劉 宇，王 萌，王 博，姜麗娟，王少華

(1.天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072;2.天津大學(xué) 光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

0 引 言

光纖法-珀壓力傳感器抗電磁干擾，結(jié)構(gòu)多變，體積小巧，并能夠忍受惡劣條件，廣泛應(yīng)用于航空、油井等領(lǐng)域的壓力［1］與液位［2］測(cè)量以及橋梁［3］等大型建筑物健康監(jiān)測(cè)中?；谀て姆潜菊鞴饫w法-珀干涉型［4，5］壓力傳感器由膜片直接感受壓力，與本征型光纖法-珀壓力傳感器相比，傳感器結(jié)構(gòu)多樣化［6］，且在不同壓力測(cè)量場(chǎng)合可以選擇適合的膜片材料［7，8］。根據(jù)光譜法解調(diào)的要求，并結(jié)合激光加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和硅材料在光學(xué)及機(jī)械方面的優(yōu)良特性，本文提出了采用激光加工硅片的膜片式光纖法-珀壓力傳感器，其制作過(guò)程快速、過(guò)程簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易，所制成的傳感器壓力響應(yīng)靈敏度有所提高［9］。

1 傳感器原理與結(jié)構(gòu)

對(duì)于周邊固定的圓形硅片在受均勻施加的壓力時(shí)發(fā)生變形，硅膜片上與中心點(diǎn)距離為r 處的撓度為［10］

其中，p 為施加均勻壓力的壓強(qiáng)，a 為未約束硅膜片半徑，h 為膜片厚度，E 為硅材料的楊氏模量，ν 為其泊松比。采用硅片作為膜片的膜片式光纖法-珀壓力傳感器頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。對(duì)硅片施加壓力從而引起膜片變形，使得法-珀腔長(zhǎng)在壓力變化時(shí)發(fā)生線性的變化。硅片已經(jīng)過(guò)拋光的A2 面與經(jīng)光纖刀切割的端面平整的裸單模光纖端面A3 面構(gòu)成法-珀腔的2 個(gè)反射面。光從光纖入射并經(jīng)過(guò)法-珀腔的反射后再耦合入光纖。

圖1 膜片式光纖法-珀傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of diaphragm-type optical fiber F-P sensor

一般將硅片的A1 面進(jìn)行表面紋理化、即毛化處理，以消除外部雜散光的干擾和復(fù)合法-珀腔對(duì)光譜法解調(diào)的影響。設(shè)入射光的光強(qiáng)為Ii，反射耦合回光纖內(nèi)的光強(qiáng)為Io，在不考慮損耗和色散的情況下，根據(jù)多光束干涉理論［11］，可知在沒(méi)有復(fù)合法-珀腔，即只有2 個(gè)反射面A2 和A3 形成法-珀腔時(shí)的法-珀腔反射率［12］

其中，r1為A3 面的反射系數(shù)，r2為A2 面的反射系數(shù)，二者與反射面兩側(cè)材料有關(guān)且可根據(jù)菲涅爾定律計(jì)算，φ為參與干涉的兩光束的相位差，n 為法-珀腔折射率，L 為法-珀腔長(zhǎng)，λ 為入射光波長(zhǎng)。若硅片A1 面為拋光面，則存在3 個(gè)反射面A1，A2 和A3 形成復(fù)合法珀腔，此時(shí)的法-珀腔反射率［13］

其中，r3為A1 面的反射系數(shù)，t1為A3 面的透射系數(shù)，t2為 A2 面的透射系數(shù)，t3為 A1 面的透射系數(shù)，，i=1，2，為光束經(jīng)過(guò)第i 個(gè)法-珀腔后產(chǎn)生的相位差，Li為第i 個(gè)法-珀腔腔長(zhǎng)。

若選取法-珀腔介質(zhì)為空氣、腔長(zhǎng)L1=90 μm，膜片材料為硅、厚度L2=120 μm，不考慮光纖傳輸損耗和色散時(shí)，根據(jù)式(2)和式(4)可以分別計(jì)算出單個(gè)法-珀腔和復(fù)合法-珀腔的反射率，如圖2 所示。由圖可見(jiàn)，復(fù)合腔法-珀反射率同時(shí)受到了膜片形成的法-珀腔和實(shí)際空氣法-珀腔的雙重調(diào)制。因此，一般須將硅片A1 面進(jìn)行毛化處理以消除復(fù)合法-珀腔對(duì)光譜法解調(diào)的影響，降低解調(diào)的難度。

圖2 復(fù)合法-珀腔的反射率Fig 2 Reflections of compound F-P cavities

2 傳感器制作

2.1 傳感頭的激光加工制作

對(duì)1 060 nm 波段的光，硅材料有較強(qiáng)烈的吸收。利用激光高能量、高脈沖，對(duì)物體表面按照設(shè)定的形貌和分布進(jìn)行照射，使得被照射部位的硅材料急劇升溫，發(fā)生急速融化、氣化和冷卻，在光照區(qū)域形成具有一定尺寸的凸凹的微結(jié)構(gòu)，在硅膜片表面形成毛化效果［14～16］。改變激光器的參數(shù)并增加照射次數(shù)，可在硅片表面留下較深的蝕刻痕跡;經(jīng)反復(fù)操作，則可將較薄的硅片切割成圓形以適合傳感器封裝。

采用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的Nd∶YAG 脈沖激光器和精密三維控制系統(tǒng)組成的激光加工系統(tǒng)對(duì)兩面拋光、厚度為30 μm的硅片中的一個(gè)表面進(jìn)行毛化處理。激光加工系統(tǒng)光路如圖3 所示，其中，2 個(gè)掃描振鏡分別實(shí)現(xiàn)X 方向和Y 方向的掃描，動(dòng)態(tài)聚焦鏡調(diào)整激光聚焦位置，進(jìn)行Z 向掃描，從而可完成三維結(jié)構(gòu)的加工。激光加工系統(tǒng)輸出功率、X 方向和Y 方向的激光掃描速度、聲光Q 開(kāi)關(guān)的調(diào)制頻率以及圖案的網(wǎng)格填充密度均可調(diào)。

圖3 Nd∶YAG 脈沖激光器加工系統(tǒng)光路示意圖Fig 3 Optical path diagram of Nd∶YAG pulse laser processing system

設(shè)定激光平均功率10 W，X 方向和Y 方向的激光掃描速度100 m/s，聲光Q 開(kāi)關(guān)的調(diào)制頻率5 kHz，網(wǎng)格填充密度0.1 mm，在硅膜片表面進(jìn)行一次掃描可以得到寬度約30 μm、深度約6 μm 的刻槽。將“正交網(wǎng)格型”圖案輸入激光加工系統(tǒng)中，放置硅片樣品并對(duì)焦，按以上參數(shù)設(shè)置后對(duì)硅膜片進(jìn)行表面紋理化處理，處理后的紋理如圖4(a)所示。設(shè)定激光平均功率20 W，X 方向和Y 方向的激光掃描速度15 m/s，聲光Q 開(kāi)關(guān)的調(diào)制頻率3 kHz，以圓形為圖案在已經(jīng)過(guò)毛化處理的硅片處反復(fù)照射9～10 次可將硅片以圓形為圖案切割下來(lái)，如圖4(b)所示。

圖4 激光加工后的硅片F(xiàn)ig 4 Si chip after laser processing

2.2 傳感器封裝

采用熱膨脹系數(shù)與硅材料相近的Pyrex7740 材料的玻璃毛細(xì)管作為傳感器體。其一端有約500 μm 的沉孔以便形成法-珀腔，中部鉆有直徑約127 μm 的通孔以便已去除涂覆層的裸單模光纖從中穿過(guò)。將已經(jīng)過(guò)激光毛化處理的圓形硅片其拋光一面朝向玻璃毛細(xì)管沉孔，兩者中心對(duì)齊后用Loctite 454 膠在硅片周邊小心涂抹，使其兩者粘結(jié)。將裸單模光纖從通孔另一端穿入，當(dāng)光纖端面與硅片拋光面相距約90 μm(即法-珀腔初始腔長(zhǎng)，可通過(guò)光譜儀或低相干干涉儀實(shí)時(shí)測(cè)量)時(shí)，在玻璃毛細(xì)管尾部涂環(huán)氧膠以固定光纖位置。最后套入松套管以對(duì)光纖進(jìn)行保護(hù)。封裝好的壓力傳感器如圖5 所示。

圖5 封裝好的壓力傳感器Fig 5 Packaged pressure sensor

3 壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

采用高精度氣壓源提供穩(wěn)定的40 ～240 kPa 靜氣壓對(duì)已封裝好的傳感器在室溫下進(jìn)行壓力測(cè)試，每20 kPa 采集反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，并實(shí)時(shí)計(jì)算法-珀腔長(zhǎng)，結(jié)果如圖6所示。傳感器壓力靈敏度為 11.9 nm/kPa，線性度為1.51%。

圖6 氣壓40 ～240 kPa 時(shí)的法-珀腔長(zhǎng)Fig 6 Cavity length under air pressure range 40～240 kPa

4 結(jié) 論

本文采用Nd∶ YAG 激光加工系統(tǒng)對(duì)薄硅片進(jìn)行了表面毛化處理以消除外部雜散光的干擾和復(fù)合法-珀腔對(duì)光譜解調(diào)的影響，采用激光進(jìn)行切割處理，快速、精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，適合硅膜片的規(guī)?；恐谱骱蛡鞲衅餍∨靠焖僦谱饕约把芯康膱?chǎng)合。壓力實(shí)驗(yàn)表明:在低壓范圍內(nèi)傳感器線性度良好，靈敏度達(dá)到11.9 nm/kPa。而在傳感器封裝過(guò)程中膠的使用為傳感器引入了不確定性，因此，激光熔接等技術(shù)有待應(yīng)用于光纖法-珀傳感器的封裝過(guò)程中，以進(jìn)一步完善傳感器的全激光加工封裝。

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