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
【专利摘要】本发明公开了一种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。传感器结构中包含法珀微腔和空气微腔，且两个微腔之间由薄硅膜片隔开。传感器制作过程中分别控制两微腔的气压环境，使两微腔之间存在压力差。温度变化时，由理想气体状态方程可知，两微腔中的气压将发生变化，导致两者之间的压力差变化而引起中间的硅片发生形变。同时硅片的内表面和法珀腔内的反射面构成低精细度法珀干涉仪，膜片的形变即为法珀腔长的变化，通过解调腔长变化实现温度测量。与现有技术相比，本发明提出的传感器的温度灵敏度可以通过设计硅片的直径、厚度、压力差来灵活控制，得到所期待的温度灵敏度。此外，传感器的批量化生产有助于降低成本，实现商业化。
【专利说明】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

【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感【技术领域】，特别是涉及一种基于密闭微腔气体热效应的光纤 温度传感器及制作方法。

【背景技术】
[0002] 光纤法珀温度传感器由于其具有尺寸小、精度高、性能优越和适用于恶劣环境等 优点而受到了国内外越来越多的科研人员的关注。近年来，光纤法珀温度传感器主要有 两种类型：空气间隙型和介质填充型。空气间隙型法珀温度传感器的光程差由法珀腔腔 长决定，其温度传感原理在于腔长的热膨胀效应。到目前为止，国内外科研人员提出了多 种空气间隙型的法珀温度传感器，例如，J.Wang等（J.Wang，B.Dong，E.Lally，J.Gong，M. Han,andA.Wang,"Multiplexedhightemperaturesensingwithsapphirefiberair gap-basedextrinsicFabry-Perotinterferometers. "Opt.Lett. 35,619 (2010) ?)提 出将两段端面切平的蓝宝石光纤伸入毛细管中，利用毛细管的热膨胀效应实现高温测 量。类似的光纤温度传感器还包括在两段单模光纤之间熔接一段中空光纤或者中空光子 晶体光纤，采用飞秒激光器或者等离子光束直接在单模光纤上加工一个空气缺口，在多模 光纤与光子晶体光纤之间熔接一个空气微泡，或者在光纤端面加工一个空气微球。这种 空气间隙型传感器具有尺寸小的优点适用于高温传感，但是其温度灵敏度较低。另一种 介质填充性的温度传感器由于其光程差由法珀腔长和填充介质折射率共同决定，因此相 比于空气间隙性传感器具有更高的温度灵敏度。传统的填充介质包括光纤芯层、光子晶 体光纤芯层和高分子聚合物，例如S.Pevec等（S.Pevec,andD.Donlagic,"Miniature al1-fiberFabry-Perotsensorforsimultaneousmeasurementofpressureand temperature. "Appl.Opt. 51，4536 (2012) ?)在单模光纤中腐蚀缺口，并与后端反射面构成 法珀腔，通过光纤热膨胀与热光效应实现温度传感。但是上述两种类型的光纤温度传感器 均采用手工制作，难以实现批量化生产。并且由于其温度灵敏度强烈依赖于传感器腔长的 热膨胀和介质的热光效应，因此其温度灵敏度设计自由度受到极大限制。


【发明内容】

[0003] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种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，通过密闭微腔中气体的热膨胀使得硅片两侧产生压力差 变化，从而推动硅膜片发生弹性形变。同时硅膜片内部反射面与法珀微腔反射面构成低精 细度法珀干涉仪。压力差变化导致的硅膜片形变转化为法珀微腔腔长的漂移，从而通过测 量法珀微腔腔长的漂移实现温度的传感与测量。本发明所提出的光纤温度传感器通过控制 硅膜片的厚度、法珀微腔的直径和硅膜片两侧的压力差得到具有高设计自由度的温度灵敏 度。
[0004] 本发明提出了一种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器，包括传感头芯 片、传感器体4和光纤5 ;所述传感头芯片为三层结构，即位于第一层的第一Pyrex玻璃晶 圆片1、位于第二层的单晶娃晶圆片3和位于第三层的第二Pyrex玻璃晶圆片2 ;第二Pyrex玻璃晶圆片2与单晶硅晶圆片3构成一个法珀微腔10,第一Pyrex玻璃晶圆片1与单晶硅 晶圆片3构成一个空气微腔11 ;单晶硅晶圆片3夹在法珀微腔10和空气微腔11之间；当 温度发生变化时，且两个微腔之间具有一个压力差，在该压力差作用下，单晶硅晶圆片3将 发生弹性形变；
[0005] 法珀微腔10的底部镀Ta2O5反射膜7Ja205反射膜7与单晶硅晶圆片3的下表面 9构成一个低精细度法珀干涉仪；由压力差变化引起的单晶硅晶圆片3形变量变化转化为 法珀干涉仪腔长的漂移；
[0006] 传感器体4的中轴位置设置有通孔，光纤5穿过该通孔、并通过环氧树脂固定在传 感器体4中，传感器体4通过CO2激光与Pyrex玻璃晶圆片2热熔固定，形成激光熔点8 ;光 纤5同时传输入射光13和法珀干涉仪的反射光14 ;入射光13在Ta2O5反射膜7时，分解成 两束光即参考光束15和传感光束16,它们之间包含了法珀微腔腔长2倍的光程差信息，并 合并成反射光14耦合回多模光纤5 ;通过对反射光14进行分析，即可解调出法珀微腔的腔 长信息，从而实现温度测量。
[0007] 本发明还提出了一种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器的批量化制作 方法，该方法包括以下步骤：
[0008] 步骤1、对4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片2双面抛光减薄至厚度为300?500ym， 作为传感头芯片的第三层结构；用H2SO4溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片2上表面 腐蚀出法珀微腔10阵列，法珀微腔10直径为1000?1800ym、深度为20?50ym，阵列 中相邻两个法珀微腔10之间的间距为2500ym;在法珀微腔10阵列底部镀反射率为10? 50%的Ta2O5反射膜7,作为低精细度法珀干涉仪的参考反射面；
[0009] 步骤2、对4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片1双面抛光减薄至厚度300?500ym，传 感头芯片第一层结构；用H2SO4溶液清洗之后，在第一Pyrex玻璃晶圆片1上表面腐蚀出空 气微腔11阵列，空气微腔11直径为1000?1800ym、深度为20?50ym，阵列中相邻两个 空气微腔11之间的间距为2500ym;
[0010] 步骤3、在真空环境下，阳极键合单晶娃晶圆片3下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片 2上表面，完成法珀微腔10阵列晶圆片制作；Ta2O5反射膜7为法珀干涉仪第一个反射面，单 晶硅晶圆片3下表面9为法珀干涉仪第二个反射面；
[0011] 步骤4、将步骤2制作的空气微腔11阵列与步骤1制作的法珀微腔10阵列对齐； 在标准大气压下，再次阳极键合单晶娃晶圆片3上表面与Pyrex玻璃晶圆片1上表面；如 此，完成三层结构的传感器头芯片阵列的制作，单晶硅晶圆片下表面与Pyrex玻璃晶圆片1 构成法珀微腔10 ;单晶硅晶圆片上表面与Pyrex玻璃晶圆片2构成空气微腔11 ;
[0012] 步骤5、使用划片机将组成传感器头芯片阵列的晶圆片进行划片处理，切割成表面 是直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形，制成单个传感器头芯片；
[0013] 步骤6、利用Pyrex玻璃、恪融石英材料或陶瓷制作传感体4;首先将传感器体4制 成外径为2. 5?4_，长度为5?15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中部钻出直径 为126ym的通孔，并在传感器体4的一端钻一个锥度为10?20°，深度为2?3mm的喇叭 P6 ；
[0014] 步骤7、将传感头芯片与传感器体4采用C02激光热熔固定；将光纤5从传感器体 喇叭口 6-端插入，并与传感头芯片底部顶紧；在光纤5套上光纤保护套，并在传感器体4 尾部喇叭口 6中涂环氧树脂胶，在电热箱中60°C温度下固化1小时，或者在常温下固化24 小时；完成光纤温度传感器的制作。
[0015] 本发明再提出了一种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感头芯片的制作方 法，该方法包括以下步骤：
[0016] 步骤1、使用划片机将4英寸法珀微腔10阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是 直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形单个法珀微腔10;
[0017] 步骤2、使用划片机将4英寸空气微腔11阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是 直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形单个空气微腔11;
[0018] 步骤3、将法珀微腔10与空气微腔11贴紧，并用C02激光器将两者边缘全部熔合， 激光器功率为3?5W，光斑直径为100?200ym;如此，构成三层结构的传感器头芯片。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
[0020] 1、本发明提出的基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器，采用晶圆片阳极键 合的方式制作，4英寸晶圆片上可以同时制作1000个传感头芯片，具有批量化生产、高效 率、低成本的优点。同时，这种批量化制作方式保证了传感器之间良好的一致性。
[0021] 2、本发明提出的基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器，其温度传感原理在 于利用密闭微腔中的气体热膨胀推动硅膜片的形变，实现温度到法珀干涉仪腔长的转化。 相比于传统的法珀温度传感器利用腔长热膨胀与介质热光效应实现温度传感，本发明具有 理论创新性。
[0022] 3、本发明提出的基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器，其温度灵敏度通过 控制硅片的厚度、法珀微腔的直径和硅片两侧的压差来灵活设计，相比于传统的法珀温度 传感器，在灵敏度设计上具有极大的设计自由度，得到期望的温度灵敏度。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1是基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器结构示意图；
[0024] 图2是利用阳极键合工艺制作的传感头芯片；
[0025]图3是利用CO2激光热熔工艺制作的传感头芯片；
[0026] 图4是传感器温度传感原理示意图；
[0027] 图5是基于低相干干涉解调的法珀微腔腔长解调系统示意图；
[0028] 图6是基于低相干干涉解调的腔长解调信号；
[0029] 图7是温度解调曲线；
[0030] 图中，1、第一Pyrex玻璃晶圆片，2、第二Pyrex玻璃晶圆片，3、晶硅晶圆片，4、传感 器体，5、光纤，6、喇叭口，7、Ta2O5反射膜，8、CO2激光焊点，9、下表面，10、法珀微腔，11、空气 微腔，12、空气分子，13、入射光，14、反射光，15、参考光束，16、传感光束，17、宽带光源，18、 3dB2X1的耦合器，19、传输光纤，20、传感器，21、法珀腔腔长解调仪，22、数据采集卡，23、 计算机，24、低相干干涉原始信号，25、低相干干涉滤波信号，26、低相干干涉信号包络，27、 温度实验数据，28、线性拟合曲线。

【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明技术方案和实施例进一步详细说明。
[0032] 光纤法珀温度传感器一般利用热膨胀和热光效应改变法珀腔的光程差，再通过测 量改光程差的变化实现对温度的传感测量。但是，基于该原理的光纤温度传感器温度灵敏 度设计自由度往往受到法珀腔长和填充介质的热光系数限制。因此，本发明提出了 一种基 于气体热膨胀引起膜片形变的原理研制的新型光纤法珀温度传感器。其具体过程是通过密 闭微腔中气体的热膨胀使得硅片两侧产生压力差变化，从而推动硅膜片发生弹性形变。同 时硅膜片内表面反射面与法珀微腔底部反射面构成低精细度法珀干涉仪。压力差变化导致 的硅膜片形变转化为法珀微腔腔长的漂移，从而通过测量法珀微腔腔长的漂移实现温度的 传感与测量。本发明所提出的光纤温度传感器通过控制硅膜片的厚度、法珀微腔的直径和 硅膜片两侧的压力差得到具有高自由度的温度灵敏度。
[0033] 实施例1:基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器的结构与制作。
[0034] 如图1所示，该传感器结构包括传感头芯片、传感器体4和光纤5构成。图2所示 为采用阳极键合工艺制作的三层结构传感头芯片，其中包括了第一Pyrex玻璃晶圆片1，单 晶硅晶圆片3和第二Pyrex玻璃晶圆片2。具体制作过程为：采用HF和HNO3溶液在Pyrex 玻璃晶圆片2腐蚀出浅坑阵列作为法珀微腔10腔体，并在浅坑底部镀镀Ta2O5反射膜7。在 真空环境（即Okpa)条件下，将腐蚀有浅坑阵列的第二Pyrex玻璃晶圆片与单晶硅晶圆片 3采用阳极键合方式熔合而构成法珀微腔10,其中Ta2O5反射膜7与单晶硅晶圆片3的下表 面9构成一个低精细度法珀干涉仪。同时，HF和圆03溶液在第一Pyrex玻璃晶圆片1腐蚀 出浅坑阵列作为空气微腔11腔体。将空气微腔11与法珀微腔10对中后，在标准大气压环 境（即IOlkpa)条件下，再次采用阳极键合方式将Pyrex玻璃晶圆片1与单晶硅晶圆片3 熔合而构成空气微腔11。至此，具有法珀微腔-单晶硅晶圆片-空气微腔的三层结构传感 头芯片制作完成，法珀微腔10与空气微腔11之间存在50?IOOkpa压力差。
[0035] 此外，本发明还提出了另一种采用CO2激光热熔工艺制作的传感头芯片，如图3所 示。采用HF和顯03溶液分别在第一Pyrex玻璃晶圆片1与第二Pyrex玻璃晶圆片2腐蚀 浅坑后，再采用CO2激光将两者周围熔合，并将单晶硅晶圆片3夹在两者之间，如此Pyrex玻 璃晶圆片1和Pyrex玻璃晶圆片2表面所腐蚀的浅坑与单晶硅晶圆片3在其两侧分别构成 了法珀微腔10和空气微腔11，形成具有三层结构的传感头芯片。
[0036] 图1所示传感器体4采用Pyrex玻璃加工，其中轴位置处钻有直径为126 y m的通 孔。将传感器头芯片的第三层即第二Pyrex玻璃晶圆片2与传感体4贴紧，并采用CO2激光 器将周围完全熔合，并形成〇)2激光焊点8,将传感头芯片固定在传感体4顶端。光纤5从 传感器体4后端喇叭口插入，顶紧到第二Pyrex玻璃晶圆片2的底部，作为光的输入和接收 部件；并用环氧树脂胶6将传感器体4与光纤5粘接在一起。
[0037] 实施例2:基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器温度测量过程
[0038] 图4所示为传感器温度测量原理示意图。第一Pyrex玻璃晶圆片1腐蚀浅坑与单 晶硅晶圆片3构成一个法珀微腔10,第一Pyrex玻璃晶圆片1腐蚀浅坑阵列与单晶硅晶圆 片3构成一个空气微腔11。单晶硅晶圆片3夹在法珀微腔10和空气微腔11之间。通过分 别控制两个腔的制作环境压力，使两个腔中存在不同摩尔数量的空气分子12,直观表现为 在单晶硅晶圆片3两侧的微腔中存在一个固定压力差P。因此在该压力差作用下，单晶硅 晶圆片3将发生弹性形变。而根据边缘受限圆平膜片的形变理论可知，膜片的形变可表示 为：
[0039]AL(r)=P(a2-r2) 2/64D, (I)
[0040] 其中，D=Et3/12 (I- v2)表示膜片的刚度，r为到膜片中心的距离，a为法珀微腔 10的半径，t，V和E分别表示单晶硅晶圆片3的厚度、泊松比和杨氏模量。当温度发生变 化时，由理想气体状态方程可知，两微腔中的压力差将发生变化，可表示为温度的函数：

【权利要求】
1. 一种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器，包括传感头芯片、传感器体（4) 和光纤（5);其特征在于，所述传感头芯片为三层结构，即位于第一层的第一Pyrex玻璃晶 圆片（1)、位于第二层的单晶硅晶圆片（3)和位于第三层的第二Pyrex玻璃晶圆片（2);第 二Pyrex玻璃晶圆片（2)与单晶硅晶圆片（3)构成一个法珀微腔（10)，第一Pyrex玻璃晶 圆片（1)与单晶硅晶圆片（3)构成一个空气微腔（11);单晶硅晶圆片（3)夹在法珀微腔 (10) 和空气微腔（11)之间；当温度发生变化时，且两个微腔之间具有一个压力差，在该压 力差作用下，单晶硅晶圆片（3)将发生弹性形变； 法珀微腔（10)的底部镀Ta205反射膜（7);Ta205反射膜（7)与单晶硅晶圆片（3)的下 表面（9)构成一个低精细度法珀干涉仪；由压力差变化引起的单晶硅晶圆片（3)形变量变 化转化为法珀干涉仪腔长的漂移； 传感器体（4)的中轴位置设置有通孔，光纤（5)穿过该通孔、并通过环氧树脂固定在传 感器体（4)中，传感器体（4)通过C02激光与Pyrex玻璃晶圆片（2)热熔固定，形成激光熔 点⑶；光纤（5)同时传输入射光（13)和法珀干涉仪的反射光（14);入射光（13)在Ta205 反射膜（7)时，分解成两束光即参考光束（15)和传感光束（16)，它们之间包含了法珀微腔 腔长2倍的光程差信息，并合并成反射光（14)耦合回多模光纤（5);通过对反射光（14)进 行分析，即可解调出法珀微腔的腔长信息，从而实现温度测量。
2. -种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感器的批量化制作方法，其特征在于， 该方法包括以下步骤： 步骤（1)、对4英寸第二Pyrex玻璃晶圆片（2)双面抛光减薄至厚度为300?500ym， 作为传感头芯片的第三层结构；用&504溶液清洗之后，在第二Pyrex玻璃晶圆片（2)上表 面腐蚀出法珀微腔（10)阵列，法珀微腔（10)直径为1000?1800ym、深度为20?50ym， 阵列中相邻两个法珀微腔（10)之间的间距为2500ym;在法珀微腔（10)阵列底部镀反射 率为10?50%的Ta205反射膜（7)，作为低精细度法珀干涉仪的参考反射面； 步骤（2)、对4英寸第一Pyrex玻璃晶圆片（1)双面抛光减薄至厚度300?500ym，传 感头芯片第一层结构；用112504溶液清洗之后，在第一Pyrex玻璃晶圆片（1)上表面腐蚀出 空气微腔（11)阵列，空气微腔（11)直径为1000?1800ym、深度为20?50ym，阵列中相 邻两个空气微腔（11)之间的间距为2500ym; 步骤（3)、在真空环境下，阳极键合单晶硅晶圆片（3)下表面与第二Pyrex玻璃晶圆片 (2)上表面，完成法珀微腔（10)阵列晶圆片制作；Ta205反射膜（7)为法珀干涉仪第一个反 射面，单晶硅晶圆片（3)下表面（9)为法珀干涉仪第二个反射面； 步骤⑷、将步骤⑵制作的空气微腔（11)阵列与步骤1制作的法珀微腔（10)阵列对 齐；在标准大气压下，再次阳极键合单晶硅晶圆片（3)上表面与Pyrex玻璃晶圆片（1)上表 面；如此，完成三层结构的传感器头芯片阵列的制作，单晶硅晶圆片下表面与Pyrex玻璃晶 圆片（1)构成法珀微腔（10);单晶硅晶圆片上表面与Pyrex玻璃晶圆片（2)构成空气微腔 (11) ; 步骤（5)、使用划片机将组成传感器头芯片阵列的晶圆片进行划片处理，切割成表面是 直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形，制成单个传感器头芯片； 步骤（6)、利用Pyrex玻璃、恪融石英材料或陶瓷制作传感体（4);首先将传感器体（4) 制成外径为2. 5?4_，长度为5?15mm的圆柱体形或长方体形，在传感器体4中部钻出 直径为126ym的通孔，并在传感器体（4)的一端钻一个锥度为10?20°，深度为2?3mm的喇叭口（6); 步骤（7)、将传感头芯片与传感器体（4)采用0)2激光热熔固定；将光纤（5)从传感器 体喇叭口（6) -端插入，并与传感头芯片底部顶紧；在光纤（5)套上光纤保护套，并在传感 器体（4)尾部喇叭口（6)中涂环氧树脂胶，在电热箱中60°C温度下固化1小时，或者在常温 下固化24小时；完成光纤温度传感器的制作。
3. -种基于密闭微腔气体热效应的光纤温度传感头芯片的制作方法，其特征在于，该 方法包括以下步骤： 步骤（1)、使用划片机将4英寸法珀微腔（10)阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是 直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形单个法珀微腔（10); 步骤（2)、使用划片机将4英寸空气微腔（11)阵列晶圆片进行划片处理，切割成表面是 直径为2500mm的圆形或边长是2500mm的正方形单个空气微腔（11); 步骤（3)、将法珀微腔（10)与空气微腔（11)贴紧，并用C02激光器将两者边缘全部熔 合，激光器功率为3?5W，光斑直径为100?200ym;如此，构成三层结构的传感器头芯片。
【文档编号】G01K11/32GK104515621SQ201410819882
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】刘铁根, 江俊峰, 尹金德, 刘琨, 王双, 邹盛亮, 秦尊琪, 吴凡 申请人:天津大学