【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光電中的傳感器，具體涉及真空微腔多光束干涉儀原理的寬量程真空微腔干涉儀芯片、制造方法及低漂移光學壓力傳感器，主要用于測量氣體、液體等流體介質壓力信號，也可用于流量、流速、密度、液位、海拔、物體之間接觸作用力等的測量和控制。
技術介紹
1、壓力傳感器，是指能感受氣體、液體等流體介質壓力信號，并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號或光信號的器件或裝置。壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等各種工業自控環境，并在醫療設備、機器人和汽車電子、智能手機、智能家電和可穿戴電子產品等消費電子領域也得到日益廣泛的應用。
2、壓力傳感器的產品售價主要取決于能夠適用的使用條件和能夠長期維持的測量精度。-55℃～85℃工作溫度范圍內滿足0.01%精度的工業級壓力傳感器和耐溫超過200℃且全溫區滿足0.1%精度的壓力傳感器價格都達到幾千元甚至上萬元人民幣。寬溫區、高精度、高可靠性、低漂移的壓力傳感器在核電、航空航天、軌道交通、半導體設備和流程工業等多領域有巨大的應用需求。壓力傳感器可以按照檢測方式進行分類，比如電檢測的和光檢測的壓力傳感器。目前在電檢測的壓力傳感器中，諧振式壓力傳感器具有高溫度穩定性、高長期穩定性和高綜合精度等一系列優點而受到市場的廣泛認可。但是在高溫、?或存在輻射、電磁干擾等場合的使用卻會受到限制，而光纖壓力傳感器能夠滿足上述場合的使用要求。光纖傳感技術是上世紀70年代后期迅速發展起來的
3、光纖f-p（法布里-珀羅）壓力傳感器是光纖壓力傳感器中的一種，它通常由光纖端面和膜片端面構成法布里-珀羅微諧振腔，當壓力作用在壓力敏感膜時，產生變形，使法珀腔腔長發生變化，從而實現傳感測量。光纖法布里-珀羅壓力傳感器結構簡單，較易實現，是目前最常用的干涉型光纖壓力傳感器。一部分傳感器的壓力敏感膜是運用微機電（mems）體硅工藝和表面犧牲層工藝制作的；還有一部分傳感器的壓力敏感膜是利用光纖腐蝕熔接工藝制作的。近年來出現了一些設計方案，比如2001年cincinnati大學的（jie?zhou,samhita?dasgupta,?et?al.?optically?interrogated?mems?pressure?sensors?forpropulsion?applications,?optical?engineering,?2001,?40:?598-604.）等人用體硅工藝制作得到光纖法布里－珀羅壓力傳感器：將單晶硅膜作為壓力敏感膜，在玻璃上用hf緩沖溶液腐蝕出淺薄圓柱型腔體，用靜電鍵合工藝將硅膜與玻璃緊密鍵合在一起，形成法珀腔，最后用環氧樹脂將光纖與傳感器芯片對準黏結，由于環氧樹脂在外界環境作用下存在蠕變，會導致光纖與傳感器芯片之間的耦合角度發生變化，從而導致傳感器零點輸出發生漂移。
4、mems光纖壓力傳感器結合了mems技術微型化、高可靠性和高一致性優點和光纖信號讀出技術的優勢，大大擴展了高精度壓力傳感器的使用范圍。高精度的mems光纖傳感器通常使用波長解調方式，特別是f-p光學干涉腔（法布里-珀羅）干涉式。其工作原理是將壓力敏感薄膜與光學f-p光學干涉腔集成，外界壓力使壓力敏感薄膜產生平動位移，f-p光學干涉腔的腔長同步發生變化，其干涉波長也發生變化，通過光纖讀出波長的變化，從而測出外界壓力。具體可以參見現有技術中的中國專利申請cn201410728291.6公開了利用f-p光學干涉腔測量壓力，該傳感器具有設置在f-p光學干涉腔內的膜島結構，朝內設置的膜島結構增加了f-p光學干涉腔的容積，進一步提高了吸氣劑薄膜的布置面積，同時朝內設置的膜島結構由于f-p光學干涉腔的限制，其高度有限，導致布置在其上的光學增透膜需要有很高的透光度，使真空微腔干涉儀芯片成本上升；此外，朝內設置的膜島結構無法在敏感芯片鍵合連接后繼續加工，無法對真空微腔干涉儀芯片參數做出調整。
5、由于多光束f-p干涉儀對腔長的動態檢測分辨力可以達到1pm～10pm，而雙光束f-p干涉儀對腔長的動態檢測分辨力只能達到100pm～1nm量級，因此，通過在真空微腔干涉儀芯片內部構造多光束f-p干涉儀可以極大提高壓力傳感器的靈敏度。但是，構造多光束f-p干涉儀需要通過沉積光學膜來提高f-p干涉儀兩個反射面的光學反射率，而且對兩個反射面的平行度和清潔度有非常高的要求，才能維持入射到腔內的激光信號在兩個反射面之間形成上百次反射，滿足多波長干涉的基本條件。受限于光學膜500℃～600℃的耐溫范圍，只有采用300℃～400℃溫度范圍的硅-玻璃鍵合工藝，才能保證mems芯片內部的多光束f-p干涉儀的反射面光學膜保持完好無損，但硅-玻璃鍵合釋放的氣體會導致多光束f-p干涉儀內部的干涉腔真空度降低且形成不穩定的折射率，影響了mems壓力敏感芯片的低壓測量范圍和零點穩定性，而且還會增大溫度系數、降低測量重復性。為了進行高精度的壓力測量，這類傳感器通常需要將f-p光學干涉腔內部抽真空，且其真空度需要保持穩定。通常情況下，在制作過程中會有部分殘余氣體滯留在腔內。因此，需要在真空腔內封入吸氣劑，并且在傳感器制作過程中激活吸氣劑從而把f-p光學干涉腔中的殘余氣體吸收掉，實現壓力傳感器內部的高真空。中國專利申請cn20121017590.0公開了一種mems芯片封裝結構，通常吸氣劑會采用pvd（物理氣相沉積）的方式沉積在f-p光學干涉腔內部，為保證殘余氣體被吸收干凈通常吸氣劑會占用較大的面積。因此當通過縮小壓力敏感膜面積從而提高傳感器量程的時候會受到吸氣劑面積的限制；另一方面，吸氣劑是多孔結構，其致密度差，吸氣劑受外界加熱或振動會產生顆粒物，污染f-p光學干涉腔，潛在性的導致光譜劣化，對尤其是光學傳感器的測量產生較大的影響，嚴重時導致器件失效。中國專利申請cn201410264998.6涉及混合晶圓級真空封裝方法，在芯片封裝腔側部設置有吸氣劑腔通過通氣孔連通，在吸氣劑腔固定有吸氣劑后，再通過固定蓋片，該結構和方法同樣存在吸氣劑污染f-p光學干涉腔的潛在可能，且該方法中在芯片成型后再疊加吸氣劑腔體和吸氣劑，制作工藝復雜；且存在一定可能，使吸氣劑顆粒經通氣孔通道進入工作腔的情況，吸氣劑顆粒具有一定絕緣性，對于電檢測類的傳感器影響較小。
6、另外，mems壓力敏感芯片和光纖耦合封裝形成mems光學壓力模組后，通常還需要二次封裝固定在壓力傳感器殼體上，實現從密封取壓、模組測量到引出線纜隔離防護，成為能夠獨立安裝使用的mems光學壓力傳感器。cn201410728291.6中記載的敏感芯片結構在二次封裝過程中無論是殼體受到的外部機械力傳導到mems壓力敏感芯片還是傳導到mems壓力敏感芯片與光纖的焊接封裝部位，會導致多光束f-p干涉儀受到不均勻的應力本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種真空微腔干涉儀芯片,包括第一基底，第二基底和第三基底，三個所述基底通過鍵合連接，其特征在于：在所述第一基底的上表面形成有膜島結構，所述膜島結構包括凸出部和環繞所述凸出部的壓力敏感薄膜，所述第一基底的下表面沿徑向方向依次設置有第一側壁部、吸氣劑腔、第二側壁部和位于中心的F-P干涉腔，所述F-P干涉腔中第一基底的下表面沉積有第一反射面，所述F-P干涉腔中第二基底的上表面沉積有第二反射面，所述凸出部的表面沉積有第一光學增透膜，所述第一光學增透膜、凸出部、壓力敏感薄膜、第一反射面和第二反射面具有相同的中心；所述第三基底中心設置光纖準直器的安裝孔，所述吸氣劑腔中的至少一個表面設置有吸氣劑薄膜；還包括至少一個通氣孔，所述通氣孔設置在所述第二側壁部用于連通所述吸氣劑腔和所述F-P干涉腔。
2.根據權利要求1中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述通氣孔設置在所述第二側壁部上，所述第二側壁部具有第一高度，所述通氣孔設置在所述第二側壁部的第一高度的中間位置。
3.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述吸氣劑腔為環形腔體。
4.
5.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述凸出部為圓柱結構，所述壓力敏感薄膜具有圓形面積。
6.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述第一基底和第三基底具有相同的直徑，所述第一基底和第三基底具有相同的厚度，該相同的厚度和直徑從而形成關于第二基底的大致的對稱結構。
7.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述第二基底的直徑大于所述第一基底及第三基底，利用第二基底的外形尺寸大于第一基底和第三基底形成外露表面與傳感器殼體進行粘接或焊接固定，使所述第一基底和第三基底以及光纖準直器與傳感器殼體沒有接觸。
8.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：設置所述吸氣劑薄膜沉積在所述吸氣劑腔中的第二基底的表面即下表面和/或所述第一基底的表面即上表面，在所述第一側壁部和所述第二側壁部設置缺口槽，該缺口槽位于所述第一側壁部和所述第二側壁部與所述第二基底鍵合的位置，且所述缺口槽與所述吸氣劑腔連通。
9.一種低漂移光學壓力傳感器，包括傳感器殼體和設置在傳感器殼體內的敏感芯片安裝座，將權利要求1至8中任一項的真空微腔干涉儀芯片僅經過所述第二基底與所述敏感芯片安裝座接觸固定。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的真空微腔干涉儀芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步驟：S1.在第一基底一個表面形成吸氣劑腔、F-P干涉腔以及連通所述吸氣劑腔和F-P干涉腔的通氣孔，在F-P干涉腔的表面沉積第一反射面；S2.在第二基底的表面對應于所述F-P干涉腔的位置沉積有第二反射面和對應于所述吸氣劑腔的位置沉積有吸氣劑膜；所述吸氣劑膜和所述第二反射面位于所述第二基底的同側；在第二基底的另一表面對應于所述安裝孔的位置沉積有第二光學增透膜；S3.在第三基底上制作有所述光纖準直器的安裝孔；在所述第三基底朝向所述第二基底的表面設置有沉孔，所述沉孔的面積大于第二光學增透膜的面積；S4.通過三層鍵合技術將所述第一基底、第二基底、第三基底進行鍵合，控制鍵合溫度為300℃-400℃。
11.根據權利要求10中的制造方法，其特征在于：還包括步驟S5.在三層基底鍵合完成后，再對所述膜島結構的凸出部和壓力敏感薄膜的厚度實時測量和選擇性加工控制。
...【技術特征摘要】
1.一種真空微腔干涉儀芯片,包括第一基底，第二基底和第三基底，三個所述基底通過鍵合連接，其特征在于：在所述第一基底的上表面形成有膜島結構，所述膜島結構包括凸出部和環繞所述凸出部的壓力敏感薄膜，所述第一基底的下表面沿徑向方向依次設置有第一側壁部、吸氣劑腔、第二側壁部和位于中心的f-p干涉腔，所述f-p干涉腔中第一基底的下表面沉積有第一反射面，所述f-p干涉腔中第二基底的上表面沉積有第二反射面，所述凸出部的表面沉積有第一光學增透膜，所述第一光學增透膜、凸出部、壓力敏感薄膜、第一反射面和第二反射面具有相同的中心；所述第三基底中心設置光纖準直器的安裝孔，所述吸氣劑腔中的至少一個表面設置有吸氣劑薄膜；還包括至少一個通氣孔，所述通氣孔設置在所述第二側壁部用于連通所述吸氣劑腔和所述f-p干涉腔。
2.根據權利要求1中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述通氣孔設置在所述第二側壁部上，所述第二側壁部具有第一高度，所述通氣孔設置在所述第二側壁部的第一高度的中間位置。
3.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述吸氣劑腔為環形腔體。
4.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述通氣孔設置在所述第二側壁部的底部，在加工時與所述吸氣劑腔和所述f-p干涉腔的在同一加工步驟形成。
5.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述凸出部為圓柱結構，所述壓力敏感薄膜具有圓形面積。
6.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所述第一基底和第三基底具有相同的直徑，所述第一基底和第三基底具有相同的厚度，該相同的厚度和直徑從而形成關于第二基底的大致的對稱結構。
7.根據權利要求1或2中所述的真空微腔干涉儀芯片,其特征在于：所...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鐘少龍，龍亮，郭智慧，周偉，張鑫鑫，郭涼杰，
申請(專利權)人：上海拜安傳感技術有限公司，
類型：發明
國別省市：
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