激光加工硅片的膜片式法-珀干涉型光纖壓力傳感器*

劉 宇，王 萌，王 博，姜麗娟，王少華

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津300072;2.天津大學 光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，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］測量以及橋梁［3］等大型建筑物健康監(jiān)測中?；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］，且在不同壓力測量場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)點和硅材料在光學及機械方面的優(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，其制作過程快速、過程簡單、操作簡易，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)

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

其中，p 為施加均勻壓力的壓強，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。對硅片施加壓力從而引起膜片變形，使得法-珀腔長在壓力變化時發(fā)生線性的變化。硅片已經(jīng)過拋光的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 個反射面。光從光纖入射并經(jīng)過法-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-珀腔對光譜法解調(diào)的影響。設(shè)入射光的光強為Ii，反射耦合回光纖內(nèi)的光強為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］，可知在沒有復(fù)合法-珀腔，即只有2 個反射面A2 和A3 形成法-珀腔時的法-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，λ 為入射光波長。若硅片A1 面為拋光面，則存在3 個反射面A1，A2 和A3 形成復(fù)合法珀腔，此時的法-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)過第i 個法-珀腔后產(chǎn)生的相位差，Li為第i 個法-珀腔腔長。

若選取法-珀腔介質(zhì)為空氣、腔長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，根據(jù)式(2)和式(4)可以分別計算出單個法-珀腔和復(fù)合法-珀腔的反射率，如圖2 所示。由圖可見，復(fù)合腔法-珀反射率同時受到了膜片形成的法-珀腔和實際空氣法-珀腔的雙重調(diào)制。因此，一般須將硅片A1 面進行毛化處理以消除復(fù)合法-珀腔對光譜法解調(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1 060 nm 波段的光，硅材料有較強烈的吸收。利用激光高能量、高脈沖，對物體表面按照設(shè)定的形貌和分布進行照射，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。

采用實驗室自行搭建的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)對兩面拋光、厚度為30 μm的硅片中的一個表面進行毛化處理。激光加工系統(tǒng)光路如圖3 所示，其中，2 個掃描振鏡分別實現(xiàn)X 方向和Y 方向的掃描，動態(tài)聚焦鏡調(diào)整激光聚焦位置，進行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，放置硅片樣品并對焦，按以上參數(shù)設(shè)置后對硅膜片進行表面紋理化處理，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 開關(guān)的調(diào)制頻率3 kHz，以圓形為圖案在已經(jīng)過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，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。將已經(jīng)過激光毛化處理的圓形硅片其拋光一面朝向玻璃毛細管沉孔，兩者中心對齊后用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，當光纖端面與硅片拋光面相距約90 μm(即法-珀腔初始腔長，可通過光譜儀或低相干干涉儀實時測量)時，在玻璃毛細管尾部涂環(huán)氧膠以固定光纖位置。最后套入松套管以對光纖進行保護。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 壓力測試實驗與分析

采用高精度氣壓源提供穩(wěn)定的40 ～240 kPa 靜氣壓對已封裝好的傳感器在室溫下進行壓力測試，每20 kPa 采集反射光譜數(shù)據(jù)進行解調(diào)，并實時計算法-珀腔長，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 時的法-珀腔長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)對薄硅片進行了表面毛化處理以消除外部雜散光的干擾和復(fù)合法-珀腔對光譜解調(diào)的影響，采用激光進行切割處理，快速、精準，操作簡單，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龊?。壓力實驗表明:在低壓范圍內(nèi)傳感器線性度良好，靈敏度達到11.9 nm/kPa。而在傳感器封裝過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-珀傳感器的封裝過程中，以進一步完善傳感器的全激光加工封裝。

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