提高膜片式F-P腔光纤压力传感器灵敏度的试验研究

张慧君，张立喆，段玉培，陈喜

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

目前，在微型传感器的制作技术方面，微电子机械系统 (Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技术已成为光纤传感器制作领域的新方向。MEMS光纤压力传感器具有体积小、抗电磁干扰、动态范围大等优点，已广泛应用于航空航天、石油、化工等领域。并且由于MEMS器件易于大规模集成化生产，可以较大程度地降低传感器的成本［1－2］。

膜片式F-P腔光纤压力传感器是采用MEMS技术加工而成，结构如图1所示。由于MEMS工艺批量化生产的特点，同一批次传感器的灵敏度将具有较高的一致性。但是在实际应用中，不同的测试环境对传感器的数量和灵敏度要求各不相同，如果针对不同灵敏度，分别进行批量化生产，则会造成生产成本过高，经济化效益降低。因此，本文利用湿法腐蚀的方法对传感器进行膜片减薄试验，通过计算腐蚀速率，控制腐蚀时间，可以在一定范围内提高传感器的灵敏度，从而满足不同的测试需求。

1 膜片式压力传感器原理

图1 膜片式F-P腔光纤压力传感器结构图

膜片式F-P腔光纤压力传感器是基于法布里-珀罗干涉原理，采用MEMS技术加工而成，敏感膜片由Pyrex7740玻璃组成。当外界压力作用于膜片时，膜片发生形变，导致F-P腔腔长改变，从而引起干涉光谱的变化。通过监测干涉光谱，并对其进行解调，即可得到作用在膜片上的压力大小［3－4］。

根据弹性力学原理，压力变化Δp与腔长变化Δd的关系可以用表示为

式中:h为膜片厚度;r为膜片的有效半径;μ为膜片的泊松比;E为膜片的杨氏模量。

灵敏度Y可以表示为

理论上，Pyrex7740玻璃在25℃时的特性参数为:杨氏模量E=62.75×109Pa;泊松比μ=0.2。由上式可以看出，膜片厚度越小，有效半径越大，传感器的灵敏度越高。但有效半径的增加会导致传感器尺寸的增大，因此可以通过减小膜片厚度的方法来提高传感器的灵敏度［5］。

2 实验部分

对膜片的减薄可以通过氢氟酸的腐蚀来实现［6］。氢氟酸可以与二氧化硅反应生成络合物，其化学反应式为

一般情况下，氢氟酸对二氧化硅的腐蚀速率较快，在工艺上很难控制。因此，在实际应用中，常加入氟化铵 (NH4F)作为缓冲剂，从而保持稳定的腐蚀速率［7］，这种腐蚀溶液常称为缓冲氢氟酸腐蚀剂(BHF)。

将配制好的BHF溶液 (3mlHF溶液+6gNH4F+10mlH2O)倒入特氟龙容器中，盖上盖子，水浴加热。然后连接传感器与解调设备，将传感头放入BHF溶液中，开始腐蚀，记录时间，实时监测传感器的腔长值。根据腔长的变化值，可以计算出传感器灵敏度的变化，最终计算出膜片的腐蚀速率。由于玻璃中含有一些氧化物如CaO，Al2O3等，会与氢氟酸生成不溶物沉积在膜片表面，从而影响到腐蚀质量［8］。为了保证腐蚀的均匀性，在腐蚀过程中需用玻璃棒不断搅拌。腐蚀结束后，将传感头用去离子水冲洗，氮气吹干。

3 结果与讨论

3.1 HF浓度对腐蚀速率的影响

由于HF腐蚀性较强，HF的浓度很大程度上影响着膜片的腐蚀速率［9］。将BHF溶液加热至40℃，不同HF浓度下膜片的腐蚀速率如表1所示。从表1可以看出，随着HF浓度增大，膜片的腐蚀速率快速增加。当HF浓度增大到20%时，膜片表面较为粗糙，表明腐蚀速率过快。因此，为了较好地控制膜片的腐蚀速率，HF的浓度应为10%。

表1 不同HF浓度下的膜片腐蚀速率

3.2 温度对腐蚀速率的影响

温度是影响腐蚀速率的另一个重要因素。HF浓度为10%时，不同温度下测得的膜片腐蚀速率如表2所示。从表2可以看出，温度升高，膜片腐蚀速率不断增大。为了保证腐蚀后膜片的质量不受影响，最佳的腐蚀温度应选为40℃。此外，由于小范围的温度波动也会造成腐蚀速率发生变化，因此在腐蚀过程中必须严格控制温度。

表2 不同温度下的膜片腐蚀速率

3.3 膜厚及灵敏度

在腐蚀温度为40℃，HF浓度为10%时，选取编号为#1～#5的传感器进行膜片腐蚀。当腐蚀时间为5 min时，传感器#5光谱信号消失，表明膜片已经被过度腐蚀，其余传感器光谱信号正常。根据腐蚀过程中传感器腔长值的变化，可以计算出膜片腐蚀后的灵敏度，从而得到膜片的最终厚度，结果如表3所示。

表3 腐蚀后的膜片厚度

3.4 压力标定

在常温常压下，选取腐蚀后膜厚较小的两只传感器#1和#2，利用高精度压力测量设备对其分别进行了气压标定实验。其中，传感器#1腐蚀前后的压力标定曲线如图2～3所示。腐蚀前，传感器#1在0～180 kPa(绝压)范围内，灵敏度达到22.6 nm/kPa，曲线的线性度为0.9998，由于重复性较好，正负行程曲线基本重合。经计算，传感器的非线性误差为0.05%。腐蚀减薄后，传感器灵敏度可达到34.2 nm/kPa，与表3中的计算值基本符合，曲线的线性度为0.9997，正负行程曲线基本重合。此时传感器的非线性误差仍为0.05%，可实现0～120 kPa(绝压)范围内压力的准确测量。

对于传感器#2，腐蚀前，在0～200 kPa(绝压)范围内，灵敏度达到19.3 nm/kPa。传感器的非线性误差为0.05%。腐蚀减薄后，传感器的灵敏度可达到33.6 nm/kPa，与表3中的计算值基本符合。此时传感器的非线性误差为0.1%，可实现0～130 kPa(绝压)范围内压力的准确测量。

4 结论

图2 腐蚀减薄前传感器#1的压力标定曲线

图3 腐蚀减薄后传感器#1的压力标定曲线

膜片厚度决定了传感器的压力测量范围和灵敏度。为了满足不同测试环境对传感器灵敏度的不同要求，本文利用湿法腐蚀的方法对传感器进行膜片减薄试验，该方法工艺简单，成本低廉，可以在一定程度上提高传感器的压力灵敏度。试验表明，HF浓度和腐蚀温度对腐蚀速率有重要的影响，腐蚀后的膜片质量与腐蚀速率有关。压力标定结果表明，膜片减薄后，传感器的灵敏度可达34.2 nm/kPa，与计算值基本一致。其标定曲线的线性度为0.9997，传感器的非线性误差为0.05%，可满足0～120 kPa(绝压)范围内压力的准确测量。但由于过度的腐蚀会使传感头损坏的几率变大，此方法只能在一定范围内提高传感器的灵敏度。因此，进一步确定灵敏度的可变化范围以及实现灵敏度变化的精确控制将成为未来的研究重点。

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