蓝宝石基悬膜光纤F-P腔MEMS声压传感器及其制备方法

本发明属于光纤传感器领域，特别涉及一种大面积悬膜结构的蓝宝石基f-p腔式光纤mems声压传感器及其制备方法。

背景技术：

1、发动机技术在航空、航天、船舶、车辆等工业领域应用广泛，先进发动机的设计研发、运行监测环节是我国亟需掌握的重要工业技术。发动机依燃烧过程的稳定性、充分性对发动机性能和运行状态起着至关重要的作用。同时，对于航空发动机等流场复杂、工况恶劣的动力机械，振荡燃烧、不稳定燃烧极易诱发燃烧性能恶化，造成整机热负荷及振动加剧，导致发动机运行失稳，严重时造成关键结构烧蚀、疲劳破坏，进而产生停车、失速等严重事故。因此，研究燃烧现象、评估燃烧效果、监测燃烧状态的燃烧诊断技术是发动机领域关注的重点问题。

2、燃烧噪声测量可以为燃烧诊断技术提供重要的定量化依据。现有的流体及声学理论很难定量预测燃烧室内热-流-声多场耦合复杂工况下的特性，必须依靠传感器进行实时测量。目前，应用于燃烧诊断的噪声传感器由于耐温性能有限，通常采用声波导管形式进行测量，噪声信号通过声波导管传递至远场噪声传感器，并基于声波导管加入逐级传递函数，该测量方式会导致噪声信号在远场发生不同程度的失真，降低信号的置信度。只有通过近场原位测量，才能获取燃烧室内待测点最精确可靠的燃烧噪声信息。

3、蓝宝石基光纤f-p腔干涉式mems传感器具有耐受温度高、灵敏度高、侵入性较低等显著优势，是实现高温极端环境传感与近场原位测量的有效手段，而悬膜结构则是基于f-p腔的干涉式mems传感器中应用最广泛的结构。蓝宝石悬空薄膜结构通常采用精密减薄抛光工艺进行制备，文献《sapphirefabry–perotinterferometerfor high-temperaturepressuresensing》通过将多个蓝宝石片高温键合形成具有悬膜敏感结构的蓝宝石基压力传感器，其中悬膜结构通过双面减薄抛光制作，可实现1200℃高温环境下的动态实时测量，其敏感结构直径1.2mm，厚度40μm，但该传感器由于悬膜敏感结构减薄厚度不足，灵敏度仅能达到1.2nm/mpa，仅适用于高温压力测量，无法感知由声压级变化所引起的微小压力扰动。专利cn107560755a公开了一种蓝宝石基光纤f-p温度压力复合传感器及其制备方法，其通过化学机械抛光将蓝宝石压力敏感薄膜与f-p腔中间层结构分别减薄至50μm和20-21μm，但该专利未针对所采用的化学机械抛光方法进行详细阐述，且缺乏进一步减薄传感器敏感薄膜方案，在该厚度下传感器所能实现的薄膜机械为千帕级，依然无法在对传感器有高灵敏度需求的高温近场声学测量领域使用。

4、为进一步提高悬膜结构的机械灵敏度，进而提升蓝宝石光纤f-p腔mems传感器在极端高温环境近场测量环境下对噪声信号的分辨力，需要悬膜结构能够满足面积更大、厚度更小的特点，而蓝宝石材料莫氏硬度高、化学惰性强且脆性易碎，其大面积敏感薄膜(直径大于20mm)很难被加工至10μm以下，且由于传感器内置空腔，其超薄悬膜结构与空腔的连接部分在制造过程中极易受到磨削应力而产生破损与断裂，具有显著的加工难度。

技术实现思路

1、为了满足高温极端环境下的高灵敏度近场噪声测量需求，本发明提供蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器及其制备方法，以解决背景技术中所提到的技术问题。

2、本发明的蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器的制备方法，通过在悬膜内部的f-p腔中填充光刻胶以增强化学机械抛光过程中的支撑性，并通过湿法腐蚀对加工完成的悬膜内部的光刻胶进行释放，降低了精密减薄抛光工艺过程中的局部集中应力，规避了蓝宝石材料自身的硬度高且脆性易碎的不足，为制备厚度小于10μm的大面积悬膜结构提供了重要的技术支撑。

3、通过本发明的方法制备的蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器的工作原理为：声波入射引起声敏薄膜的振动，进而引起f-p腔的腔长变化，光束经蓝宝石光纤传输，并在蓝宝石光纤端面与声敏薄膜的底面反射形成f-p干涉光束，干涉光谱形状与f-p腔的腔长相关，通过解调f-p干涉光谱即可获取腔长信息，进而实现声压传感，本发明的蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器可以感知声压级大于60db的声压波动。

4、本发明解决其技术问题所采用的的技术方案如下：

5、蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

6、步骤1：选取三片直径相同的蓝宝石晶圆，在其中一片的表面通过飞秒激光烧蚀直径20mm的通孔阵列作为蓝宝石结构层，在另外一片的表面加工填胶通孔形成蓝宝石衬底层，剩余一片作为未加工蓝宝石晶圆；

7、步骤2：将上述三个蓝宝石晶圆表面进行活化处理，从上而下依次按照未加工蓝宝石晶圆、蓝宝石结构层、蓝宝石衬底层对准后在键合机中加载压力键合，形成三层蓝宝石晶圆键合结构；

8、步骤3：将键合后的三层蓝宝石晶圆键合结构浸入光刻胶中，在真空环境中通过填胶通孔向通孔中填充光刻胶，并热烘、坚膜以保证光刻胶的强度；

9、步骤4：对未加工蓝宝石晶圆的上表面进行磨削、化学机械抛光，使其厚度达到设定厚度形成声敏薄膜；

10、步骤5：通过湿法腐蚀去除蓝宝石结构层中的光刻胶，形成悬膜敏感结构的f-p腔，并通过飞秒激光烧蚀将蓝宝石晶圆划切成小片，获得声敏芯片；

11、步骤6：将蓝宝石光纤插入插芯中并安装在蓝宝石衬底层的底面。

12、优选地，步骤1中蓝宝石结构层的厚度为200μm，未加工蓝宝石晶圆和蓝宝石衬底层的厚度均为400μm，三者的直径均为4英寸。

13、优选地，步骤2中进行表面活化处理的方法为快速氩离子轰击，键合机中进行键合的加载压力为12mpa。

14、优选地，步骤3中在真空箱的环境中静置2小时，观察光刻胶充满f-p腔后，将其取出在120℃热板上烘胶5分钟。

15、优选地，步骤4中以单晶金刚石研磨液对未加工蓝宝石晶圆的上表面进行磨削，通过台阶仪精确测量蓝宝石晶圆的残余厚度，在厚度为30μm时使用sf1抛光液进行化学机械减薄抛光，将膜厚精密减薄至10μm。

16、优选地，步骤6中通过光纤切割机将蓝宝石光纤切断并使其断面光滑平齐，将蓝宝石光纤插入氧化锆陶瓷插芯内，在其尾端用耐高温陶瓷胶粘接。

17、优选地，通过六轴光学位移台的光谱仪监测反射光谱使蓝宝石光纤与声敏芯片垂直时，在氧化锆陶瓷插芯与声敏芯片底面接触位置处涂敷耐高温陶瓷胶粘接。

18、本发明还提出了基于以上方法制备的蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器，包括：声敏薄膜，设于最上层；蓝宝石结构层，设于中间层，其上开设一通孔；蓝宝石衬底层，设于最底层，其上开设一填胶通孔，其背面通过耐高温陶瓷胶粘接有插芯和蓝宝石光纤；声敏薄膜、蓝宝石结构层、蓝宝石衬底层三者键合连接，蓝宝石结构层的通孔在声敏薄膜与蓝宝石衬底层之间形成f-p腔，声敏薄膜的直径大于20mm，厚度小于10μm。

19、本发明的上述技术方案具有如下有益效果：

20、1、本发明的方法通过在三层蓝宝石晶圆键合制成的悬膜内部的f-p空腔中添加支撑光刻胶层，在对表层蓝宝石晶圆利用化学机械抛光对其进行精密减薄抛光时得以有效支撑，并通过湿法腐蚀对加工完成的悬膜结构内部的光刻胶进行释放，降低了精密减薄抛光工艺过程中的局部集中应力，规避了蓝宝石自身脆性易碎的缺陷，为厚度小于10μm的大面积悬膜结构的制备提供了重要的技术方法。

21、2、本发明的方法通过腔体填充光刻胶与精密减薄抛光相结合的方式制备的蓝宝石基悬膜光纤f-p腔mems声压传感器，利用了蓝宝石材料耐受温度高、灵敏度高等优点，可实现高温环境下的动态实时测量，且通过本方法制备的传感器是一种直径大于20mm、且厚度小于10μm的大面积悬膜f-p腔式结构，可以感知由声压级变化所引起的微小压力扰动，可以实现分辨力大于60db的燃烧室内部噪声声压级测量。