EFPI式光纖聲壓傳感器中敏感薄膜設計與分析

解濤 楊志 王文軍 吳宇 劉濤

摘? 要：針對非本征F-P干涉儀式光纖聲壓傳感器中的聲壓敏感薄膜性能提升，設計并制備了不同厚度和不同增敏環(huán)數(shù)的聲壓敏感薄膜結構。對不同聲壓敏感薄膜感知聲壓的性能進行測試。結果表明：聲壓敏感薄膜的厚度越薄，其聲壓靈敏度越大，對比400 nm厚度和1 000 nm厚度的聲壓敏感薄膜，發(fā)現(xiàn)在相同聲壓的聲波作用下，前者的輸出電壓比后者大一個數(shù)量級。此外，增加增敏環(huán)數(shù)可以有效地釋放應力，降低薄膜的剛性，使得聲壓傳感器的性能有所提升。

關鍵詞：微光電子機械系統(tǒng);F-P干涉;光纖傳感;聲壓傳感器;增敏結構

中圖分類號：TP212? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0035-03

Abstract：In order to improve the performance of acoustic pressure sensitive film in extrinsic F-P interferometric fiber optic acoustic pressure sensor，the structures of acoustic pressure sensitive films with different thickness and different number of sensitizing rings were designed and fabricated. The performance of different sound pressure sensitive films was tested. The results showed that the thinner the thickness of the sound pressure sensitive film was，the greater the sound pressure sensitivity was. Compared with the sound pressure sensitive film with 400 nm thickness and 1 000 nm thickness，it was found that the output voltage of the former is one order of magnitude larger than that of the latter under the same sound pressure. In addition，increasing the number of sensitizing rings could effectively relieve the stress，reduce the rigidity of the film and improve the performance of the sound pressure sensor.

Keywords：MOEMS;F-P interference;optical fiber sensing;acoustic pressure sensor;sensitization configuration

0? 引? 言

基于非本征法珀干涉儀（Extrinsic Fabry-Perot Interfero- meter，EFPI）式光纖聲壓傳感器需要構建兩個反射面來形成F-P干涉，膜片式的敏感結構由于其方便制備，靈敏度高等特點常常與光纖端面構成F-P干涉腔。外界聲壓信號作用在敏感膜片上，發(fā)生微小的形變，這會引起F-P干涉腔腔長的變化，從而引起干涉光譜的波動，通過檢測光譜波動來檢測還原外界聲波的相關信息。敏感膜片的制備方式很多，其中MEMS加工工藝以其加工精度高、設計靈活、一致性高、易批量化生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢成為研究的熱點。MEMS加工工藝是以硅材料作為基礎材料，所以加工的膜片敏感結構材料多數(shù)為硅、氮化硅或者氧化硅等。在MEMS加工工藝中，氧化硅薄膜通常采用熱氧化和化學氣相淀積（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方法制備成膜，氮化硅薄膜也可以利用CVD工藝制作，而硅膜多數(shù)是采用干法刻蝕或者濕法腐蝕的方法制備得到，因此上述這些材料由于其多種兼容的制備工藝方法被廣泛用作敏感膜片材料[1-3]。目前對膜片式聲敏結構相關增敏設計的EFPI光纖聲壓傳感器報道不多[4-8]。2006年，Guo等人通過制備多層薄膜復合結構得到基于F-P干涉的光纖壓力傳感器，并將其用于血壓監(jiān)測領域[4]。宮奎等人采用MEMS先進加工工藝，制備了二氧化硅敏感結構同時引入了“波紋”結構，發(fā)現(xiàn)“波紋”結構的加入有效地釋放了薄膜應力，消除了薄膜應力造成的敏感結構皺褶，可以廣泛地應用在基于二氧化硅敏感結構的傳感器中[8]?？紤]到MEMS加工工藝對材料的限制和工藝的兼容性，增敏結構多以硅、氧化硅和氮化硅材料為主。

1? EFPI式光纖聲壓傳感器的基本原理

EFPI式光纖聲壓傳感器的基本原理是采用光作為聲波信息的傳輸媒介，用光檢測出由聲波信號引起敏感結構的微小形變，在通過光電轉化將聲波信號還原成電學信號，從而實現(xiàn)感知聲波的功能，其還原過程經(jīng)歷了由聲波到機械振動，再到光，最后轉化為電參數(shù)。本文應用光纖端面和敏感結構作為2個反射面，形成F-P干涉。

參考雙光束干涉了理論模型，對于本文中涉及的EFPI式聲壓傳感器，其干涉得到的光強可表示為：

式中，I1（λ）是單模光纖端面反射的光強，I2（λ）是經(jīng)敏感結構反射后耦合進光纖的光強。其中光強與波長成強相關。λ和L分別為光波長和F-P腔的腔長。外界聲壓信號作用在敏感結構上時，對導致敏感結構的微小形變，從而導致F-P腔的腔長變化，引起干涉光譜的變化。在敏感結構的線性動態(tài)范圍內(nèi)，聲壓P與腔長變化ΔL的關系可表示為：

式（2）中，A為常數(shù)。根據(jù)式（1），當F-P腔長發(fā)生ΔL變化時，反射光強會產(chǎn)生ΔI（λ）的變化。

2? MEMS聲壓敏感薄膜結構設計與工藝實現(xiàn)

MEMS聲壓敏感薄膜是決定聲壓傳感器靈敏度的關鍵結構，MEMS聲壓敏感薄膜主要作用有兩方面：（1）對聲壓信號敏感，在相同的聲壓作用下，不同的敏感薄膜結構設計會導致不同F(xiàn)-P腔長變化，聲壓敏感薄膜設計在很大程度上將會決定傳感器靈敏度和信噪比等關鍵指標;（2）聲壓敏感薄膜作為F-P腔的一個反射面，其反射率（對1 550 nm波長的光）要與光纖端面和初始F-P腔長互相匹配，得到光譜的最優(yōu)消光比。

針對聲壓敏感薄膜和后端傳感器探頭封裝，設計工藝流程如圖1所示。

聲壓敏感薄膜主要的工藝流程按照如下步驟順序進行：（1）Si片準備;（2）增敏結構刻蝕，利用RIE刻蝕在硅片刻蝕增敏結構;（3）薄膜生長，考慮到后續(xù)的硅刻蝕工藝和圓片級鍵合工藝，聲壓敏感薄膜采用氧化硅薄膜，設計了兩種厚度分別為500 nm和1 000 nm;（4）薄膜刻蝕，采用RIE刻蝕技術，刻蝕氧化層;（5）硅刻蝕，采用DRIE刻蝕對硅進行刻蝕，刻蝕至氧化層截止;（6）Si片準備;（7）反射腔刻蝕，采用RIE刻蝕技術，形成光學F-P腔室，為聲壓敏感薄膜提供結構支撐;（8）通氣孔刻蝕，采用DRIE通孔深硅刻蝕工藝，刻蝕硅形成通孔，滿足聲壓敏感薄膜兩側氣壓平衡;（9）通光孔刻蝕，采用RIE刻蝕技術，為光纖端面出射的光能與聲壓敏感薄膜形成F-P干涉;（10）光纖槽刻蝕，帶陶瓷插芯的光纖可以直接插入預留好的光纖槽，光纖槽可以自對準和限位，減少人為組裝帶來的誤差，提高一致性;（11）圓片級鍵合，采用圓片級鍵合技術，將光學設計腔室與聲壓敏感薄膜實現(xiàn)高精度對位對準集成。

其中，圓片級鍵合集成技術是指硅圓片做完相應的加工工藝，沒有劃片，經(jīng)過對位和鍵合工藝就可以完成對整個圓片上所有芯片的集成。由于圓片級集成每層圓片的成品率以及不合格芯片的相對位置不同，且無法篩除不合格的芯片，從而會導致某一層的不合格芯片浪費其集成對應位置的芯片，因此圓片級集成要求每層圓片的成品率都非常高。圓片級鍵合集成效率高，可以一次性地完成圓片上所有結構的堆疊，大幅提高生產(chǎn)效率，自動化操作且對準精度高，一致性好，這也是本文選擇圓片級鍵合集成技術的原因。

按照上文敘述的MEMS加工流程進行流片，加工出按照設計的敏感結構芯片，如圖2所示。圖2（b）是聚焦到敏感薄膜表面，可以看到增敏結構，表示的是5個環(huán)形的增敏結構。在聲壓敏感薄膜設計過程中分別設計了無增敏結構、1環(huán)增敏結構、3環(huán)增敏結構和5環(huán)增敏結構4種聲壓敏感薄膜，下文將對不同聲壓敏感薄膜設計展開相關性能測試。

3? MOMES光纖聲壓傳感器的性能測試

聲波性能測試原理示意圖如圖3所示，采用光功率為100 mW的ASE光源作為光纖聲波傳感器的入射光源，用環(huán)形器將光源，聲波敏感結構和光電探測器連接起來，保證光從光源射出后，經(jīng)過聲波敏感結構的反射后重新耦合進光纖，最后經(jīng)過光電探測器轉化為電學信號。得到的電學信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉化為數(shù)字信號，傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)過上位機軟件LabVIEW解調(diào)運算，還原聲波信息。在測試過程中，將型號為RST6000、靈敏度為36 mV/Pa的電學傳聲器作為參考聲波傳感器。制備的傳感器與參考傳感器放置同一位置，近似認為接受相同的聲波信號。參考聲波傳感器是經(jīng)過嚴格標準校準的，其頻響曲線是很平坦的。根據(jù)參考聲波傳感器的聲壓靈敏度和輸出電壓值可以算出傳感器接受聲壓的大小。

通過音頻分析儀對聲源進行設置，發(fā)出頻率1 kHz，聲壓為80 mPa的聲波，分別對設計的兩種厚度的聲壓敏感薄膜和不同增敏環(huán)數(shù)的敏感結構進行測試，測試輸出電壓隨著時間的變化曲線如圖4所示。圖4（a）是聲壓敏感薄膜厚度為400 nm的輸出，而圖4（b）是聲壓敏感薄膜為1 000 nm的輸出。以增敏環(huán)數(shù)為5環(huán)的敏感結構為例，從圖中可以得到聲壓敏感薄膜為400 nm的輸出電壓比聲壓敏感薄膜為1 000 nm的高出一個數(shù)量級，400 nm的輸出電壓為0.31 V，而相同聲壓下，1 000 nm的輸出電壓為0.03 V。因此，聲壓敏感薄膜厚度越薄，其聲壓傳感器的靈敏度越高。此外，隨著增敏環(huán)數(shù)的增加，其聲壓傳感器的輸出電壓值也不斷地增加，但是環(huán)數(shù)從3變到5，改變的程度遠遠小于從，1變到3的。說明增敏環(huán)數(shù)的增加能有效地提高傳感器的靈敏度，但是環(huán)數(shù)數(shù)目增加得越多，其增加的程度越小。

4? 結? 論

本文設計不同敏感結構的薄膜，并將其應用到了EFPI式光纖聲壓傳感器中，通過對聲壓敏感薄膜厚度和增敏結構環(huán)數(shù)的研究表明：聲壓敏感薄膜越薄其對聲壓感知越靈敏，對相同聲壓的聲波信號，400 nm厚的敏感結構的光纖聲壓傳感器其輸出電壓要比1 000 nm厚的敏感結構的輸出電壓大一個數(shù)量級。同時，針對不同增敏環(huán)數(shù)的測試結果表明，增敏環(huán)數(shù)的增加能有效地釋放薄膜的應力，改變聲壓敏感薄膜的剛性，提高聲壓靈敏度，通過這兩種調(diào)節(jié)手段可以有效地改變聲壓傳感器的靈敏度，為制備高性能光纖聲壓傳感器打下堅實的基礎。

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作者簡介：解濤（1986—），男，漢族，黑龍江伊春人，工程師，博士研究生，研究方向：傳感器和工藝研究。