光纖f-p腔應力釋放壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種廣泛應用于不同領域的應力、應變、壓力、溫度等物理量測量 的F-P腔壓力傳感器，特別是涉及一種帶有應力釋放結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔壓力傳感器。
【背景技術】
[0002] 光纖F-P腔壓力傳感器的敏感部件是光纖F-P腔，當光進入光纖F-P腔后，將會 在兩反射端面間多次反射，形成多光束干涉光譜。當在進行壓力測試時，外界壓力的變化引 起光纖F-P腔長的變化，從而引起多光束干涉光譜變化，利用外部解調(diào)設備可以計算出壓 力值。光纖F-P腔壓力傳感器是伴隨著光纖通訊技術的發(fā)展而發(fā)展起來的，由于其具有 信號不受電磁場干擾、絕緣性高、防爆性好，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，高可靠性，高靈敏度，響應 時間短等諸多優(yōu)點，目前在民用和軍事領域都有著越來越廣泛的應用前景。例如，在醫(yī)學領 域，利用光纖壓力傳感器進行顱壓、胸壓、腹壓等的測量可以最大限度地減小患者手術的風 險；而在進行斷層掃描（CT)及核磁共振（NMR)時，它依舊可以準確地測量病患部位的壓 力，突出了其抗電磁干擾的特性。
[0003] 國內(nèi)外諸多科研機構(gòu)，例如：南京師范大學、美國的弗吉尼亞理工學院、斯坦福大 學；英國赫瑞瓦特大學；斯洛文尼亞的馬里博爾大學等都在做光纖F-P腔壓力傳感器研究 工作。根據(jù)傳感器材料、制作方法等的不同，光纖F-P腔壓力傳感器可分為全光纖結(jié)構(gòu)和 MEMS膜片式。
[0004] 全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是將兩根光纖的端面作為反射面，使兩 光纖端面嚴格平行、同軸，與中空光纖形成一個腔體。當腔體一定時，其變形量與所受的壓 強成正比，而腔體長度的變化影響到光纖內(nèi)入射光與反射光的光程差。由于全光纖結(jié)構(gòu) F-P光纖壓力傳感器的主體部分全部采用光纖材料，因此其主要特點是具有很好的熱穩(wěn)定 性能。但目前能夠在光纖端面制作技術仍存在工藝復雜、材料溫度和力學特性差等諸多缺 陷，所以全光纖結(jié)構(gòu)F-P腔壓力傳感器不適合批量化生產(chǎn)，限制了其應用。
[0005] 上世紀七八十年代國外已經(jīng)提出基于膜片設計F-P壓力傳感器結(jié)構(gòu)，光學反射平 面采用的是對壓力敏感的膜片，當膜片隨著壓力的變化產(chǎn)生位移，F(xiàn)-P腔的腔長也隨之發(fā) 生變化。隨著技術的不斷成熟，光纖F-P壓力傳感器出現(xiàn)很多種不同結(jié)構(gòu)，其中光纖MEMS 壓力傳感器傳感器是其中一個重要的部分。進入21世紀以來，微電子機械系統(tǒng)（MEMS) 技術在光領域中的應用非常引人注目，將光纖傳感技術和MEMS技術相結(jié)合制作新型光纖 MEMS傳感器已經(jīng)成為光纖傳感器制作領域的新熱點。MEMS技術的引入，使得F-P壓力傳 感器的可靠性、抗電磁干擾以及抗腐蝕性都有提高，而且F-P腔MEMS光纖壓力傳感器還具 有尺寸小、準確度高、動態(tài)范圍大等諸多優(yōu)點，同時，由于MEMS器件適合于大規(guī)模集成化生 產(chǎn)，一旦技術成熟，產(chǎn)品定型，可以大大降低傳感器的成本。隨著MEMS技術的不斷成熟完 善，國外多家高校及研究機構(gòu)都進行了F-P光纖MEMS壓力傳感器的研究工作，并且出現(xiàn) 了不同結(jié)構(gòu)的F-P光纖MEMS壓力傳感器。其中一部分傳感器的壓力敏感膜是運用體硅工 藝和表面犧牲層工藝制作的，還有一部分的傳感器是利用光纖腐蝕熔接工藝制作的。
[0006] 但是，目前光纖MEMS壓力傳感器傳感器還存在著難點問題，如中國專利公開號 CN103644987A，CN103698080A)所述，硅材料的感壓膜片與玻璃凹槽是通過陽極鍵合的方 式連接而成，但是這種結(jié)構(gòu)存在著兩個方面的問題：
[0007] 1、感壓膜片與玻璃凹槽所屬不同材料，由于它們熱膨脹系數(shù)的差異，使得感壓膜 片與玻璃凹槽鍵合處存在著較大的應力，從而使得光纖F-P腔壓力傳感器溫漂系數(shù)大，線 性度差；
[0008] 2、由感壓膜片與玻璃凹槽鍵合處的熱應力失配，使感壓膜片隨溫度變化，產(chǎn)生附 加形變，從而光纖F-P腔壓力傳感器重復性下降，時漂增加，進一步降低F-P壓力傳感器的 精度。
[0009] 目前困擾光纖F-P壓力傳感器綜合性能的難點問題，是由于溫度效應使光纖F-P 腔壓力傳感器內(nèi)部產(chǎn)生附加應力，導致傳感器精度和可靠性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為解決困擾光纖F-P壓力傳感器綜合性能的難點問題，本發(fā)明的目的提供一種力 學特性好，靈敏度高，精度高，同時具有高可靠性，線性度好的，一種帶有應力釋放結(jié)構(gòu)的光 纖F-P腔壓力傳感器。
[0011] 本發(fā)明的目的可采用如下技術方案來實現(xiàn)：一種光纖F-P腔應力釋放壓力傳感 器，包括制有F-P腔的上插芯，與上插芯軸向固聯(lián)為一體的下插芯和插入所述下插芯的光 纖，以及覆蓋在所述F-P腔端口的壓力膜片，其中所述壓力膜片與上插芯連接形成F-P腔， 其特征在于：在所述壓力膜片的鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域設計有應力釋放結(jié)構(gòu)，所述應力釋放 結(jié)構(gòu)是由分布在上述鍵合區(qū)域和感壓區(qū)域內(nèi)的應力釋放孔組成的，壓力膜片和上插芯之間 的熱失配而產(chǎn)生的應力通過這些不同形狀的應力釋放孔來釋放。
[0012] 本發(fā)明采用帶有應力釋放結(jié)構(gòu)的光纖F-P腔壓力傳感器，通過壓力膜片感壓區(qū)設 計的形狀為正方形、菱形、圓形、六邊形孔的應力釋放結(jié)構(gòu)，其上孔深度為壓力膜片厚度的 1/3的這些應力釋放孔可以釋放壓力膜片感壓區(qū)域中溫度內(nèi)應力，從而保證壓力膜片對外 界壓力的感壓的線性度。
[0013] 與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明在技術上有較大的突破：本發(fā)明的主要特點是在光纖 F-P腔壓力傳感器設計有應力釋放結(jié)構(gòu)。這種應力釋放結(jié)構(gòu)有主要有兩個主要的作用：
[0014] 1)、通過鍵合區(qū)域的應力釋放通孔，可以釋放由于壓力膜片和上插芯之間的熱失 配而產(chǎn)生的應力。這樣可以很好地消除F-P腔壓力傳感器的溫度敏感性，降低傳感器的溫 漂系數(shù)，提高傳感器的線性度；
[0015] 2)、感壓區(qū)域的應力釋放能夠釋放由于溫度效應所引起的材料內(nèi)部應力，降低感 壓膜片受溫度的影響，提升傳感器的重復性，降低時漂，從而提高傳感器的綜合精度。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一種光纖F-P腔應力釋放壓力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的剖視圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明圖1的應力釋放結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)為俯視圖，（b)為側(cè)視圖。
[0018] 圖3是圖1的原理圖。
[0019] 圖中：1、壓力膜片，2、上插芯，3、下插芯，4、光纖。
【具體實施方式】
[0020] 在如圖1所示的一個最佳實施例中，一種光纖F-P腔應力釋放壓力傳感器，制有 F-P腔的上插