基于F-P腔的光纖MEMS壓力傳感器

趙琴琴，江 毅

(北京理工大學(xué)光電學(xué)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(shì)，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(diǎn)，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(diǎn)，引起了國(guó)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(yáng)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(cè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yáng)極鍵合構(gòu)成基于F-P腔的傳感頭。實(shí)驗(yàn)中采用邊長(zhǎng)為5 mm、厚度為300 μm的的硅片和邊長(zhǎng)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(gè)直徑為1.9 mm，深度為160 μm左右的空腔，同時(shí)，在硅片頂面構(gòu)造一個(gè)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極鍵合

接下來(lái)，是傳感頭與光纖準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)的過程。實(shí)驗(yàn)中采用規(guī)格為C-lens2.4*10的單纖準(zhǔn)直器，其作用是將光纖輸出的光準(zhǔn)直為腰斑較大而發(fā)散角較小的準(zhǔn)直光。使用特殊夾具將傳感頭和光纖準(zhǔn)直器分別固定在兩個(gè)五維超精密移動(dòng)平臺(tái)上，其中固定傳感頭的五維移動(dòng)平臺(tái)保持不動(dòng)，手動(dòng)調(diào)節(jié)固定光纖準(zhǔn)直器的五維移動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)觀察光譜儀顯示的干涉信號(hào)，當(dāng)調(diào)節(jié)出對(duì)比度大且成正弦變化的干涉信號(hào)時(shí)則表示傳感頭與光纖準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)良好。將光纖準(zhǔn)直器固定在五維移動(dòng)平臺(tái)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(gè)V型槽，光纖準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)平臺(tái)上，為了使紫外光能照射到涂抹在傳感頭與光纖準(zhǔn)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(gè)圓孔。

(a)V型槽夾具(b)不銹鋼基座圖3 光纖準(zhǔn)直器與傳感頭固定

最后，將傳感頭與光纖準(zhǔn)直器粘結(jié)。實(shí)驗(yàn)中采用UV膠，在傳感頭和光纖準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)傳感頭與光纖準(zhǔn)直器連接，另一方面防止Pyrex7740玻璃與準(zhǔn)直器連接的面產(chǎn)生第三束反射光從而影響干涉信號(hào)。

2 傳感器基本原理

寬帶光源發(fā)出的光通過光纖耦合進(jìn)入到傳感器中，在傳感器F-P腔的硅片、Pyrex7740玻璃表面反射來(lái)形成雙光束干涉。當(dāng)壓力作用在硅膜表面使其發(fā)生形變時(shí)，F(xiàn)-P腔的空氣間隙發(fā)生變化，即腔長(zhǎng)d變化，導(dǎo)致干涉信號(hào)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(zhǎng)d，從而得到壓力值。

根據(jù)彈性力學(xué)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(diǎn)(r=0)處，壓力變化Δp與腔長(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)式如式(2)所示[6]：

(3)

白光干涉光譜受腔長(zhǎng)d的調(diào)制，而腔長(zhǎng)d又受壓力p的調(diào)制。干涉條紋強(qiáng)度I是腔長(zhǎng)d和波長(zhǎng)λ的函數(shù)，可簡(jiǎn)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(duì)比度變化；d為傳感器F-P腔腔長(zhǎng)。

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

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的光纖白光干涉解調(diào)儀對(duì)光纖MEMS壓力傳感器進(jìn)行腔長(zhǎng)解調(diào)，該解調(diào)儀內(nèi)置波長(zhǎng)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(zhǎng)掃描器件，濾波器波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)量范圍為20～10 000 μm，分辨率為 0.1 μm，最高測(cè)量分辨率達(dá)到0.1 nm。壓力控制系統(tǒng)由測(cè)試壓力腔、氣壓表、空壓機(jī)構(gòu)成，其中測(cè)試壓力腔由實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，將傳感器置于壓力腔中，啟動(dòng)加壓設(shè)備使壓力緩慢增加,待壓力穩(wěn)定時(shí)，光纖MEMS壓力傳感器的腔長(zhǎng) 可以從白光干涉解調(diào)儀讀出。

圖4 壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

制作完成后的光纖MEMS壓力傳感器干涉信號(hào)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(duì)傳感器進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，該光纖MEMS壓力傳感器的初始腔長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果如圖6所示，可以看出腔長(zhǎng)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(rèn)定初始腔長(zhǎng)為163.241 0 μm。多次測(cè)量數(shù)據(jù)表明，腔長(zhǎng)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(zhǎng)

室溫27 ℃下，對(duì)該傳感器進(jìn)行壓力特性測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，腔長(zhǎng)隨壓力增加成線性遞減關(guān)系，腔長(zhǎng)-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(zhǎng)-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(zhǎng)隨壓力減小成線性遞增關(guān)系，腔長(zhǎng)-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(zhǎng)-壓力靈敏度為5.14 μm/MPa，增壓和減壓實(shí)驗(yàn)中,測(cè)得的腔長(zhǎng)-壓力靈敏度相同，表明傳感器的重復(fù)性較好。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)-壓力靈敏度為5.45 μm/MPa，實(shí)驗(yàn)所得腔長(zhǎng)-壓力靈敏度與理論計(jì)算存在一定誤差，誤差來(lái)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)與壓力關(guān)系擬合曲線

對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，腔長(zhǎng)隨溫度增加成線性遞增關(guān)系，腔長(zhǎng)-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(lái)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(zhǎng)與溫度關(guān)系擬合曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(diǎn)，兼具M(jìn)EMS器件可靠性高、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器在0～1 MPa范圍內(nèi)具有0.999的線性度，腔長(zhǎng)-壓力靈敏度為5.14 μm/MPa，穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值，但仍需改進(jìn)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(jìn)一步減小溫漂效應(yīng)。