥镜、压力检测系统、压力控制方法
CN109141493B (zh) * 2018-09-25 2020-08-25 中国科学院电工研究所 光驱动的超声探头及其超声成像系统
CN109238535A (zh) * 2018-10-24 2019-01-18 深圳大学 多芯光纤压力传感器、传感系统及传感器制备方法
CN109580546B (zh) * 2018-12-19 2021-07-20 天津大学 利用光纤法珀气体折射率和温度传感系统实现的测量方法
CN109459164B (zh) * 2018-12-20 2020-12-04 深圳大学 一种光纤压力传感器及其制作方法
CN109580056A (zh) * 2018-12-26 2019-04-05 天津大学 一种埋入式法珀微腔超高压力光纤传感器及其制作方法
CN109974789A (zh) * 2019-04-25 2019-07-05 天津工业大学 一种基于mems技术和膜材料的高集成度微型光纤海水温盐深传感器
CN110031127A (zh) * 2019-05-13 2019-07-19 山东大学 一种通过腔内气体压力调控f-p光纤温度传感器灵敏度的方法
US12104933B2 (en) * 2019-06-25 2024-10-01 Nagano Keiki Co., Ltd. Optical sensor and physical quantity measurement device
CN110906981B (zh) * 2019-11-18 2024-11-19 天津大学 基于空心微腔的海洋温盐深传感头及其制作方法
CN110763620B (zh) * 2019-12-03 2024-12-06 大连理工大学 一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器
CN111239078B (zh) * 2020-02-18 2022-09-27 南京信息工程大学 基于混合腔的f-p光纤干涉仪湿度与横向压力传感器
CN112345153B (zh) * 2020-10-29 2022-10-14 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心 耐高温光纤压力传感器及其封装工艺
CN112665773B (zh) * 2021-01-08 2025-03-07 广东海洋大学 一种基于高纯石英压力敏感元的光纤传感器及其制备方法
CN113340491B (zh) * 2021-07-07 2024-01-05 中北大学 光纤法珀压力传感器及其敏感单元的高一致性制备方法
CN113624362B (zh) * 2021-08-16 2024-06-07 哈尔滨工程大学 一种基于碳化硅微腔的光纤法布里珀罗干涉高温传感器
CN113639921B (zh) * 2021-08-24 2023-05-12 北京理工大学 一种基于拓扑光子高q腔的mems压力传感器
CN113701915B (zh) * 2021-09-03 2023-06-23 西安石油大学 一种内嵌空气泡的聚合物填充型光纤温度传感器制备方法
CN113916438B (zh) * 2021-12-08 2022-02-25 广东海洋大学 消除温度干扰的法珀干涉光纤压力传感器及其制作方法
CN114279551B (zh) * 2021-12-20 2023-10-27 哈尔滨工程大学 一种基于mems工艺的光纤声压传感器及其制备方法
WO2023215319A1 (en) * 2022-05-02 2023-11-09 Jun Zou Surface-micromachined fabry-pérot sensors and array
CN114877987B (zh) * 2022-07-08 2022-09-20 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种mems光纤振动传感器耐高温封装结构
CN116182919B (zh) * 2023-04-23 2023-09-12 西北工业大学 基于光纤f-p腔的三轴高温振动传感器及其制备方法
CN119178547A (zh) * 2024-11-22 2024-12-24 核电运行研究(上海)有限公司 基于mems工艺和f-p腔原理的波长调制型光学差压变送器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5619046A (en) * 1992-05-05 1997-04-08 Ab Volvo Method of manufacturing a measuring device
CN1309761A (zh) * 1998-05-20 2001-08-22 布克哈姆技术公共有限公司 光学编码传感系统
CN2526798Y (zh) * 2001-11-08 2002-12-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 法布里－珀罗腔液位传感器
CN101832832A (zh) * 2010-05-28 2010-09-15 天津大学 光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法
CN101858809A (zh) * 2010-05-28 2010-10-13 天津大学 一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61235731A (ja) * 1985-04-11 1986-10-21 Sharp Corp 感圧素子
EP0219359B1 (en) * 1985-10-16 1990-03-07 BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company Fabry-perot interferometer
US6281976B1 (en) * 1997-04-09 2001-08-28 The Texas A&M University System Fiber optic fiber Fabry-Perot interferometer diaphragm sensor and method of measurement
US6738145B2 (en) * 2000-04-14 2004-05-18 Shipley Company, L.L.C. Micromachined, etalon-based optical fiber pressure sensor
US7054011B2 (en) * 2003-09-04 2006-05-30 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Optical fiber pressure and acceleration sensor fabricated on a fiber endface
US20050195402A1 (en) * 2004-03-04 2005-09-08 Russell May Crystalline optical fiber sensors for harsh environments
US7689071B2 (en) * 2004-12-22 2010-03-30 Opsens Inc. Fiber optic pressure sensor for catheter use
CN100588928C (zh) * 2006-10-09 2010-02-10 南京师范大学 法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法
US8764678B2 (en) * 2010-02-01 2014-07-01 University Of Limerick Pressure sensor with an interferometric sensor and an in-fiber bragg grating reference sensor
CN102384809B (zh) * 2011-08-09 2013-05-08 天津大学 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
US9804033B2 (en) * 2013-04-25 2017-10-31 Sentek Instrument LLC Sapphire sensor for measuring pressure and temperature

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5619046A (en) * 1992-05-05 1997-04-08 Ab Volvo Method of manufacturing a measuring device
CN1309761A (zh) * 1998-05-20 2001-08-22 布克哈姆技术公共有限公司 光学编码传感系统
CN2526798Y (zh) * 2001-11-08 2002-12-18 中国科学院西安光学精密机械研究所 法布里－珀罗腔液位传感器
CN101832832A (zh) * 2010-05-28 2010-09-15 天津大学 光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法
CN101858809A (zh) * 2010-05-28 2010-10-13 天津大学 一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于压力敏感导电橡胶的柔性多维阵列触觉传感器研究;黄英等;《万方数据》;20081101;全文 *
用于壁面剪应力测量的柔性热敏传感器阵列;赵建国等;《微纳电子技术》;20090731;第46卷(第7期);全文 *
赵建国等.用于壁面剪应力测量的柔性热敏传感器阵列.《微纳电子技术》.2009,第46卷(第7期),全文.
黄英等.基于压力敏感导电橡胶的柔性多维阵列触觉传感器研究.《万方数据》.2008,全文.

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013020408A1 (zh) 2013-02-14
US20140208858A1 (en) 2014-07-31
US9074957B2 (en) 2015-07-07
CN102384809A (zh) 2012-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102384809B (zh) 无胶封装的高稳定性光纤法-珀压力传感器及制作方法
CN104515621B (zh) 基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器及其制作方法
CN101832832B (zh) 光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法
CN101858809B (zh) 一种光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法
CN102721492A (zh) 具有光纤光栅温度补偿的光纤法珀压力传感器及制作方法
CN110487454B (zh) 一种微型膜片式光纤端部fp压力传感器、制作方法及应用
CN102607761B (zh) 双法-珀光纤压力传感器温度自校正及其制作方法
CN107063554B (zh) 一种一体化光纤大压力传感器及其制作方法
CN103344381B (zh) 具有多台阶的宽范围光纤真空传感器及其制作方法
CN102879136B (zh) 壳聚糖薄膜高性能光纤压力传感头及其制作方法
CN104614104B (zh) 光纤法珀压力传感器及其制作方法
CN101655353A (zh) 微型非本征法布里-珀罗型光纤压力传感器及其制作方法
CN103196474B (zh) 一种光纤珐珀传感器制作方法及由其构成的检测装置
CN113916438B (zh) 消除温度干扰的法珀干涉光纤压力传感器及其制作方法
CN110186548A (zh) 基于光纤微结构膜片的光纤f-p声传感器及其制作方法
JP2008524606A5 (zh)
CN103644987A (zh) 带有温度自补偿的光纤f-p腔压力传感器
CN106289570A (zh) 光纤法珀温度传感器
CN103528735A (zh) 一种微型光纤法布里-珀罗压力传感器及其制作方法
CN107664548A (zh) 一种efpi光纤压力传感器及其制作方法
CN106197782A (zh) 微型非本征光纤法珀压力传感器
CN101876566A (zh) 一种透过固体进行声音振动测量的光纤传感装置
CN112629720B (zh) 一种低损耗光纤压力传感器及其制作方法
CN110849442A (zh) 一种基于压差的mems光纤法珀低温液位传感器及其测量系统
CN106568540A (zh) 斜抛光纤压力传感器及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20120321

Assignee: NANJING XINTIANWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Tianjin University

Contract record no.: 2015320000247

Denomination of invention: High-stability optical fiber Fabry-Perot pressure sensor packaged without glue and manufacturing method

Granted publication date: 20130508

License type: Common License

Record date: 20150416

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130508