創意無極限，儀表大發明。今天為大家介紹一項國家發明授權專利――一種基于MEMS工藝的F-P
壓力傳感器及成型方法。該專利由上海拜安傳感技術有限公司申請，并于2017年9月19日獲得授權公告。
內容說明
本發明涉及一種基于MEMS工藝的F-P壓力
傳感器及成型方法，屬于高精度光纖傳感測量領域。
發明背景
壓力傳感器是工業實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器。傳統的壓力傳感器主要是以彈性元件的形變指示壓力的機械結構型的器件，這種器件體積大、質量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生，特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化、低功耗發展。
采用電信號檢測的MEMS壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種，壓阻式壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。電容式壓力傳感器是一種利用電容
敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。由于壓阻式和電容式的檢測精度受熱機械噪聲和寄生阻容參量的影響很難進一步地提高，因此，為了能夠提高壓力傳感器的檢測精度，需要最大限度的降低敏感薄膜的厚度，增加了MEMS壓力傳感器的制作難度，降低了機械可靠性和批量成品率。
目前，基于F-P干涉原理的壓力傳感器主要是全光纖式結構，將兩光纖的端面進行拋磨，其中一光纖端面制作微槽，然后兩光纖熔融對接在一起，以形成F-P腔。現有的這種全光纖式的F-P壓力傳感器存在諸多缺陷，比如對連接的光纖進行端面拋磨，拋磨質量較差，微槽的制作比較困難，從而使得F-P腔的兩個端面粗糙度較差，而且端面沉積高反膜比較困難；兩光纖進行熔接，F-P腔兩個端面的平行度較差，從而使得現有的F-P壓力傳感器制作困難，檢測信號的信噪比較差，檢測靈敏度較低等。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器，所述光纖F-P壓力傳感器兼具高靈敏度、高測量精度、過量程能力優異、機械可靠性高和動態測量響應特性好；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器的成型方法所述壓力傳感器的器件采用MEMS工藝制作，可以實現器件的小型化、批量一致化制作。
圖為本發明所述F-P壓力傳感器的結構示意圖
本發明的目的由以下技術方案實現：一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器，所述F-P壓力傳感器主要包括F-P壓力敏感MEMS芯片、基座和準直擴束光纖；其中，F-P壓力敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片組成；所述SOI硅片包括頂層硅、中間氧化層和底層硅；其中，底層硅的外表面依次沉積有增透膜Ⅰ和鈍化層；由SOI硅片頂層硅的表面沿SOI硅片厚度方向加工深度至底層硅的環形凹槽后形成圓柱形凸臺，即形成“膜-島”結構，所述環形凹槽部分為“膜”，圓柱形凸臺部分為“島”；所述圓柱形凸臺的表面與底層硅和中間氧化層的分界面處于同一平面，且圓柱形凸臺(“島”)的表面沉積有高反膜Ⅰ。
有益效果：(1)本發明所述F-P壓力傳感器將高靈敏度光纖F-P傳感信號檢測技術與MEMS微細加工技術相結合，利用F-P干涉原理實現對MEMS工藝制作的硅壓力敏感膜位移變化的高分辨率檢測，使得硅壓力敏感膜不需要設計得非常薄，從而兼顧MEMS壓力傳感器的測量精度、過量程能力、機械可靠性和動態測量響應特性；本發明所述F-P壓力傳感器的光學精細度因子(自由譜寬FSR與3dB帶寬FWHM的比值)達到136 .4，遠遠高于現有F-P壓力傳感器的光學精細度因子(通常小于10)。
(2)本發明所述F-P壓力傳感器中F-P壓力敏感MEMS芯片的SOI硅片可以有效地解決了現有F-P壓力傳感器兩端面平行度較差、F-P腔長不能精確控制等問題，從而實現高精度、高分辨率的F-P壓力傳感器的批量一致化制作；其中，SOI硅片的底層硅設置為“膜-島”結構，“島”部分的厚度大于“膜“厚度，使得F-P壓力傳感器芯片在壓力作用下光束照射區仍能保持非常低的翹曲，避免了現有F-P壓力傳感器在壓力作用下由于F-P腔兩端面平行度降低導致干涉光譜劣化使檢測精度和分辨率降低的問題。
(3)本發明所述F-P壓力傳感器中的SOI硅片的底層硅上的高反膜可采用金屬薄膜材料，當底層硅上的高反膜采用金屬薄膜材料時，底層硅的上表面可以不沉積增透膜，解決了現有F-P壓力傳感器F-P腔兩個表面均沉積介質高反膜導致的硅壓力敏感膜上形成干擾F-P信號的問題，提高了檢測精度和分辨率。
(4)本發明所述方法基于MEMS微加工技術制備F-P壓力敏感MEMS芯片，其F-P光學干涉腔的其中一個反射面為SOI硅片的原始拋光表面沉積高反膜后構成，另外一個反射面為玻璃片的原始拋光表面沉積高反膜后構成，都非常光潔和平整，通過硅-玻璃陽極鍵合固定后可以獲得很高的F-P光學干涉腔干涉精細度，其精細度因子也即自由譜寬FSR與信號譜3dB帶寬FWHM之比不小于20，可采用波長信號解調方式進行壓力信號檢測，提高壓力分辨率和測量精度，解決了F-P光學干涉腔采用強度調制解調方法和相位調制解調方法所存在的靈敏度低、受光源功率波動和光纖彎折影響等問題。
(5)本發明所述F-P壓力傳感器中采用SOI硅片的底層硅制作“膜-島”結構作為壓力敏感變形元件，可以利用底層硅的優異材料特性獲得良好的壓力線性度和重復性；此外，對“膜-島”結構上的高反膜、增透膜和鈍化層均進行了圖形化處理，只在“膜-島”結構的低應力變形區-“島”的兩側沉積高反膜、增透膜和鈍化層，而在“膜-島”結構的主要應力變形區-“膜”的兩側沒有沉積高反膜、增透膜和鈍化層，保證“膜-島”結構中“膜”始終保留原始的底層硅表面，從而確保F-P壓力傳感器具有良好的線性度、重復性和極低的熱漂移系數。
(6)本發明所述F-P壓力傳感器中的壓力敏感F-P光學干涉腔通過硅-玻璃陽極鍵合形成，可以通過在硅-玻璃陽極鍵合過程中抽真空而實現絕對壓力測量，可測量的最小絕對壓力小于1KPa。而且由于F-P光學干涉腔由硅-玻璃陽極鍵合形成，所以可以保持長期的高真空穩定度。
(7)本發明所述基于MEMS微加工技術制備的F-P壓力敏感MEMS芯片通過基座與準直擴束光纖對準封裝后構成光纖F-P壓力傳感器，通過利用準直擴束光纖將光斑平行擴束到直徑50μm以上進行光路同軸耦合，可減小因光束發散、角度偏差而造成的信號嚴重惡化，從而降低耦合封裝的難度。
(8)本發明所述方法可實現光纖F-P壓力傳感器的批量化制造，光纖F-P壓力傳感器的初始腔長、壓力測量靈敏度、量程等關鍵參數的批量一致性很容易保證，可廣泛用于飛機、火箭、導彈等飛行器大氣數據測量，機電設備油氣壓力測量，油罐自動化液位測量，以及其他工業領域的高精度壓力和液位測量。
(9)相比于傳統的壓力傳感器，本發明所述的F-P壓力傳感器精度高、批量一致性好、抗電磁干擾，耐腐蝕，本質安全。這使它在各種大型機電、石油化工、冶金、高壓、強電磁干擾、強腐蝕、易燃易爆環境中能方便而有效地傳感。而其無源無電、零點穩定、可長壽命工作的突出特點，使其在油罐自動化液位測量領域，也具有廣泛的應用前景。此外，光纖不僅是敏感元件，而且是一種優良的低損耗傳輸線，因此幾乎不必考慮測量儀和被測物體的相對位置，特別適合于電學方式等傳感器不太適用的場合。可以與光纖遙測技術相配合實現遠距離測量與控制。
(10)本發明所述F-P壓力傳感器內部F-P壓力敏感MEMS芯片與準直擴束光纖之間為非接觸式光學信號檢測方式，具有良好的抗沖擊過載能力，故障率極低，后續免維護，可長期精確測量。在安裝操作不便、維護困難的應用場合更具顯著優勢。
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