CN116182919B - 基于光纤f-p腔的三轴高温振动传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤F‑P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法，属于微机电系统技术领域。基于光纤F‑P腔的三轴高温振动传感器具体包括顶层硅和基底硅，所述顶层硅和基底硅之间设有三轴振动敏感结构，将三个固支梁‑质量块系统集成在一个外壳体上，构成三轴振动敏感结构，每个固支梁‑质量块系统都呈中心对称，三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤和y轴测量光纤，基底硅上设有z轴测量光纤，用于传递被测振动；每个质量块与外壳体的侧壁之间围成测量振动F‑P腔；该传感器能够同时测量三个轴向的振动信号，顶层硅、基底硅和外壳体采用三层硅片高温直接键合，使得该传感器能够在800°C环境温度下工作。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法。
背景技术
基于微机电系统（MEMS）技术的高温振动传感器在航空发动机振动信号的测量中起着极其重要的作用。由于航空发动机的振动为多轴向耦合振动，这就需要传感器能同时测量三个轴向的振动信号，且能在航空发动机的高温环境下正常工作。
目前，对MEMS高温振动传感器的研究主要包括压电式、压阻式和光纤式，且主要是针对单个轴向振动的测量。公开号为CN215524821U的实用新型专利中提出了一种新型高温三轴向压电式振动传感器，该传感器采用压电式原理，在高温环境下存在压电性能退化问题，影响传感器在高温环境下的实际测量精度，且其实际使用温度上限为500°C；公开号为CN113624328A的发明专利申请文件中提出了一种微型耐高温光纤法珀振动传感器，该传感器能在700°C的高温环境下工作，具有很强的抗干扰性，但其只能测量单个轴向的振动信号。目前现有技术还远不能满足对航空发动机内部振动测量所需的耐高温和三轴向测量的要求。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器及其制备方法，能够满足对航空发动机内部振动测量所需的耐高温和三轴向测量的要求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，其特征在于：包括顶层硅和基底硅，所述顶层硅和基底硅之间设有三轴振动敏感结构，所述三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤和y轴测量光纤，所述基底硅上设有z轴测量光纤。
进一步的，所述三轴振动敏感结构包括外壳体，所述外壳体内设有两个隔板，两个所述隔板将所述外壳体分隔成三个腔室，三个腔室内从左往后依次对应设有第一质量块、第二质量块和第三质量块，所述第一质量块的前侧和后侧与外壳体之间设有第一固支梁；所述第二质量块的前侧和后侧与外壳体之间，以及第二质量块的左侧和右侧与两个隔板之间均设有第二固支梁，所述第三质量块的左侧和右侧与相互对应的隔板和外壳体之间均设有第三固支梁。
进一步的，所述x轴测量光纤位于所述外壳体的前侧壁上，且所述x轴测量光纤的中心与所述第三质量块的中心位于同一水平线上；所述y轴测量光纤位于所述外壳体的左侧壁上，且所述y轴测量光纤的中心与所述第一质量块的中心位于同一水平线上；所述z轴测量光纤的中心与所述第二质量块的中心位于同一竖直线上。
进一步的，所述第三质量块与所述外壳体和相邻的隔板之间围成的空腔形成x轴测量振动F-P腔；所述第一质量块与所述外壳体和相邻的隔板之间围成的空腔形成y轴测量振动F-P腔；所述第二质量块与所述外壳体和两个隔板之间围成的空腔形成z轴测量振动F-P腔。
进一步的，所述外壳体的厚度为1000μm，所述顶层硅和基底硅的厚度均为500μm。
进一步的，所述x轴测量光纤和y轴测量光纤的直径为600μm，所述z轴测量光纤的直径为1.8mm。
进一步的，基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：对顶层硅、基底硅和用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行预处理；
S2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，对用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行刻蚀，制备三轴振动敏感结构；
S3：采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀基底硅，形成通孔结构；
S4：将刻蚀好的三轴振动敏感结构与顶层硅和基底硅在键合机中抽真空进行高温键合；
S5：采用飞秒激光烧蚀三轴振动敏感结构的前侧壁和左侧壁形成通孔结构，并在基底硅、三轴振动敏感结构前侧壁和左侧壁上的通孔结构处对应粘接x轴测量光纤、y轴测量光纤和z轴测量光纤。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
1、本发明中提出的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，将三个固支梁-质量块系统集成在一个外壳体（一个芯片）上，构成三轴振动敏感结构，每个固支梁-质量块系统都呈中心对称，通过在不同的轴向插入测量光纤，可以同时测量同一点处三个不同轴向的振动信号。
2、本发明中提出的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，在一个芯片上一体化三轴向振动传感器，减小了传感器的封装体积，提高了整体的结构强度，且封装后一体化的三轴振动传感器对被测物体的原本状态影响较小。
3、本发明中提出的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，采用三层硅片高温直接键合，避免了不同材料热膨胀系数的差异在高温下引起的热适配问题，利用了硅材料本身在高温环境下具有优秀的机械性能、高稳定性等优点，可实现传感器在800°C环境温度下工作。
附图说明
图1为本发明三轴高温振动传感器的结构俯视图。
图2为本发明三轴高温振动传感器的结构主视图。
图3为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S201示意图。
图4为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S202示意图。
图5为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S203示意图。
图6为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S204示意图。
图7为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S205示意图。
图8为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S206示意图。
图9为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S207示意图。
图10为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S208示意图。
图11为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S209示意图。
图12为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S210示意图。
图13为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S301示意图。
图14为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S302示意图。
图15为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S4示意图。
图16为本发明实施例二的三轴高温振动传感器制备过程中步骤S5示意图。
其中：1-顶层硅，2-基底硅，3-x轴测量光纤，4-y轴测量光纤，5-z轴测量光纤，6-外壳体，7-隔板，8-第一质量块，9-第二质量块，10-第三质量块，11-第一固支梁，12-第二固支梁，13-第三固支梁，14-x轴测量振动F-P腔，15-y轴测量振动F-P腔，16-z轴测量振动F-P腔。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1
参照附图1-2所示的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，包括顶层硅1和基底硅2，所述顶层硅1和基底硅2之间设有三轴振动敏感结构，所述三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤3和y轴测量光纤4，所述基底硅2上设有z轴测量光纤5；顶层硅1、基底硅2和三轴振动敏感结构均采用硅晶片材质，顶层硅1和基底硅2采用硅硅高温直接键合在三轴振动敏感结构两侧，键合条件包括底板温度360℃，键合腔室真空度1.0×10- 4Pa，压力头压力25000N，键合时间2h45min。
具体的，所述三轴振动敏感结构包括外壳体6，所述外壳体6为一个硅晶片结构，所述外壳体6内设有两个隔板7，两个所述隔板7将所述外壳体分隔成三个大小相同且左右对称的腔室（采用电感耦合等离子体刻蚀技术对外壳体6进行干法刻蚀，形成具有两个隔板7三个腔室的结构），三个腔室内从左往后依次对应设有第一质量块8、第二质量块9和第三质量块10，所述第一质量块8、第二质量块9和第三质量块10的中心均与对应的腔室中心重合；所述第一质量块8的前侧和后侧与外壳体6之间设有第一固支梁11，第一质量块8通过第一固支梁11与外壳体6的前侧壁和后侧壁固定连接；所述第二质量块9的前侧和后侧与外壳体6之间，以及第二质量块9的左侧和右侧与两个隔板7之间均设有第二固支梁12，第二质量块9通过第二固支梁12与外壳体6的前侧壁、后侧壁和两个隔板7固定连接；所述第三质量块10的左侧和右侧与相互对应的隔板7和外壳体6之间均设有第三固支梁13，第三质量块10通过第三固支梁13与外壳体6的右侧壁以及相邻的隔板7固定连接。
所述x轴测量光纤3位于所述外壳体6的前侧壁上，所述外壳体6的前侧壁上开设有通孔，x轴测量光纤3通过外壳体6前侧壁上的通孔粘接固定在外壳体6上，且所述x轴测量光纤3与外壳体6的前侧壁垂直设置，中心与所述第三质量块10的中心位于同一水平线上；所述y轴测量光纤4位于所述外壳体6的左侧壁上，所述外壳体6的左侧壁上开设有通孔，y轴测量光纤4通过外壳体6左侧壁上的通孔粘接固定在外壳体6上，且所述y轴测量光纤4与外壳体6的左侧壁垂直设置，中心与所述第一质量块8的中心位于同一水平线上；所述基底硅2上开设有通孔，z轴测量光纤5通过基底硅2上的通孔与基底硅2粘接固定，所述z轴测量光纤5的中心与所述第二质量块9的中心位于同一竖直线上；x轴测量光纤3、y轴测量光纤4和z轴测量光纤5的延长线两两相互垂直。
进一步的，所述第三质量块10与所述外壳体6和相邻的隔板7之间围成的空腔形成x轴测量振动F-P腔14，用于测量x轴方向被测振动；所述第一质量块8与所述外壳体6和相邻的隔板7之间围成的空腔形成y轴测量振动F-P腔15，用于测量y轴方向被测振动；所述第二质量块9与所述外壳体6和两个隔板7之间围成的空腔形成z轴测量振动F-P腔16，用于测量z轴被测振动；x轴测量光纤3、y轴测量光纤4和z轴测量光纤5与相互对应的测量振动F-P腔相互配合，可以测量被测振动变化引起的光谱变化，即测量振动F-P腔腔长值的变化。
优选的，所述外壳体6的厚度为1000μm，所述顶层硅1和基底硅2的厚度均为500μm。
优选的，所述x轴测量光纤3和y轴测量光纤4的直径为600μm，所述z轴测量光纤5的直径为1.8mm。
本实施例中三轴高温振动传感器的工作原理为：光源发出的光经光学处理后形成平行光，再经分束器分成三束光，三束光分别经过x轴测量光纤3、y轴测量光纤4和z轴测量光纤5入射至对应的质量块上，在测量光纤的端面和对应的质量块表面上发生反射，反射回的两束相干光发生干涉，再经过光纤环形器传输到光路解调系统中。
当外界发生振动，测量x轴方向振动时，第三固支梁13和第三质量块10构成的固支梁-质量块振动敏感结构发生振动，导致测量振动的x轴测量振动F-P腔14的腔长值发生变化，在x轴测量光纤3的上端面和第三质量块10的下表面上反射回的两束光的光程差发生变化，通过解调光程差的变化得到x轴测量振动F-P腔14的腔长值变化量，进而通过理论计算得到外界振动的加速度，实现对外界振动信号的测量；测量另外两个轴向的振动时原理相同。
实施例2
实施例二提供实施例一中基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器的制备方法，具体包括以下步骤，
S1：对顶层硅1、基底硅2和用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行预处理；
具体的，选择三块未加工的双抛硅片，其中一块厚度为1000μm，作为外壳体6进行刻蚀；另外两块厚度均为500μm，分别作为顶层硅1和基底硅2，三者直径均为4英寸（未加工的双抛硅片为圆形，加工后为实施例一中所述的长方形），进行标准清洗。
进一步的，S2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，对用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行刻蚀，制备三轴振动敏感结构；
具体的，
S201：在厚度为1000μm的双抛硅片的表面（正面）旋涂光刻胶，光刻显影，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13和第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10上方可动间隙刻蚀窗口，如附图3所示；
S202：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片10μm，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13和第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10上方可动间隙，湿法去除光刻胶，如附图4所示；
S203：在双抛硅片的另一面（背面）旋涂光刻胶，光刻显影，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13和第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10下方可动间隙刻蚀窗口，操作过程采用背面套刻对准标记与正面刻蚀窗口严格对准，如附图5所示；
S204：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片10μm，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13和第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10下方可动间隙，同步形成z轴测量振动F-P腔16，湿法去除光刻胶，如附图6所示；
S205：在双抛硅片的正面旋涂光刻胶，光刻显影，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13刻蚀窗口，如附图7所示；
S206：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片980μm，形成第一固支梁11、第二固支梁12、第三固支梁13，湿法去除光刻胶，如附图8所示；
S207：在双抛硅片的正面旋涂光刻胶，光刻显影，形成第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10上半部分刻蚀窗口，如附图9所示；
S208：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片460μm，形成第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10上半部分，湿法去除光刻胶，如附图10所示；
S209：在双抛硅片的背面旋涂光刻胶，光刻显影，形成第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10下半部分刻蚀窗口，如附图11所示；
S210：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀硅片460μm，形成第一质量块8、第二质量块9、第三质量块10下半部分，同步形成隔板7和x轴测量振动F-P腔14、y轴测量振动F-P腔15，湿法去除光刻胶，形成三轴振动敏感结构的外壳体6，如附图12所示。
进一步的，S3：采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀基底硅2，形成通孔结构；
具体的，S301：在其中一块厚度为500μm的双抛硅片表面旋涂光刻胶，光刻显影，形成通孔刻蚀窗口，如附图13所示；
S302：以光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀，刻蚀至穿孔，形成具有直径为1.8mm通孔结构的基底硅2，如附图14所示。
进一步的，S4：将刻蚀好的三轴振动敏感结构与顶层硅1和基底硅2在键合机中抽真空进行高温键合；
具体的，将刻蚀好的双抛硅片表面进行处理，同时与基底硅2和顶层硅1在键合机中抽真空进行高温键合，将500μm通孔结构的基底硅2键合在刻蚀振动敏感结构的硅片背面，500μm未刻蚀硅片键合在硅片正面，如附图15所示，键合参数为：底板温度360℃，键合腔室真空度1.0×10-4Pa，压力头压力25000N，键合时间2h45min。接着将键合好的晶片进行高温热处理，消除内应力，热处理温度1000℃，时间60min，并依据划切标记进行划片。
S5：采用飞秒激光烧蚀三轴振动敏感结构的前侧壁和左侧壁形成直径为600μm通孔结构，并在基底硅2、三轴振动敏感结构前侧壁和左侧壁上的通孔结构处对应粘接x轴测量光纤3、y轴测量光纤4和z轴测量光纤5，如附图16所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，其特征在于：包括顶层硅（1）和基底硅（2），所述顶层硅（1）和基底硅（2）之间设有三轴振动敏感结构，所述三轴振动敏感结构的前侧和左侧分别对应设有x轴测量光纤（3）和y轴测量光纤（4），所述基底硅（2）上设有z轴测量光纤（5）；
所述三轴振动敏感结构包括外壳体（6），所述外壳体（6）为一个硅晶片结构，采用电感耦合等离子体刻蚀技术对外壳体（6）进行干法刻蚀，形成具有两个隔板（7）三个腔室的结构，两个所述隔板（7）将所述外壳体分隔成三个大小相同且左右对称的腔室，三个腔室内从左往后依次对应设有第一质量块（8）、第二质量块（9）和第三质量块（10），所述第一质量块（8）的前侧和后侧与外壳体（6）之间设有第一固支梁（11）；所述第二质量块（9）的前侧和后侧与外壳体（6）之间，以及第二质量块（9）的左侧和右侧与两个隔板（7）之间均设有第二固支梁（12），所述第三质量块（10）的左侧和右侧与相互对应的隔板（7）和外壳体（6）之间均设有第三固支梁（13）；
所述x轴测量光纤（3）位于所述外壳体（6）的前侧壁上，且所述x轴测量光纤（3）的中心与所述第三质量块（10）的中心位于同一水平线上；所述y轴测量光纤（4）位于所述外壳体（6）的左侧壁上，且所述y轴测量光纤（4）的中心与所述第一质量块（8）的中心位于同一水平线上；所述z轴测量光纤（5）的中心与所述第二质量块（9）的中心位于同一竖直线上；
所述第三质量块（10）与所述外壳体（6）和相邻的隔板（7）之间围成的空腔形成x轴测量振动F-P腔（14）；所述第一质量块（8）与所述外壳体（6）和相邻的隔板（7）之间围成的空腔形成y轴测量振动F-P腔（15）；所述第二质量块（9）与所述外壳体（6）和两个隔板（7）之间围成的空腔形成z轴测量振动F-P腔（16）。
2.根据权利要求1所述的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，其特征在于：所述外壳体（6）的厚度为1000μm，所述顶层硅（1）和基底硅（2）的厚度均为500μm。
3.根据权利要求1所述的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器，其特征在于：所述x轴测量光纤（3）和y轴测量光纤（4）的直径为600μm，所述z轴测量光纤（5）的直径为1.8mm。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于光纤F-P腔的三轴高温振动传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：对顶层硅（1）、基底硅（2）和用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行预处理；
S2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，对用于制备三轴振动敏感结构的硅晶片进行刻蚀，制备三轴振动敏感结构；
S3：采用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀基底硅（2），形成通孔结构；
S4：将刻蚀好的三轴振动敏感结构与顶层硅（1）和基底硅（2）在键合机中抽真空进行高温键合；
S5：采用飞秒激光烧蚀三轴振动敏感结构的前侧壁和左侧壁形成通孔结构，并在基底硅（2）、三轴振动敏感结构前侧壁和左侧壁上的通孔结构处对应粘接x轴测量光纤（3）、y轴测量光纤（4）和z轴测量光纤（5）。
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