[发明专利]一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器及定制方法

说明书

本发明涉及一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器及定制方法，传感器包括金属外壳、压力块和马赫‑曾德尔结构的光学芯片，马赫‑曾德尔结构包括输入分路器、长度不等的两个干涉臂、输出合束器。当要求定制测量范围时，可根据不同的压力范围计算出器件所需的灵敏度，进一步确定压力块的形状。压力块的定制可通过3D金属打印或传统机加工完成，只需要1‑2天的周期即可完成快速定制。定制成本也远远低于传统的重新设计制作掩膜版的方式。本发明提出的方案可以实现高达0‑500MPa的测量范围，如爆炸压力测量；也可实现范围很小但灵敏度极高的压强测量，如真空度测量。

技术领域

本发明涉及一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器及定制方法，属于压力测量技术领域。

背景技术

压力传感器主要应用于汽车工业、自动控制、航天航海、医疗卫生和军事等方面有着广阔的应用。基于光学原理的传感器理论上具有更高的精度，并且具有绝缘、抗电磁干扰、高集成度等特点，在生物分子检测、环境污染治理及化学过程控制等领域具有广泛应用。集成光学传感器是光学传感器中重要的一类，它利用半导体加工技术制作各种光学微结构来实现光学测量，具有低成本的特点，与分立元件的光学传感器相比，集成光学器件的产品质量基本不依赖于操作人员的技术水平，其品质控制非常出色，适合大规模制作。

尽管集成光学器件有上述优点，但是其产品开发周期需要经历掩膜版制作、波导层生长、光刻、波导层刻蚀、包层生长、切割、研磨、抛光、光纤封装等多道工序，在生产线全力配合的情况下，全套工序也至少需要一个月的时间，对于大部分的加工厂商来说，各个工序在时间上不可能衔接得很紧密，全套工序一般需要两个月的时间。因此，需要定制的产品，加上光路设计等环节，至少需要三至四个月的时间。

半导体的生产线是以数千万元计的，并且需要超净间维护，维护成本也很高，所以都需要专业厂商来完成，传感器的产品需求方不可能考虑去配备半导体生产线，集成光学芯片只能采取委托专业半导体厂商加工的方式完成。

但在压力传感器的应用中，有各种量程的需求，如不同深度的潜水器，就需要不同压力上限的传感器来测量所处深度。在量程较小的场景下，大量程的传感器是可以应用的，但是，要付出分辨率的代价；比如，一个0-100MPa的压力传感器，其分辨率为满量程的千分之一，也就是0.1％FS(FS为满量程，full scale)，但将其使用在压力测量范围0-10MPa的场景下，其分辨率就只有满量程的百分之一(1％FS)了。因此，为保证分辨率，对于不同量程的压力传感器，定制是必须的。根据不同的场景，改变光学传感器的参数，在材料承压范围内，是可以实现各种量程的集成光学压力传感器的。但是，如前所述，集成光学传感器的定制周期为三到四个月，是相当慢的。此外，在传感器的需要数量较小(小于10个)的情况下，其制作成本也大幅度上升。因为掩膜版的成本为2万，这个成本需要平摊到每一个器件。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器，该压力传感器包括承压壳、压力块和基于马赫-曾德尔结构的光学压力传感器。

同时，本发明还提供了一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器的定制方法，该定制方法具有定制时间短(一至两天)，所有类型的定制压力传感器能够不损失满量程分辨率，压力传感器的测量范围可大大高于光学芯片的材料承压上限等优点。

术语解释：

FSR：Free Spectral Range的缩写，自由光谱范围。

本发明的技术方案为：

一种基于集成光学的可快速定制的压力传感器，所述传感器包括承压壳、压力块和基于马赫-曾德尔结构的光学芯片；

所述承压壳包括上承压壳和下承压壳，所述上承压壳中开设有上凹槽，所述下承压壳中开设有下凹槽，所述下凹槽的一侧边开设有压力块固定槽，