创意无极限，仪表大发明。今天为大家介绍一项国家发明授权专利――一种基于MEMS工艺的F-P
压力传感器及成型方法。该专利由上海拜安传感技术有限公司申请，并于2017年9月19日获得授权公告。
内容说明
本发明涉及一种基于MEMS工艺的F-P压力
传感器及成型方法，属于高精度光纤传感测量领域。
发明背景
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器。传统的压力传感器主要是以弹性元件的形变指示压力的机械结构型的器件，这种器件体积大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生，特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化、低功耗发展。
采用电信号检测的MEMS压力传感器主要有压阻式和电容式两种，压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。电容式压力传感器是一种利用电容
敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。由于压阻式和电容式的检测精度受热机械噪声和寄生阻容参量的影响很难进一步地提高，因此，为了能够提高压力传感器的检测精度，需要最大限度的降低敏感薄膜的厚度，增加了MEMS压力传感器的制作难度，降低了机械可靠性和批量成品率。
目前，基于F-P干涉原理的压力传感器主要是全光纤式结构，将两光纤的端面进行抛磨，其中一光纤端面制作微槽，然后两光纤熔融对接在一起，以形成F-P腔。现有的这种全光纤式的F-P压力传感器存在诸多缺陷，比如对连接的光纤进行端面抛磨，抛磨质量较差，微槽的制作比较困难，从而使得F-P腔的两个端面粗糙度较差，而且端面沉积高反膜比较困难；两光纤进行熔接，F-P腔两个端面的平行度较差，从而使得现有的F-P压力传感器制作困难，检测信号的信噪比较差，检测灵敏度较低等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于MEMS工艺的F-P压力传感器，所述光纤F-P压力传感器兼具高灵敏度、高测量精度、过量程能力优异、机械可靠性高和动态测量响应特性好；目的之二在于提供一种基于MEMS工艺的F-P压力传感器的成型方法所述压力传感器的器件采用MEMS工艺制作，可以实现器件的小型化、批量一致化制作。
图为本发明所述F-P压力传感器的结构示意图
本发明的目的由以下技术方案实现：一种基于MEMS工艺的F-P压力传感器，所述F-P压力传感器主要包括F-P压力敏感MEMS芯片、基座和准直扩束光纤；其中，F-P压力敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片组成；所述SOI硅片包括顶层硅、中间氧化层和底层硅；其中，底层硅的外表面依次沉积有增透膜Ⅰ和钝化层；由SOI硅片顶层硅的表面沿SOI硅片厚度方向加工深度至底层硅的环形凹槽后形成圆柱形凸台，即形成“膜-岛”结构，所述环形凹槽部分为“膜”，圆柱形凸台部分为“岛”；所述圆柱形凸台的表面与底层硅和中间氧化层的分界面处于同一平面，且圆柱形凸台(“岛”)的表面沉积有高反膜Ⅰ。
有益效果：(1)本发明所述F-P压力传感器将高灵敏度光纤F-P传感信号检测技术与MEMS微细加工技术相结合，利用F-P干涉原理实现对MEMS工艺制作的硅压力敏感膜位移变化的高分辨率检测，使得硅压力敏感膜不需要设计得非常薄，从而兼顾MEMS压力传感器的测量精度、过量程能力、机械可靠性和动态测量响应特性；本发明所述F-P压力传感器的光学精细度因子(自由谱宽FSR与3dB带宽FWHM的比值)达到136 .4，远远高于现有F-P压力传感器的光学精细度因子(通常小于10)。
(2)本发明所述F-P压力传感器中F-P压力敏感MEMS芯片的SOI硅片可以有效地解决了现有F-P压力传感器两端面平行度较差、F-P腔长不能精确控制等问题，从而实现高精度、高分辨率的F-P压力传感器的批量一致化制作；其中，SOI硅片的底层硅设置为“膜-岛”结构，“岛”部分的厚度大于“膜“厚度，使得F-P压力传感器芯片在压力作用下光束照射区仍能保持非常低的翘曲，避免了现有F-P压力传感器在压力作用下由于F-P腔两端面平行度降低导致干涉光谱劣化使检测精度和分辨率降低的问题。
(3)本发明所述F-P压力传感器中的SOI硅片的底层硅上的高反膜可采用金属薄膜材料，当底层硅上的高反膜采用金属薄膜材料时，底层硅的上表面可以不沉积增透膜，解决了现有F-P压力传感器F-P腔两个表面均沉积介质高反膜导致的硅压力敏感膜上形成干扰F-P信号的问题，提高了检测精度和分辨率。
(4)本发明所述方法基于MEMS微加工技术制备F-P压力敏感MEMS芯片，其F-P光学干涉腔的其中一个反射面为SOI硅片的原始抛光表面沉积高反膜后构成，另外一个反射面为玻璃片的原始抛光表面沉积高反膜后构成，都非常光洁和平整，通过硅-玻璃阳极键合固定后可以获得很高的F-P光学干涉腔干涉精细度，其精细度因子也即自由谱宽FSR与信号谱3dB带宽FWHM之比不小于20，可采用波长信号解调方式进行压力信号检测，提高压力分辨率和测量精度，解决了F-P光学干涉腔采用强度调制解调方法和相位调制解调方法所存在的灵敏度低、受光源功率波动和光纤弯折影响等问题。
(5)本发明所述F-P压力传感器中采用SOI硅片的底层硅制作“膜-岛”结构作为压力敏感变形元件，可以利用底层硅的优异材料特性获得良好的压力线性度和重复性；此外，对“膜-岛”结构上的高反膜、增透膜和钝化层均进行了图形化处理，只在“膜-岛”结构的低应力变形区-“岛”的两侧沉积高反膜、增透膜和钝化层，而在“膜-岛”结构的主要应力变形区-“膜”的两侧没有沉积高反膜、增透膜和钝化层，保证“膜-岛”结构中“膜”始终保留原始的底层硅表面，从而确保F-P压力传感器具有良好的线性度、重复性和极低的热漂移系数。
(6)本发明所述F-P压力传感器中的压力敏感F-P光学干涉腔通过硅-玻璃阳极键合形成，可以通过在硅-玻璃阳极键合过程中抽真空而实现绝对压力测量，可测量的最小绝对压力小于1KPa。而且由于F-P光学干涉腔由硅-玻璃阳极键合形成，所以可以保持长期的高真空稳定度。
(7)本发明所述基于MEMS微加工技术制备的F-P压力敏感MEMS芯片通过基座与准直扩束光纤对准封装后构成光纤F-P压力传感器，通过利用准直扩束光纤将光斑平行扩束到直径50μm以上进行光路同轴耦合，可减小因光束发散、角度偏差而造成的信号严重恶化，从而降低耦合封装的难度。
(8)本发明所述方法可实现光纤F-P压力传感器的批量化制造，光纤F-P压力传感器的初始腔长、压力测量灵敏度、量程等关键参数的批量一致性很容易保证，可广泛用于飞机、火箭、导弹等飞行器大气数据测量，机电设备油气压力测量，油罐自动化液位测量，以及其他工业领域的高精度压力和液位测量。
(9)相比于传统的压力传感器，本发明所述的F-P压力传感器精度高、批量一致性好、抗电磁干扰，耐腐蚀，本质安全。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金、高压、强电磁干扰、强腐蚀、易燃易爆环境中能方便而有效地传感。而其无源无电、零点稳定、可长寿命工作的突出特点，使其在油罐自动化液位测量领域，也具有广泛的应用前景。此外，光纤不仅是敏感元件，而且是一种优良的低损耗传输线，因此几乎不必考虑测量仪和被测物体的相对位置，特别适合于电学方式等传感器不太适用的场合。可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。
(10)本发明所述F-P压力传感器内部F-P压力敏感MEMS芯片与准直扩束光纤之间为非接触式光学信号检测方式，具有良好的抗冲击过载能力，故障率极低，后续免维护，可长期精确测量。在安装操作不便、维护困难的应用场合更具显著优势。
如需进一步了解，请下载该专利完整说明书。
