银薄膜结构的高灵敏度Fabry-Perot光纤声压传感器

刘　彬， 刘　欢， 林　杰， 金　鹏

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，150001 哈尔滨)



银薄膜结构的高灵敏度Fabry-Perot光纤声压传感器

刘彬， 刘欢， 林杰， 金鹏

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，150001 哈尔滨)

摘要:为改善膜片式Fabry-Perot光纤声压传感器中悬空薄膜的平整度，提高其检测微弱声压的能力，提出一种大面积银薄膜转移加工方法. 采用磁控溅射沉积银薄膜，利用基于正性光刻胶的牺牲层工艺进行转移贴合. 银薄膜直径为2.5 mm，厚度为130 nm. 实验结果表明：银薄膜薄膜表面平整度<20 μm；加工得到的声压传感器在0.1～3.0 kHz频带范围内具有一致的频响特性，在1 kHz处的声压灵敏度为-158 dB ( 参考值 1 V/μPa). 在0.001～1.250 Pa声压范围内，传感器输出响应与入射声压之间具有良好的线性关系；最小可探测声压为419 μPa·Hz(-0.5). 所提出的加工方法可有效改善薄膜的平整性，并具有良好的工艺性和可重复性；加工得到的传感器适应于高灵敏度微弱声压探测工作.

关键词:Fabry-Perot；光纤传感器；银薄膜；高灵敏度；声压检测

非本征型膜片式Fabry-Perot干涉式光纤声压传感器(EFPI)由于具有较高的测量精度、较小的尺寸和较强的抗干扰能力而受到了越来越多的关注[1-2]. 由切割得到的光纤端面和声压敏感膜片构成Fabry-Perot(FP)腔的两个反射镜. 薄膜在外力作用下发生振动，从而导致FP腔的反射率发生变化. 通过检测这种变化可以得到外界声压的信息. 因此，声压敏感膜片的设计与加工决定传感器的整体性能指标. 石英薄膜[3-5]、硅薄膜[6]、石墨烯薄膜[7-8]、金属银薄膜[9-11]等材料均被人们广泛研究. 石英薄膜由于和光纤、毛细管等材料的热膨胀系数相一致，具有很好的温度特性. 但由于受到材料内应力的限制，很难利用传统的机械加工方法得到大面积的石英薄膜和硅薄膜[5]. 目前最薄的石英薄膜厚度为320 nm，采用电弧放电工艺加工，但是膜片直径小于光纤直径，不适于作为微弱声压检测[5]. 石墨烯材料虽然可以达到单原子层的厚度，利用多层石墨烯加工得到的光纤FP声压传感器的灵敏度可以达到1 100 nm/kPa，但是石墨烯的光学反射率较低，且转移贴合工艺不成熟[7]. 时金辉等利用化学电镀工艺加工得到纳米级的金属银薄膜，并将其用作压力敏感薄膜，得到的压力灵敏度为160 nm/Pa，但由于加工得到的银薄膜表面起伏较大，其结果不具有可重复性[9-10]. 本文提出一种基于大面积银薄膜的高灵敏度非本征Fabry-Perot干涉式光纤声压传感器. 利用磁控溅射方法加工得到银薄膜，并利用基于牺牲层工艺的转移贴合技术将薄膜贴合至玻璃石英管的端面处. 该方法具有简单、成本低、可重复等优势. 加工得到的薄膜具有平整性高. 得到的传感器灵敏度高，适应于高灵敏度低频声压探测工作.

1传感器的设计与加工

图1为所设计的光纤传感器结构, 利用固定在玻璃套管上的银薄膜作为声压敏感元件，玻璃套管的内径为2.5 mm, 单模光纤固定在外径为2.5 mm的陶瓷插芯上，并研磨平整,光纤端面和银薄膜组成FP腔.

图1　传感器结构

传感器的加工工艺流程如图2所示，具体步骤:1) 利用标准RCA清洗工艺对硅片进行清洗，并旋涂一层正性光刻胶作为牺牲层. 光刻胶的厚度大约为1 μm，如图2(a)所示. 2) 利用真空磁控溅射工艺，在光刻胶表面沉积一层厚度为130 nm厚的银薄膜. 溅射时在光刻胶表面放置一个由方形通孔阵列组成的掩膜，用于控制沉积银薄膜的形状，方孔的边长为5 mm，方孔阵列的周期长度为5.5 mm，通过控制沉积时间实现对薄膜厚度精确的控制，如图2(b)所示. 3) 在石英套筒端面涂覆一层厚度为1 μm的环氧胶(353ND)后，将其贴合在银薄膜表面. 放置在60 ℃的热烘板固化2 h. 所用石英套筒内径为2.5 mm. 涂覆环氧胶的工艺与文献中类似，如图2(c)所示. 4) 利用丙酮将正性光刻胶溶解，得到悬空的银薄膜，如图2(d)所示. 5) 将光纤插入玻璃套筒中完成FP传感器的封装，封装过程中利用光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6370C)实时监测FP腔腔长，如图2(e)所示. 6) 加工得到的传感器实物图如图2(f)所示.

图2　传感器加工工艺流程

2传感器结构表征

2.1银薄膜平整度表征

利用商用共焦显微镜(奥利巴斯，OLS 3000)对转移后的银薄膜表面平整度进行了测试. 图3为薄膜的表面轮廓图，测试面积为2.56 mm×2.56 mm，薄膜的表面起伏高度用不同的颜色表示. 从图3中可以得出表面平整度小于20 μm，转移得到的银薄膜具有很好的平整性. 表明该加工方法具有良好的工艺性和可行性，有助于传感器的大规模加工.

2.2传感器反射谱表征

多光束干涉的反射光强为

(1)

其中：δ=4πnl/λ为相邻光束的光程差；R1、R2分别为两个反射面的反射率；n为FP腔中介质的折射率，对于空气腔而言，n=1；l为FP腔的腔长；λ为入射光波波长；Iin为入射光功率；I0为反射光功率.

图3　银薄膜表面平整性测量

由于切割得到的光纤端面的反射率最高为3.6%，因此，多光束干涉会退化成双光束干涉，其表达式为

(2)

由式(2)可知，传感器的灵敏度随着反射率的增加而增加. 加工得到的传感器反射谱如图4所示. 干涉条纹对比度大约为25 dB. 在干涉条纹中，相邻两个波峰(谷)之间的光程差为入射光波长的整数倍，可得FP腔腔长为

(3)

其中λ1、λ2分别为干涉谱上相邻的两个波峰(或相邻的两个波谷)的波长. 取λ1=1 548.612nm, λ2=1 551.772nm，计算得到腔长L=380.24μm.

图4　封装得到EFPI的干涉谱

3传感器声学性能测试

3.1测试装置

采用如图5所示装置对传感器进行测试：在标准静音室中，将自制EFPI声压传感器与标准传声器(B&K4192)在声源声线两侧对称的位置，保证两个探头上接收到的声场完全一样. 利用信号发生器控制声源的频率和声压. 标准传声器(B&K 4192)的输出信号经过前置放大器(B&K 2690)后，经声压处理系统处理，得到入射声压的频率和幅值.

图5　声压测试实验装置

本文采用自补偿式强度解调方案进行传感器的解调[12-13]. C波段的ASE宽带光源经过环形器1照射EFPI声压传感器，其返回光再经过环形器2照射光纤布拉格光栅(FBG). 选用的FBG中心波长为1 550 nm，3 dB带宽为0.2 nm，反射率为99%. FBG的反射光经环形器2后利用光电接收器(PD1)进行采集，其透射光利用光电接收器(PD2)进行采集. 利用数据采集卡采集光电探测器的输出后，利用信号处理系统对采集型号进行处理，得到EFPI传感器的输出信号的频率和幅值. 利用标准传声器的输出结果作为参考值，从而得到自制EFPI传感器的灵敏度. 实验中通过调整FBG的工作温度控制其中心波长，使工作点保持在干涉谱的正交点上.

已知对于光谱宽度为Δλ，中心波长为λ0的光源，其相干长度Lc计算公式为

(4)

计算得到测量光的相干长度为12 mm，远大于封装得到的FP腔长；而参考光的相干长度为60 μm. FBG的反射光信号中不仅包含了待测信号，同时包含了光源涨落、光纤扰动等噪声；而FBG的透射光值只包含光源涨落、光纤扰动等噪声信息. 因此，利用FBG的透射光信号作为参考信号，即可消除测量信号中的噪声信息. 从而提高系统的抗干扰能力.

3.2传感器性能表征

固定声音频率为 1 kHz，将声压幅值Pin从1 mPa逐渐增至1.25 Pa，得到测试探头的输出响应Uout如图6所示. 由于测试声压幅值跨度较大，且集中在0.1 Pa以下，故利用对数坐标对结果进行说明. 拟合结果表明该膜片的形变对入射声压幅值具有良好的线性响应，线性相关度为0.998. 计算得到的声压灵敏度为12.21 mV/Pa 或 -158.26 dB ( 参考值1 V/μPa ) .

图6　EFPI传感器声压响应测试结果

控制声源的频率Fin从100 Hz逐渐变化值15 kHz，得到传感器的频响特性曲线，结果如图7所示. 结果表明，EFPI传感器在0.1～3.0 kHz之间具有相对一致的灵敏度，灵敏度为-158 dB ( 参考值1 V/μPa). 该传感器适应于低频段的声压探测工作.

图8为当输入声压信号为频率1 kHz，声压5.93 mPa时，传感器输出信号的功率谱密度图. 系统具有-47.5 dBm的本底噪声，输出信号的信噪比为20 dB. 传感器的最小可探测声压MDP为

(5)

图7　EFPI传感器频响特性测试结果

其中：Pin为输入声压，RSN为信噪比，Δf为数据采集系统的频谱分辨率，本实验中频谱分辨率为2 Hz. 计算得到的最小可探测声压为419 μPa/Hz-0.5. 该结果小于文献[7]中的结果(60 μPa/Hz-0.5). 从图8中可以看出，传感器的噪声在<500 Hz时为1/f噪声，在>500 Hz时为白噪声. 这表明传感器的噪声主要为光电噪声，可以通过增加探测光的功率来降低光电噪声[14]. 因此，该传感器的最小可探测声压值可以进一步减小.

图8　EFPI传感器输出信号功率谱密度

4结论

1)提出一种大面积银薄膜转移加工方法. 采用磁控溅射的方法加工银薄膜，并利用基于牺牲层工艺的转移工艺进行转移封装. 加工得到银薄膜直径为2.5 mm，厚度为130 nm. 薄膜表面平整度>20 μm.

2)加工得到的膜片式FP光纤声压传感器在0.1～3.0 kHz频带内具有一致的频响特性,在1 kHz处的声压灵敏度为-158 dB ( 参考值 1 V/μPa ). 在0.001～1.250 Pa声压范围内，传感器输出响应与入射声压之间具有良好的线性关系；其最小可探测声压为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，具有良好的工艺性和可重复性，有助于传感器的大规模加工. 加工得到的传感器灵敏度高，适应于低频微弱声压探测工作.

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(编辑魏希柱)

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

中图分类号:TB512

文献标志码:A

文章编号:0367-6234(2016)03-0011-04

通信作者:金鹏, p.jin@hit.edu.cn.

作者简介:刘彬(1987—),男，博士研究生；

基金项目:国家自然科学基金(51275111).

收稿日期:2015-11-24.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.002

金鹏(1972—)，男，教授，博士生导师.