提高膜片式F-P腔光纖壓力傳感器靈敏度的試驗研究

張慧君，張立喆，段玉培，陳喜

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

目前，在微型傳感器的制作技術(shù)方面，微電子機械系統(tǒng) (Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)已成為光纖傳感器制作領(lǐng)域的新方向。MEMS光纖壓力傳感器具有體積小、抗電磁干擾、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工等領(lǐng)域。并且由于MEMS器件易于大規(guī)模集成化生產(chǎn)，可以較大程度地降低傳感器的成本［1－2］。

膜片式F-P腔光纖壓力傳感器是采用MEMS技術(shù)加工而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于MEMS工藝批量化生產(chǎn)的特點，同一批次傳感器的靈敏度將具有較高的一致性。但是在實際應(yīng)用中，不同的測試環(huán)境對傳感器的數(shù)量和靈敏度要求各不相同，如果針對不同靈敏度，分別進行批量化生產(chǎn)，則會造成生產(chǎn)成本過高，經(jīng)濟化效益降低。因此，本文利用濕法腐蝕的方法對傳感器進行膜片減薄試驗，通過計算腐蝕速率，控制腐蝕時間，可以在一定范圍內(nèi)提高傳感器的靈敏度，從而滿足不同的測試需求。

1 膜片式壓力傳感器原理

圖1 膜片式F-P腔光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

膜片式F-P腔光纖壓力傳感器是基于法布里-珀羅干涉原理，采用MEMS技術(shù)加工而成，敏感膜片由Pyrex7740玻璃組成。當外界壓力作用于膜片時，膜片發(fā)生形變，導致F-P腔腔長改變，從而引起干涉光譜的變化。通過監(jiān)測干涉光譜，并對其進行解調(diào)，即可得到作用在膜片上的壓力大?。?－4］。

根據(jù)彈性力學原理，壓力變化Δp與腔長變化Δd的關(guān)系可以用表示為

式中:h為膜片厚度;r為膜片的有效半徑;μ為膜片的泊松比;E為膜片的楊氏模量。

靈敏度Y可以表示為

理論上，Pyrex7740玻璃在25℃時的特性參數(shù)為:楊氏模量E=62.75×109Pa;泊松比μ=0.2。由上式可以看出，膜片厚度越小，有效半徑越大，傳感器的靈敏度越高。但有效半徑的增加會導致傳感器尺寸的增大，因此可以通過減小膜片厚度的方法來提高傳感器的靈敏度［5］。

2 實驗部分

對膜片的減薄可以通過氫氟酸的腐蝕來實現(xiàn)［6］。氫氟酸可以與二氧化硅反應(yīng)生成絡(luò)合物，其化學反應(yīng)式為

一般情況下，氫氟酸對二氧化硅的腐蝕速率較快，在工藝上很難控制。因此，在實際應(yīng)用中，常加入氟化銨 (NH4F)作為緩沖劑，從而保持穩(wěn)定的腐蝕速率［7］，這種腐蝕溶液常稱為緩沖氫氟酸腐蝕劑(BHF)。

將配制好的BHF溶液 (3mlHF溶液+6gNH4F+10mlH2O)倒入特氟龍容器中，蓋上蓋子，水浴加熱。然后連接傳感器與解調(diào)設(shè)備，將傳感頭放入BHF溶液中，開始腐蝕，記錄時間，實時監(jiān)測傳感器的腔長值。根據(jù)腔長的變化值，可以計算出傳感器靈敏度的變化，最終計算出膜片的腐蝕速率。由于玻璃中含有一些氧化物如CaO，Al2O3等，會與氫氟酸生成不溶物沉積在膜片表面，從而影響到腐蝕質(zhì)量［8］。為了保證腐蝕的均勻性，在腐蝕過程中需用玻璃棒不斷攪拌。腐蝕結(jié)束后，將傳感頭用去離子水沖洗，氮氣吹干。

3 結(jié)果與討論

3.1 HF濃度對腐蝕速率的影響

由于HF腐蝕性較強，HF的濃度很大程度上影響著膜片的腐蝕速率［9］。將BHF溶液加熱至40℃，不同HF濃度下膜片的腐蝕速率如表1所示。從表1可以看出，隨著HF濃度增大，膜片的腐蝕速率快速增加。當HF濃度增大到20%時，膜片表面較為粗糙，表明腐蝕速率過快。因此，為了較好地控制膜片的腐蝕速率，HF的濃度應(yīng)為10%。

表1 不同HF濃度下的膜片腐蝕速率

3.2 溫度對腐蝕速率的影響

溫度是影響腐蝕速率的另一個重要因素。HF濃度為10%時，不同溫度下測得的膜片腐蝕速率如表2所示。從表2可以看出，溫度升高，膜片腐蝕速率不斷增大。為了保證腐蝕后膜片的質(zhì)量不受影響，最佳的腐蝕溫度應(yīng)選為40℃。此外，由于小范圍的溫度波動也會造成腐蝕速率發(fā)生變化，因此在腐蝕過程中必須嚴格控制溫度。

表2 不同溫度下的膜片腐蝕速率

3.3 膜厚及靈敏度

在腐蝕溫度為40℃，HF濃度為10%時，選取編號為#1～#5的傳感器進行膜片腐蝕。當腐蝕時間為5 min時，傳感器#5光譜信號消失，表明膜片已經(jīng)被過度腐蝕，其余傳感器光譜信號正常。根據(jù)腐蝕過程中傳感器腔長值的變化，可以計算出膜片腐蝕后的靈敏度，從而得到膜片的最終厚度，結(jié)果如表3所示。

表3 腐蝕后的膜片厚度

3.4 壓力標定

在常溫常壓下，選取腐蝕后膜厚較小的兩只傳感器#1和#2，利用高精度壓力測量設(shè)備對其分別進行了氣壓標定實驗。其中，傳感器#1腐蝕前后的壓力標定曲線如圖2～3所示。腐蝕前，傳感器#1在0～180 kPa(絕壓)范圍內(nèi)，靈敏度達到22.6 nm/kPa，曲線的線性度為0.9998，由于重復(fù)性較好，正負行程曲線基本重合。經(jīng)計算，傳感器的非線性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器靈敏度可達到34.2 nm/kPa，與表3中的計算值基本符合，曲線的線性度為0.9997，正負行程曲線基本重合。此時傳感器的非線性誤差仍為0.05%，可實現(xiàn)0～120 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準確測量。

對于傳感器#2，腐蝕前，在0～200 kPa(絕壓)范圍內(nèi)，靈敏度達到19.3 nm/kPa。傳感器的非線性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器的靈敏度可達到33.6 nm/kPa，與表3中的計算值基本符合。此時傳感器的非線性誤差為0.1%，可實現(xiàn)0～130 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準確測量。

4 結(jié)論

圖2 腐蝕減薄前傳感器#1的壓力標定曲線

圖3 腐蝕減薄后傳感器#1的壓力標定曲線

膜片厚度決定了傳感器的壓力測量范圍和靈敏度。為了滿足不同測試環(huán)境對傳感器靈敏度的不同要求，本文利用濕法腐蝕的方法對傳感器進行膜片減薄試驗，該方法工藝簡單，成本低廉，可以在一定程度上提高傳感器的壓力靈敏度。試驗表明，HF濃度和腐蝕溫度對腐蝕速率有重要的影響，腐蝕后的膜片質(zhì)量與腐蝕速率有關(guān)。壓力標定結(jié)果表明，膜片減薄后，傳感器的靈敏度可達34.2 nm/kPa，與計算值基本一致。其標定曲線的線性度為0.9997，傳感器的非線性誤差為0.05%，可滿足0～120 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準確測量。但由于過度的腐蝕會使傳感頭損壞的幾率變大，此方法只能在一定范圍內(nèi)提高傳感器的靈敏度。因此，進一步確定靈敏度的可變化范圍以及實現(xiàn)靈敏度變化的精確控制將成為未來的研究重點。

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