基于mems技術的光纖溫度傳感芯片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明述及一種基于MEMS技術的光纖溫度傳感芯片，屬于光纖傳感領域。
【背景技術】
[0002]溫度是科學技術、日常生活、工業生產中最基本、最重要的物理量之一，溫度的檢測與控制，在國民經濟各個部門和人們的日常生活中，起著十分重要的作用。光纖溫度傳感器以其具有抗電磁干擾、防燃、防爆、本征安全，尺寸小、對被測溫度場影響小等優點，在軍工裝備、電力工業、機械工業、汽車工業、鋼鐵工業、石油化工、食品飼料等領域有著巨大的應用潛力。目前的光纖溫度傳感器種類很多，主要有光纖光柵溫度傳感器、光纖Fabry-Perot干涉式溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、拉曼光纖溫度傳感器等。盡管以上這些光纖溫度傳感器因其良好的傳感性能取得了較廣泛的應用，但是它們仍然存在不足之處，例如光纖光柵溫度傳感器波長解調裝置復雜，采樣間距偏大，串接數量少，光纖Fabry-Perot干涉式溫度傳感器制作工藝相對復雜，光纖熒光溫度傳感器對探測裝置要求很高，拉曼光纖溫度傳感器檢測電路成本昂貴。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種基于MEMS技術的光纖溫度傳感芯片，該溫度傳感芯片具有結構簡單，靈敏度高，靈敏度與測量范圍可定制等特點，芯片制作采用成熟的半導體工藝，制造容易，易于大批量生產，成本低，可在軍工裝備溫度監測、油庫罐群溫度監測、電力系統溫度監測、礦井隧道火災監測、溫室糧倉溫度監測、建筑物結構健康監測等多種工業、農業、日常生活、科研場合得到應用。
[0004]為了達到上述目的，本發明采用下述技術方案:基于MEMS技術設計制作的光纖溫度傳感器芯片。本光纖溫度傳感器芯片包括一個底座，一個溫度應變驅動臂，和一個MEMS微鏡，所述MEMS微鏡的工作面有高光反射率的材料構成，用于反射光線，溫度應變驅動臂用來連接底座和MEMS微鏡，初始狀態時，微鏡與底座平行，當環境溫度變化時，由不同熱膨脹系數的材料組和制作的溫度應變驅動臂發生形變，從而驅動MEMS微鏡偏轉，使入射到MEMS微鏡上的光線發生角度偏轉，溫度與MEMS微鏡的偏轉角度是一一對應的關系，通過檢測偏轉角度得到溫度信息。
[0005]上述的基于MEMS技術設計制作的光纖溫度傳感器芯片，其特征在于使用MEMS技術設計、加工、生產，是全無源器件，其特征在于該芯片包括一個底座(1 )，一個溫度應變驅動臂(2 )和一個MEMS微鏡(3 )。
[0006]上述的基于MEMS技術設計制作的光纖溫度傳感器芯片，其特征在于該MEMS微鏡
(3)的工作面由高光反射率的材料構成，用于反射光線，溫度應變驅動臂(2)由不同熱膨脹系數的材料組和制作，用來連接底座(1)和MEMS微鏡(3)并提供溫度變化時的驅動力。初始狀態(4)時，MEMS微鏡(3)與底座(1)平行，當環境溫度變化時，溫度應變驅動臂(2)發生形變，從而驅動MEMS微鏡(3)偏轉，使入射到MEMS微鏡(3)上的光線發生角度偏轉2 Θ，達到形變狀態(5)，溫度與MEMS微鏡的偏轉角度Θ是一一對應的關系。由不同熱膨脹系數的材料組和制作的溫度應變驅動臂(2 )可以根據設計版圖及工藝自由控制，通過改變臂長，臂厚，選取不同熱膨脹系數的材料等手段，使其發生的形變可以按照要求設計，達到偏轉角度按照要求實現任意定制。
[0007]本發明的工作原理:
當環境溫度變化時，由不同熱膨脹系數的材料組和制作的溫度應變驅動臂發生形變，從而驅動MEMS微鏡偏轉，使入射到MEMS微鏡上的光線發生角度偏轉，溫度與MEMS微鏡的偏轉角度是一一對應的關系，角度的變化導致入射反射的光線耦合產生插入損耗變化，通過檢測插入損耗得到溫度信息。
[0008]本發明與現有技術相比，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:1)本發明采用成熟的半導體工藝設計制作，體積微小，全無源；2)本發明結構簡單，MEMS芯片制造容易，易于大批量生產，性能穩定，一致性好，成本低廉；3)本發明對光源、探測器沒有特殊要求；4)本發明無需技術復雜、價格昂貴的波長解調設備，屬于強度調制型傳感器；5)配合成熟的光纖通信WDM技術非常易于實現準分布海量測試點實時監測。
【具體實施方式】
[0009]
圖1是本發明的優選實施例的結構示意圖，說明如下，該芯片包括一個底座(1)，一個溫度應變驅動臂(2)和一個MEMS微鏡(3)。該MEMS微鏡(3)的工作面由高光反射率的材料構成，用于反射光線，溫度應變驅動臂(2)由不同熱膨脹系數的材料組和制作，用來連接底座(1)和MEMS微鏡(3 )并提供溫度變化時的驅動力。初始狀態(4)時，MEMS微鏡(3 )與底座(1)平行，當環境溫度變化時，溫度應變驅動臂(2)發生形變，從而驅動MEMS微鏡(3)偏轉，使入射到MEMS微鏡(3)上的光線發生角度偏轉2 Θ，達到形變狀態(5)，環境溫度與MEMS微鏡的偏轉角度Θ是一一對應的關系。
[0010]圖2中示出溫度與本MEMS技術的光纖溫度傳感芯片中的MEMS微鏡偏轉角度對應的關系曲線。
[0011]以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種光纖溫度傳感器芯片，其特征在于使用MEMS技術設計、加工、生產，該芯片為全無源器件，體積微小，結構簡單，靈敏度高，芯片制作采用成熟的半導體工藝，制造容易，易于大批量生產，成本低。2.根據權利要求1所述的芯片，其特征在于環境溫度變化引起應變驅動臂形變，從而導致角度變化。3.根據權利要求1所述的芯片，其特征在于該芯片包括一個底座(1)，一個溫度應變驅動臂(2 )和一個MEMS微鏡(3 )。4.根據權利要求3所述的芯片，其特征在于該芯片該MEMS微鏡(3)的工作面由高光反射率的材料構成，用于反射光線，溫度應變驅動臂(2)由不同熱膨脹系數的材料組和制作，用來連接底座(1)和MEMS微鏡(3 )并提供溫度變化時的驅動力。5.根據權利要求3所述的芯片，初始狀態(4)時，MEMS微鏡(3)與底座(1)平行，當環境溫度變化時，溫度應變驅動臂(2)發生形變，從而驅動MEMS微鏡(3)偏轉，使入射到MEMS微鏡(3)上的光線發生角度偏轉2 Θ，達到形變狀態(5)，溫度與MEMS微鏡的偏轉角度Θ是一一對應的關系。6.根據權利要求3所述的芯片，由不同熱膨脹系數的材料組和制作的溫度應變驅動臂(2)可以根據設計版圖及工藝自由控制，通過改變臂長，臂厚，選取不同熱膨脹系數的材料等手段，使其發生的形變可以按照要求設計，達到偏轉角度按照要求實現任意定制。
【專利摘要】本發明首次涉及一種基于MEMS技術的光纖溫度傳感器芯片。本光纖溫度傳感器芯片包括一個底座，一個溫度應變驅動臂，和一個MEMS微鏡，所述MEMS微鏡的工作面有高光反射率的材料構成，用于反射光線，溫度應變驅動臂用來連接底座和MEMS微鏡，初始狀態時，微鏡與底座平行，當環境溫度變化時，由不同熱膨脹系數的材料組和制作的溫度應變驅動臂發生形變，從而驅動MEMS微鏡偏轉，使入射到MEMS微鏡上的光線發生角度偏轉，溫度與MEMS微鏡的偏轉角度是一一對應的關系。本發明為全無源設計，體積微小，結構簡單，靈敏度高，芯片制作采用成熟的半導體工藝，制造容易，易于大批量生產，成本低。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN105371979
【申請號】CN201510272182
【發明人】趙瑞申
【申請人】趙瑞申
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年5月25日