激光加工硅片的膜片式法-珀干涉型光纤压力传感器*

刘 宇，王 萌，王 博，姜丽娟，王少华

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津300072;2.天津大学 光电信息技术教育部重点实验室，天津300072)

0 引 言

光纤法-珀压力传感器抗电磁干扰，结构多变，体积小巧，并能够忍受恶劣条件，广泛应用于航空、油井等领域的压力［1］与液位［2］测量以及桥梁［3］等大型建筑物健康监测中。基于膜片的非本征光纤法-珀干涉型［4，5］压力传感器由膜片直接感受压力，与本征型光纤法-珀压力传感器相比，传感器结构多样化［6］，且在不同压力测量场合可以选择适合的膜片材料［7，8］。根据光谱法解调的要求，并结合激光加工技术的优点和硅材料在光学及机械方面的优良特性，本文提出了采用激光加工硅片的膜片式光纤法-珀压力传感器，其制作过程快速、过程简单、操作简易，所制成的传感器压力响应灵敏度有所提高［9］。

1 传感器原理与结构

对于周边固定的圆形硅片在受均匀施加的压力时发生变形，硅膜片上与中心点距离为r 处的挠度为［10］

其中，p 为施加均匀压力的压强，a 为未约束硅膜片半径，h 为膜片厚度，E 为硅材料的杨氏模量，ν 为其泊松比。采用硅片作为膜片的膜片式光纤法-珀压力传感器头的结构示意图如图1。对硅片施加压力从而引起膜片变形，使得法-珀腔长在压力变化时发生线性的变化。硅片已经过抛光的A2 面与经光纤刀切割的端面平整的裸单模光纤端面A3 面构成法-珀腔的2 个反射面。光从光纤入射并经过法-珀腔的反射后再耦合入光纤。

图1 膜片式光纤法-珀传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of diaphragm-type optical fiber F-P sensor

一般将硅片的A1 面进行表面纹理化、即毛化处理，以消除外部杂散光的干扰和复合法-珀腔对光谱法解调的影响。设入射光的光强为Ii，反射耦合回光纤内的光强为Io，在不考虑损耗和色散的情况下，根据多光束干涉理论［11］，可知在没有复合法-珀腔，即只有2 个反射面A2 和A3 形成法-珀腔时的法-珀腔反射率［12］

其中，r1为A3 面的反射系数，r2为A2 面的反射系数，二者与反射面两侧材料有关且可根据菲涅尔定律计算，φ为参与干涉的两光束的相位差，n 为法-珀腔折射率，L 为法-珀腔长，λ 为入射光波长。若硅片A1 面为抛光面，则存在3 个反射面A1，A2 和A3 形成复合法珀腔，此时的法-珀腔反射率［13］

其中，r3为A1 面的反射系数，t1为A3 面的透射系数，t2为 A2 面的透射系数，t3为 A1 面的透射系数，，i=1，2，为光束经过第i 个法-珀腔后产生的相位差，Li为第i 个法-珀腔腔长。

若选取法-珀腔介质为空气、腔长L1=90 μm，膜片材料为硅、厚度L2=120 μm，不考虑光纤传输损耗和色散时，根据式(2)和式(4)可以分别计算出单个法-珀腔和复合法-珀腔的反射率，如图2 所示。由图可见，复合腔法-珀反射率同时受到了膜片形成的法-珀腔和实际空气法-珀腔的双重调制。因此，一般须将硅片A1 面进行毛化处理以消除复合法-珀腔对光谱法解调的影响，降低解调的难度。

图2 复合法-珀腔的反射率Fig 2 Reflections of compound F-P cavities

2 传感器制作

2.1 传感头的激光加工制作

对1 060 nm 波段的光，硅材料有较强烈的吸收。利用激光高能量、高脉冲，对物体表面按照设定的形貌和分布进行照射，使得被照射部位的硅材料急剧升温，发生急速融化、气化和冷却，在光照区域形成具有一定尺寸的凸凹的微结构，在硅膜片表面形成毛化效果［14～16］。改变激光器的参数并增加照射次数，可在硅片表面留下较深的蚀刻痕迹;经反复操作，则可将较薄的硅片切割成圆形以适合传感器封装。

采用实验室自行搭建的Nd∶YAG 脉冲激光器和精密三维控制系统组成的激光加工系统对两面抛光、厚度为30 μm的硅片中的一个表面进行毛化处理。激光加工系统光路如图3 所示，其中，2 个扫描振镜分别实现X 方向和Y 方向的扫描，动态聚焦镜调整激光聚焦位置，进行Z 向扫描，从而可完成三维结构的加工。激光加工系统输出功率、X 方向和Y 方向的激光扫描速度、声光Q 开关的调制频率以及图案的网格填充密度均可调。

图3 Nd∶YAG 脉冲激光器加工系统光路示意图Fig 3 Optical path diagram of Nd∶YAG pulse laser processing system

设定激光平均功率10 W，X 方向和Y 方向的激光扫描速度100 m/s，声光Q 开关的调制频率5 kHz，网格填充密度0.1 mm，在硅膜片表面进行一次扫描可以得到宽度约30 μm、深度约6 μm 的刻槽。将“正交网格型”图案输入激光加工系统中，放置硅片样品并对焦，按以上参数设置后对硅膜片进行表面纹理化处理，处理后的纹理如图4(a)所示。设定激光平均功率20 W，X 方向和Y 方向的激光扫描速度15 m/s，声光Q 开关的调制频率3 kHz，以圆形为图案在已经过毛化处理的硅片处反复照射9～10 次可将硅片以圆形为图案切割下来，如图4(b)所示。

图4 激光加工后的硅片Fig 4 Si chip after laser processing

2.2 传感器封装

采用热膨胀系数与硅材料相近的Pyrex7740 材料的玻璃毛细管作为传感器体。其一端有约500 μm 的沉孔以便形成法-珀腔，中部钻有直径约127 μm 的通孔以便已去除涂覆层的裸单模光纤从中穿过。将已经过激光毛化处理的圆形硅片其抛光一面朝向玻璃毛细管沉孔，两者中心对齐后用Loctite 454 胶在硅片周边小心涂抹，使其两者粘结。将裸单模光纤从通孔另一端穿入，当光纤端面与硅片抛光面相距约90 μm(即法-珀腔初始腔长，可通过光谱仪或低相干干涉仪实时测量)时，在玻璃毛细管尾部涂环氧胶以固定光纤位置。最后套入松套管以对光纤进行保护。封装好的压力传感器如图5 所示。

图5 封装好的压力传感器Fig 5 Packaged pressure sensor

3 压力测试实验与分析

采用高精度气压源提供稳定的40 ～240 kPa 静气压对已封装好的传感器在室温下进行压力测试，每20 kPa 采集反射光谱数据进行解调，并实时计算法-珀腔长，结果如图6所示。传感器压力灵敏度为 11.9 nm/kPa，线性度为1.51%。

图6 气压40 ～240 kPa 时的法-珀腔长Fig 6 Cavity length under air pressure range 40～240 kPa

4 结 论

本文采用Nd∶ YAG 激光加工系统对薄硅片进行了表面毛化处理以消除外部杂散光的干扰和复合法-珀腔对光谱解调的影响，采用激光进行切割处理，快速、精准，操作简单，适合硅膜片的规模化批量制作和传感器小批量快速制作以及研究的场合。压力实验表明:在低压范围内传感器线性度良好，灵敏度达到11.9 nm/kPa。而在传感器封装过程中胶的使用为传感器引入了不确定性，因此，激光熔接等技术有待应用于光纤法-珀传感器的封装过程中，以进一步完善传感器的全激光加工封装。

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