趙琴琴，江 毅

(北京理工大學光電學院，北京 100081)

0 引言

光纖壓力傳感器具有耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾、響應(yīng)速度快、靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用于航天、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域[1-3]。光纖壓力傳感器種類繁多，其中Fabry-Perot干涉式傳感器分辨率高、性能優(yōu)異，已成為目前最有前景的一種光纖壓力傳感器[4-5]。MEMS技術(shù)具有成本低、功耗低、高性能和集成化等優(yōu)點，為膜片式壓力傳感器的制造提供了技術(shù)支持。隨著光纖傳感技術(shù)與MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，將兩者結(jié)合制作光纖MEMS傳感器成為一大研究熱點，引起了國內(nèi)外的廣泛研究[6-9]。本文選用具有穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)與Pyrex7740玻璃相近的硅片作為傳感膜片，通過陽極鍵合技術(shù)將硅片與Pyrex7740玻璃鍵合構(gòu)成基于F-P腔的傳感頭，并測試了壓力傳感器的壓力特性，顯示了良好的線性特性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及制作基本原理

光纖MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器由傳感頭、光纖準直器和光纖3部分構(gòu)成，其中傳感頭包括硅片、F-P腔體、Pyrex7740玻璃3部分。硅片與Pyrex7740玻璃之間的間隙形成F-P腔，傳感頭與光纖準直器用UV膠粘合構(gòu)成傳感器。

圖1 光纖MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

光纖MEMS壓力傳感器的制作過程如下：首先，硅片和Pyrex7740玻璃通過陽極鍵合構(gòu)成基于F-P腔的傳感頭。實驗中采用邊長為5 mm、厚度為300 μm的的硅片和邊長為5 mm、厚度為400 μm的Pyrex7740玻璃。將清洗過的硅片雙面氧化一層二氧化硅，再雙面沉積一層氮化硅，如圖2(a)所示；利用光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)選擇性地去除硅片頂面的二氧化硅和氮化硅，如圖2(b)所示；利用刻蝕技術(shù)在硅片底面形成一個直徑為1.9 mm，深度為160 μm左右的空腔，同時，在硅片頂面構(gòu)造一個直徑為3 mm的圓形槽使硅膜片的厚度降低至55 μm，如圖2(c)所示；利用磁控濺射技術(shù)將金膜濺射在硅片底面的空腔內(nèi)以提高反射率，如圖2(d)所示；然后，去除硅片表面二氧化硅和氮化硅，如圖2(e)所示；最后，將硅片和Pyrex7740玻璃利用陽極鍵合工藝粘結(jié)在一起構(gòu)成傳感頭，如圖2(f)所示，其中陽極鍵合需要在高溫、高壓、真空、壓力等條件下完成[10-11]。

(a)氧化并沉積氮化硅

(b)光刻

(c)刻蝕硅片

(d)濺射金膜

(f)陽極鍵合

接下來，是傳感頭與光纖準直器對準的過程。實驗中采用規(guī)格為C-lens2.4*10的單纖準直器，其作用是將光纖輸出的光準直為腰斑較大而發(fā)散角較小的準直光。使用特殊夾具將傳感頭和光纖準直器分別固定在兩個五維超精密移動平臺上，其中固定傳感頭的五維移動平臺保持不動，手動調(diào)節(jié)固定光纖準直器的五維移動平臺，同時觀察光譜儀顯示的干涉信號，當調(diào)節(jié)出對比度大且成正弦變化的干涉信號時則表示傳感頭與光纖準直器對準良好。將光纖準直器固定在五維移動平臺上的夾具結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，在一塊不銹鋼板的上端，開一個V型槽，光纖準直器被固定于V型槽和壓板之間，壓板利用螺釘與帶有V型槽的不銹鋼板塊配合。傳感頭的厚度只有700 μm，固定較為困難，實驗中采用如圖3(b)所示的不銹鋼基座，它底面的中心位置開有邊長為5 mm、深度為0.5 mm的方槽，方便將傳感頭定位在不銹鋼基座底面的中心位置。將傳感頭的玻璃面與不銹鋼基座底面用EPO-TEX353ND雙組份環(huán)氧膠粘結(jié)，再將不銹鋼基座與傳感頭的結(jié)合體用V型槽夾具固定在五維移動平臺上，為了使紫外光能照射到涂抹在傳感頭與光纖準直器交界面的UV膠上，便于UV膠固化，在不銹鋼基座兩側(cè)各開一個圓孔。

(a)V型槽夾具(b)不銹鋼基座圖3 光纖準直器與傳感頭固定

最后，將傳感頭與光纖準直器粘結(jié)。實驗中采用UV膠，在傳感頭和光纖準直器接觸面涂抹適量UV膠，用紫外燈照射5 min即可完成固化。UV膠有兩重作用，一方面實現(xiàn)傳感頭與光纖準直器連接，另一方面防止Pyrex7740玻璃與準直器連接的面產(chǎn)生第三束反射光從而影響干涉信號。

2 傳感器基本原理

寬帶光源發(fā)出的光通過光纖耦合進入到傳感器中，在傳感器F-P腔的硅片、Pyrex7740玻璃表面反射來形成雙光束干涉。當壓力作用在硅膜表面使其發(fā)生形變時，F(xiàn)-P腔的空氣間隙發(fā)生變化，即腔長d變化，導致干涉信號的光譜發(fā)生變化，通過光纖白光干涉解調(diào)技術(shù)可獲得腔長d，從而得到壓力值。

根據(jù)彈性力學原理，硅膜受到外界壓力后形變情況如式(1)所示：

(1)

式中：w為硅膜撓度，m；p為外界壓力，Pa；E為硅的楊氏模量，Pa；μ為硅的泊松比；h為硅膜的厚度，m；R為硅膜半徑，m；r為硅膜任意部位的半徑，m。

由式(1)可得在硅膜的中心點(r=0)處，壓力變化Δp與腔長變化Δd之間的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

可以看出E、μ為常量，因此在相同腔長改變下，h越小，R越大，能敏感到的壓力變化Δp越小，即靈敏度越高，靈敏度表達式如式(2)所示[6]：

(3)

白光干涉光譜受腔長d的調(diào)制，而腔長d又受壓力p的調(diào)制。干涉條紋強度I是腔長d和波長λ的函數(shù)，可簡單描述為

(4)

式中：a(λ)為寬帶光源引入的光譜輪廓；b(λ)為白光干涉光譜的條紋對比度變化；d為傳感器F-P腔腔長。

光纖白光干涉技術(shù)實際上是通過確定白光光譜中相位相差為2π的2個波長λ1、λ2來測量干涉儀的光程差L。對于光纖F-P類傳感器，光程差L為傳感器腔長d的2倍，F(xiàn)-P腔中介質(zhì)為空氣，則傳感器腔長測量公式為[12-13]

(5)

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗系統(tǒng)

實驗采用實驗室自行研制的光纖白光干涉解調(diào)儀對光纖MEMS壓力傳感器進行腔長解調(diào)，該解調(diào)儀內(nèi)置波長掃描光纖激光器作為光源，用自制的可調(diào)諧F-P濾波器作為波長掃描器件，濾波器波長掃描范圍為100 nm,線寬為0.17 nm,損耗為1.5 dB,PC端具有LabVIEW腔長解調(diào)程序。該白光干涉解調(diào)儀適用于EFPI類傳感器解調(diào)，測量范圍為20～10 000 μm，分辨率為 0.1 μm，最高測量分辨率達到0.1 nm。壓力控制系統(tǒng)由測試壓力腔、氣壓表、空壓機構(gòu)成，其中測試壓力腔由實驗室自行研制，可加壓范圍為0～1 MPa，氣密性良好且具有2路光纖傳感器連接口，氣壓表精度為 ±0.06%。壓力特性實驗系統(tǒng)如圖4所示，將傳感器置于壓力腔中，啟動加壓設(shè)備使壓力緩慢增加,待壓力穩(wěn)定時，光纖MEMS壓力傳感器的腔長 可以從白光干涉解調(diào)儀讀出。

圖4 壓力測試實驗系統(tǒng)原理圖

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

制作完成后的光纖MEMS壓力傳感器干涉信號光譜如圖5所示，可以看出，干涉條紋平滑，損耗為5 dB。在室溫27 ℃且大氣壓下，對傳感器進行了穩(wěn)定性測試，該光纖MEMS壓力傳感器的初始腔長測量結(jié)果如圖6所示，可以看出腔長最小值為 163.239 5 μm，最大值為163.242 3 μm，平均分布在163.241 0 μm，故認定初始腔長為163.241 0 μm。多次測量數(shù)據(jù)表明，腔長變化只有1.5 nm。

圖5 光纖MEMS壓力傳感器光譜圖

圖6 光纖MEMS壓力傳感器初始腔長

室溫27 ℃下，對該傳感器進行壓力特性測試，壓力由0逐次增壓至1 MPa過程中，每增壓約0.1 MPa記錄1次數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如圖7所示，腔長隨壓力增加成線性遞減關(guān)系，腔長-壓力擬合直線為y=-5.14x+163.31，線性度為99.97%，則傳感器的腔長-壓力靈敏度為5.14 μm/MPa。壓力由1 MPa逐次減壓至0過程中，每減壓約0.1 MPa記錄1次數(shù)據(jù)，腔長隨壓力減小成線性遞增關(guān)系，腔長-壓力擬合直線為y=-5.14x+163.29，線性度為99.92%，則傳感器的腔長-壓力靈敏度為5.14 μm/MPa，增壓和減壓實驗中,測得的腔長-壓力靈敏度相同，表明傳感器的重復性較好。實驗中，硅膜片厚度為55 μm，有效半徑為0.95 mm，理想情況下，該傳感器腔長-壓力靈敏度為5.45 μm/MPa，實驗所得腔長-壓力靈敏度與理論計算存在一定誤差，誤差來源包括傳感器制作過程中硅膜片厚度和有效半徑的制作誤差以及實驗過程中壓力控制裝置存在輕微泄漏引入的誤差。

圖7 正反行程腔長與壓力關(guān)系擬合曲線

對該傳感器進行溫度實驗，將傳感器置于溫度0～100 ℃可調(diào)的保溫爐中，從室溫27 ℃開始升溫，每升溫10 ℃讀取1次數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如圖8所示，腔長隨溫度增加成線性遞增關(guān)系，腔長-溫度擬合直線為y=0.002 6x+163.17，線性度為99.28%，則傳感器的溫度靈敏度為2.6 nm/℃。溫漂的來源包括硅片和Pyrex7740玻璃的熱膨脹以及傳感頭玻璃面與不銹鋼基座粘結(jié)處EPO-TEX353ND雙組份環(huán)氧膠的熱膨脹。

圖8 腔長與溫度關(guān)系擬合曲線

4 結(jié)論

設(shè)計并制作了一種基于非本征型法布里-珀羅腔的光纖MEMS壓力傳感器，總體直徑為8 mm，長度小于12 mm，既具有光纖傳感器體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，兼具MEMS器件可靠性高、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點。該傳感器在0～1 MPa范圍內(nèi)具有0.999的線性度，腔長-壓力靈敏度為5.14 μm/MPa，穩(wěn)定性好，重復性高，具有很強的工程應(yīng)用價值，但仍需改進加工工藝，使傳感器能夠應(yīng)用于更高溫度的環(huán)境中，并且進一步減小溫漂效應(yīng)。