[发明专利]光纤MEMS压力传感器F-P腔内残余压力测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种光纤MEMS压力传感器F‑P腔内残余压力测量系统及方法，该系统包括低相干光源、3dB耦合器、MEMS压力传感器、空气压力舱、恒温箱、压力控制系统、腔长解调仪、数据采集卡和计算机，该方法包括步骤：在两个不同的温度下，通过气压控制系统，利用反射光进行腔长测量，分别对待测光纤MEMS压力传感器进行标定，建立单色频率绝对相位与外界压力的对应关系；对这两组测量数据进行线性拟合，找到所有腔长相等时对应的外界压力值，代入所述理论公式进行计算即可得到膜片平坦状态时的残余气压。与现有技术相比，本发明通过对传感器整体结构不做改动的测量手段，在传感器级别达成可靠的F‑P腔内部残余压力测量目的，可用于评估传感器键合质量。

技术领域

本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有F-P腔结构的MEMS压力传感器的残余压力测量系统及测量方法。

背景技术

光纤MEMS压力传感器具有体积小、响应范围、灵敏度可调且可批量制作等优点而受到了国内外越来越多的科研人员的关注。这些传感器通常是在真空环境下将硅晶圆片和带微腔结构的玻璃晶圆片进行键合从而构成了F-P腔结构。然而，键合过程中产生的气体和传感器芯片本身的气密性泄露都会导致其真空度降低，在其内部产生残余压力。这些残余压力将会影响传感器的温度特性和长期稳定性，产生较大的温度交差灵敏度。

针对微腔内部残余压力，国内外科研人员提出了一些测量方法。如1993年，Michael A.Huff等人的(M.A.Huff，A.D.Nikolich and M.A.Schmidt，“Designofsealedcavity microstructuresformedbysiliconwaferbonding.”J.Microelectromech.Syst.2，74(1993).)一文提出利用实验测量到的膜片形变量与理论的边缘受限弹性膜片的形变量通过理想气体状态方程联系起来，计算出硅硅键合形成的微腔内的残余压力，但是这种方法的计算精度非常容易受一些参数的测量误差的影响，比如微腔直径、弹性膜片厚度、测量点相对于中心位置的偏差以及各向异性材料的杨氏弹性模量。在1998年，H.Kapels等提出的(H.Kapels，T.Scheiter，C.Hierold，R.AignerandJ.Binder，“Cavity pressure determination and leakage testing forsealed surface micromachined membranes:a novel on-wafer test method.”Proc.E1eventhAnnu.Int.Workshop Micro Electro MechanicalSyst.550(1998).)一文中，记载了密闭微腔芯片和钻孔漏气后的微腔芯片的谐振频率的测量结果随外部扫描压力的变化量，将钻孔后的微腔实验结果作为参考，得到两组测量结果的交点，此时对应的外部扫描压力即为待测微腔内部压力值。但是，上述方法对微腔具有破坏性，一旦破坏就不能再次使用。该种方法只能用于对一批芯片微腔进行抽样检测来对评估整体传感器芯片的性能，可靠性较低。2015年，江俊峰等提出的发明专利《一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法》(CN103616124A)中记载了一种MEMS芯片微腔内部残余压力测量系统及方法，对同一待测MEMS芯片的两个不同测量位置进行腔长测量，两位置的腔长测量数据互为参考，拟合直线的交点即为残余压力。这种方法需要制作一个特殊装置把芯片与两根光纤进行固定，不容易拆装，不能对已经封装好光纤MEMS压力传感器进行测量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种光纤MEMS压力传感器F-P腔内残余压力测量系统及方法，通过不改变传感器整体结构的测量手段，达成可靠的、可逐个测量传感器F-P腔内部残余压力的目的。

本发明提供的一种光纤MEMS压力传感器F-P腔内残余压力测量系统，该系统包括低相干光源(13)、3dB耦合器(14)、MEMS压力传感器(16)、空气压力舱(17)、恒温箱(15)、压力控制系统、腔长解调仪(24)、数据采集卡(23)和计算机(22)；