銀薄膜結(jié)構(gòu)的高靈敏度Fabry-Perot光纖聲壓傳感器

劉　彬， 劉　歡， 林　杰， 金　鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，150001 哈爾濱)

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銀薄膜結(jié)構(gòu)的高靈敏度Fabry-Perot光纖聲壓傳感器

劉彬， 劉歡， 林杰， 金鵬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，150001 哈爾濱)

摘要:為改善膜片式Fabry-Perot光纖聲壓傳感器中懸空薄膜的平整度，提高其檢測(cè)微弱聲壓的能力，提出一種大面積銀薄膜轉(zhuǎn)移加工方法. 采用磁控濺射沉積銀薄膜，利用基于正性光刻膠的犧牲層工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)移貼合. 銀薄膜直徑為2.5 mm，厚度為130 nm. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：銀薄膜薄膜表面平整度<20 μm；加工得到的聲壓傳感器在0.1～3.0 kHz頻帶范圍內(nèi)具有一致的頻響特性，在1 kHz處的聲壓靈敏度為-158 dB ( 參考值 1 V/μPa). 在0.001～1.250 Pa聲壓范圍內(nèi)，傳感器輸出響應(yīng)與入射聲壓之間具有良好的線性關(guān)系；最小可探測(cè)聲壓為419 μPa·Hz(-0.5). 所提出的加工方法可有效改善薄膜的平整性，并具有良好的工藝性和可重復(fù)性；加工得到的傳感器適應(yīng)于高靈敏度微弱聲壓探測(cè)工作.

關(guān)鍵詞:Fabry-Perot；光纖傳感器；銀薄膜；高靈敏度；聲壓檢測(cè)

非本征型膜片式Fabry-Perot干涉式光纖聲壓傳感器(EFPI)由于具有較高的測(cè)量精度、較小的尺寸和較強(qiáng)的抗干擾能力而受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]. 由切割得到的光纖端面和聲壓敏感膜片構(gòu)成Fabry-Perot(FP)腔的兩個(gè)反射鏡. 薄膜在外力作用下發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致FP腔的反射率發(fā)生變化. 通過(guò)檢測(cè)這種變化可以得到外界聲壓的信息. 因此，聲壓敏感膜片的設(shè)計(jì)與加工決定傳感器的整體性能指標(biāo). 石英薄膜[3-5]、硅薄膜[6]、石墨烯薄膜[7-8]、金屬銀薄膜[9-11]等材料均被人們廣泛研究. 石英薄膜由于和光纖、毛細(xì)管等材料的熱膨脹系數(shù)相一致，具有很好的溫度特性. 但由于受到材料內(nèi)應(yīng)力的限制，很難利用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法得到大面積的石英薄膜和硅薄膜[5]. 目前最薄的石英薄膜厚度為320 nm，采用電弧放電工藝加工，但是膜片直徑小于光纖直徑，不適于作為微弱聲壓檢測(cè)[5]. 石墨烯材料雖然可以達(dá)到單原子層的厚度，利用多層石墨烯加工得到的光纖FP聲壓傳感器的靈敏度可以達(dá)到1 100 nm/kPa，但是石墨烯的光學(xué)反射率較低，且轉(zhuǎn)移貼合工藝不成熟[7]. 時(shí)金輝等利用化學(xué)電鍍工藝加工得到納米級(jí)的金屬銀薄膜，并將其用作壓力敏感薄膜，得到的壓力靈敏度為160 nm/Pa，但由于加工得到的銀薄膜表面起伏較大，其結(jié)果不具有可重復(fù)性[9-10]. 本文提出一種基于大面積銀薄膜的高靈敏度非本征Fabry-Perot干涉式光纖聲壓傳感器. 利用磁控濺射方法加工得到銀薄膜，并利用基于犧牲層工藝的轉(zhuǎn)移貼合技術(shù)將薄膜貼合至玻璃石英管的端面處. 該方法具有簡(jiǎn)單、成本低、可重復(fù)等優(yōu)勢(shì). 加工得到的薄膜具有平整性高. 得到的傳感器靈敏度高，適應(yīng)于高靈敏度低頻聲壓探測(cè)工作.

1傳感器的設(shè)計(jì)與加工

圖1為所設(shè)計(jì)的光纖傳感器結(jié)構(gòu), 利用固定在玻璃套管上的銀薄膜作為聲壓敏感元件，玻璃套管的內(nèi)徑為2.5 mm, 單模光纖固定在外徑為2.5 mm的陶瓷插芯上，并研磨平整,光纖端面和銀薄膜組成FP腔.

圖1　傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器的加工工藝流程如圖2所示，具體步驟:1) 利用標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗工藝對(duì)硅片進(jìn)行清洗，并旋涂一層正性光刻膠作為犧牲層. 光刻膠的厚度大約為1 μm，如圖2(a)所示. 2) 利用真空磁控濺射工藝，在光刻膠表面沉積一層厚度為130 nm厚的銀薄膜. 濺射時(shí)在光刻膠表面放置一個(gè)由方形通孔陣列組成的掩膜，用于控制沉積銀薄膜的形狀，方孔的邊長(zhǎng)為5 mm，方孔陣列的周期長(zhǎng)度為5.5 mm，通過(guò)控制沉積時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度精確的控制，如圖2(b)所示. 3) 在石英套筒端面涂覆一層厚度為1 μm的環(huán)氧膠(353ND)后，將其貼合在銀薄膜表面. 放置在60 ℃的熱烘板固化2 h. 所用石英套筒內(nèi)徑為2.5 mm. 涂覆環(huán)氧膠的工藝與文獻(xiàn)中類似，如圖2(c)所示. 4) 利用丙酮將正性光刻膠溶解，得到懸空的銀薄膜，如圖2(d)所示. 5) 將光纖插入玻璃套筒中完成FP傳感器的封裝，封裝過(guò)程中利用光譜分析儀(YOKOGAWA AQ6370C)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FP腔腔長(zhǎng)，如圖2(e)所示. 6) 加工得到的傳感器實(shí)物圖如圖2(f)所示.

圖2　傳感器加工工藝流程

2傳感器結(jié)構(gòu)表征

2.1銀薄膜平整度表征

利用商用共焦顯微鏡(奧利巴斯，OLS 3000)對(duì)轉(zhuǎn)移后的銀薄膜表面平整度進(jìn)行了測(cè)試. 圖3為薄膜的表面輪廓圖，測(cè)試面積為2.56 mm×2.56 mm，薄膜的表面起伏高度用不同的顏色表示. 從圖3中可以得出表面平整度小于20 μm，轉(zhuǎn)移得到的銀薄膜具有很好的平整性. 表明該加工方法具有良好的工藝性和可行性，有助于傳感器的大規(guī)模加工.

2.2傳感器反射譜表征

多光束干涉的反射光強(qiáng)為

(1)

其中：δ=4πnl/λ為相鄰光束的光程差；R1、R2分別為兩個(gè)反射面的反射率；n為FP腔中介質(zhì)的折射率，對(duì)于空氣腔而言，n=1；l為FP腔的腔長(zhǎng)；λ為入射光波波長(zhǎng)；Iin為入射光功率；I0為反射光功率.

圖3　銀薄膜表面平整性測(cè)量

由于切割得到的光纖端面的反射率最高為3.6%，因此，多光束干涉會(huì)退化成雙光束干涉，其表達(dá)式為

(2)

由式(2)可知，傳感器的靈敏度隨著反射率的增加而增加. 加工得到的傳感器反射譜如圖4所示. 干涉條紋對(duì)比度大約為25 dB. 在干涉條紋中，相鄰兩個(gè)波峰(谷)之間的光程差為入射光波長(zhǎng)的整數(shù)倍，可得FP腔腔長(zhǎng)為

(3)

其中λ1、λ2分別為干涉譜上相鄰的兩個(gè)波峰(或相鄰的兩個(gè)波谷)的波長(zhǎng). 取λ1=1 548.612nm, λ2=1 551.772nm，計(jì)算得到腔長(zhǎng)L=380.24μm.

圖4　封裝得到EFPI的干涉譜

3傳感器聲學(xué)性能測(cè)試

3.1測(cè)試裝置

采用如圖5所示裝置對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試：在標(biāo)準(zhǔn)靜音室中，將自制EFPI聲壓傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(B&K4192)在聲源聲線兩側(cè)對(duì)稱的位置，保證兩個(gè)探頭上接收到的聲場(chǎng)完全一樣. 利用信號(hào)發(fā)生器控制聲源的頻率和聲壓. 標(biāo)準(zhǔn)傳聲器(B&K 4192)的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器(B&K 2690)后，經(jīng)聲壓處理系統(tǒng)處理，得到入射聲壓的頻率和幅值.

圖5　聲壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用自補(bǔ)償式強(qiáng)度解調(diào)方案進(jìn)行傳感器的解調(diào)[12-13]. C波段的ASE寬帶光源經(jīng)過(guò)環(huán)形器1照射EFPI聲壓傳感器，其返回光再經(jīng)過(guò)環(huán)形器2照射光纖布拉格光柵(FBG). 選用的FBG中心波長(zhǎng)為1 550 nm，3 dB帶寬為0.2 nm，反射率為99%. FBG的反射光經(jīng)環(huán)形器2后利用光電接收器(PD1)進(jìn)行采集，其透射光利用光電接收器(PD2)進(jìn)行采集. 利用數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測(cè)器的輸出后，利用信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)采集型號(hào)進(jìn)行處理，得到EFPI傳感器的輸出信號(hào)的頻率和幅值. 利用標(biāo)準(zhǔn)傳聲器的輸出結(jié)果作為參考值，從而得到自制EFPI傳感器的靈敏度. 實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整FBG的工作溫度控制其中心波長(zhǎng)，使工作點(diǎn)保持在干涉譜的正交點(diǎn)上.

已知對(duì)于光譜寬度為Δλ，中心波長(zhǎng)為λ0的光源，其相干長(zhǎng)度Lc計(jì)算公式為

(4)

計(jì)算得到測(cè)量光的相干長(zhǎng)度為12 mm，遠(yuǎn)大于封裝得到的FP腔長(zhǎng)；而參考光的相干長(zhǎng)度為60 μm. FBG的反射光信號(hào)中不僅包含了待測(cè)信號(hào)，同時(shí)包含了光源漲落、光纖擾動(dòng)等噪聲；而FBG的透射光值只包含光源漲落、光纖擾動(dòng)等噪聲信息. 因此，利用FBG的透射光信號(hào)作為參考信號(hào)，即可消除測(cè)量信號(hào)中的噪聲信息. 從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力.

3.2傳感器性能表征

固定聲音頻率為 1 kHz，將聲壓幅值Pin從1 mPa逐漸增至1.25 Pa，得到測(cè)試探頭的輸出響應(yīng)Uout如圖6所示. 由于測(cè)試聲壓幅值跨度較大，且集中在0.1 Pa以下，故利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明. 擬合結(jié)果表明該膜片的形變對(duì)入射聲壓幅值具有良好的線性響應(yīng)，線性相關(guān)度為0.998. 計(jì)算得到的聲壓靈敏度為12.21 mV/Pa 或 -158.26 dB ( 參考值1 V/μPa ) .

圖6　EFPI傳感器聲壓響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

控制聲源的頻率Fin從100 Hz逐漸變化值15 kHz，得到傳感器的頻響特性曲線，結(jié)果如圖7所示. 結(jié)果表明，EFPI傳感器在0.1～3.0 kHz之間具有相對(duì)一致的靈敏度，靈敏度為-158 dB ( 參考值1 V/μPa). 該傳感器適應(yīng)于低頻段的聲壓探測(cè)工作.

圖8為當(dāng)輸入聲壓信號(hào)為頻率1 kHz，聲壓5.93 mPa時(shí)，傳感器輸出信號(hào)的功率譜密度圖. 系統(tǒng)具有-47.5 dBm的本底噪聲，輸出信號(hào)的信噪比為20 dB. 傳感器的最小可探測(cè)聲壓MDP為

(5)

圖7　EFPI傳感器頻響特性測(cè)試結(jié)果

其中：Pin為輸入聲壓，RSN為信噪比，Δf為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的頻譜分辨率，本實(shí)驗(yàn)中頻譜分辨率為2 Hz. 計(jì)算得到的最小可探測(cè)聲壓為419 μPa/Hz-0.5. 該結(jié)果小于文獻(xiàn)[7]中的結(jié)果(60 μPa/Hz-0.5). 從圖8中可以看出，傳感器的噪聲在<500 Hz時(shí)為1/f噪聲，在>500 Hz時(shí)為白噪聲. 這表明傳感器的噪聲主要為光電噪聲，可以通過(guò)增加探測(cè)光的功率來(lái)降低光電噪聲[14]. 因此，該傳感器的最小可探測(cè)聲壓值可以進(jìn)一步減小.

圖8　EFPI傳感器輸出信號(hào)功率譜密度

4結(jié)論

1)提出一種大面積銀薄膜轉(zhuǎn)移加工方法. 采用磁控濺射的方法加工銀薄膜，并利用基于犧牲層工藝的轉(zhuǎn)移工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)移封裝. 加工得到銀薄膜直徑為2.5 mm，厚度為130 nm. 薄膜表面平整度>20 μm.

2)加工得到的膜片式FP光纖聲壓傳感器在0.1～3.0 kHz頻帶內(nèi)具有一致的頻響特性,在1 kHz處的聲壓靈敏度為-158 dB ( 參考值 1 V/μPa ). 在0.001～1.250 Pa聲壓范圍內(nèi)，傳感器輸出響應(yīng)與入射聲壓之間具有良好的線性關(guān)系；其最小可探測(cè)聲壓為419 μPa/Hz-0.5.

3)所提出的加工方法可有效改善薄膜的平整性，具有良好的工藝性和可重復(fù)性，有助于傳感器的大規(guī)模加工. 加工得到的傳感器靈敏度高，適應(yīng)于低頻微弱聲壓探測(cè)工作.

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(編輯魏希柱)

High sensitivity Fabry-Perot fiber acoustic pressure sensor based on large area silver diaphragm

LIU Bin, LIU Huan, LIN Jie, JIN Peng

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, 150001 Harbin, China)

Abstract:In order to improve the flatness of the diaphragm and the ability of the diaphragm-based Fabry-Perot fiber acoustics sensor to detect weak acoustics signal, a large area silver diaphragm was fabricated by sputtered. The diaphragm was then transferred to the sensor head with a sacrifice layer. The diaphragm is as thin as 130 nm, while its diameter is 2.5 mm. Experimental result demonstrate that the flatness of the diaphragm is less than 20 μm. The fabricated sensor’s sensitivity is about -158 dB ( re 1 V/μPa) with a high linear pressure response range of 0.001-1.250 Pa. The noise equivalent acoustic signal level of 419 μPa·Hz(-0.5) at 1 kHz. The sensor exhibits a flat frequency response in the range of 0.1 kHz to 3 kHz. The diaphragm’s flatness is improved by the proposed method and the fabricated sensor is suitable to be useful for highly sensitive measurement of the weak pressure and sound field.

Keywords:Fabry-Perot； fiber sensor ；silver diaphragm ；high sensitivity ；acoustic measurement

中圖分類號(hào):TB512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)03-0011-04

通信作者:金鵬, p.jin@hit.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:劉彬(1987—),男，博士研究生；

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51275111).

收稿日期:2015-11-24.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.002

金鵬(1972—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.