基于F-P腔的光纤MEMS压力传感器

赵琴琴，江 毅

(北京理工大学光电学院，北京 100081)

0 引言

光纤压力传感器具有耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、响应速度快、灵敏度高、体积小、质量轻等优势，广泛地应用于航天、工业、军事等领域[1-3]。光纤压力传感器种类繁多，其中Fabry-Perot干涉式传感器分辨率高、性能优异，已成为目前最有前景的一种光纤压力传感器[4-5]。MEMS技术具有成本低、功耗低、高性能和集成化等优点，为膜片式压力传感器的制造提供了技术支持。随着光纤传感技术与MEMS技术的不断发展，将两者结合制作光纤MEMS传感器成为一大研究热点，引起了国内外的广泛研究[6-9]。本文选用具有稳定性好、热膨胀系数与Pyrex7740玻璃相近的硅片作为传感膜片，通过阳极键合技术将硅片与Pyrex7740玻璃键合构成基于F-P腔的传感头，并测试了压力传感器的压力特性，显示了良好的线性特性。

1 传感器结构及制作基本原理

光纤MEMS压力传感器结构如图1所示。传感器由传感头、光纤准直器和光纤3部分构成，其中传感头包括硅片、F-P腔体、Pyrex7740玻璃3部分。硅片与Pyrex7740玻璃之间的间隙形成F-P腔，传感头与光纤准直器用UV胶粘合构成传感器。

图1 光纤MEMS压力传感器结构图

光纤MEMS压力传感器的制作过程如下：首先，硅片和Pyrex7740玻璃通过阳极键合构成基于F-P腔的传感头。实验中采用边长为5 mm、厚度为300 μm的的硅片和边长为5 mm、厚度为400 μm的Pyrex7740玻璃。将清洗过的硅片双面氧化一层二氧化硅，再双面沉积一层氮化硅，如图2(a)所示；利用光刻技术和反应离子刻蚀技术选择性地去除硅片顶面的二氧化硅和氮化硅，如图2(b)所示；利用刻蚀技术在硅片底面形成一个直径为1.9 mm，深度为160 μm左右的空腔，同时，在硅片顶面构造一个直径为3 mm的圆形槽使硅膜片的厚度降低至55 μm，如图2(c)所示；利用磁控溅射技术将金膜溅射在硅片底面的空腔内以提高反射率，如图2(d)所示；然后，去除硅片表面二氧化硅和氮化硅，如图2(e)所示；最后，将硅片和Pyrex7740玻璃利用阳极键合工艺粘结在一起构成传感头，如图2(f)所示，其中阳极键合需要在高温、高压、真空、压力等条件下完成[10-11]。

(a)氧化并沉积氮化硅

(b)光刻

(c)刻蚀硅片

(d)溅射金膜

(f)阳极键合

接下来，是传感头与光纤准直器对准的过程。实验中采用规格为C-lens2.4*10的单纤准直器，其作用是将光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的准直光。使用特殊夹具将传感头和光纤准直器分别固定在两个五维超精密移动平台上，其中固定传感头的五维移动平台保持不动，手动调节固定光纤准直器的五维移动平台，同时观察光谱仪显示的干涉信号，当调节出对比度大且成正弦变化的干涉信号时则表示传感头与光纤准直器对准良好。将光纤准直器固定在五维移动平台上的夹具结构如图3(a)所示，在一块不锈钢板的上端，开一个V型槽，光纤准直器被固定于V型槽和压板之间，压板利用螺钉与带有V型槽的不锈钢板块配合。传感头的厚度只有700 μm，固定较为困难，实验中采用如图3(b)所示的不锈钢基座，它底面的中心位置开有边长为5 mm、深度为0.5 mm的方槽，方便将传感头定位在不锈钢基座底面的中心位置。将传感头的玻璃面与不锈钢基座底面用EPO-TEX353ND双组份环氧胶粘结，再将不锈钢基座与传感头的结合体用V型槽夹具固定在五维移动平台上，为了使紫外光能照射到涂抹在传感头与光纤准直器交界面的UV胶上，便于UV胶固化，在不锈钢基座两侧各开一个圆孔。

(a)V型槽夹具(b)不锈钢基座图3 光纤准直器与传感头固定

最后，将传感头与光纤准直器粘结。实验中采用UV胶，在传感头和光纤准直器接触面涂抹适量UV胶，用紫外灯照射5 min即可完成固化。UV胶有两重作用，一方面实现传感头与光纤准直器连接，另一方面防止Pyrex7740玻璃与准直器连接的面产生第三束反射光从而影响干涉信号。

2 传感器基本原理

宽带光源发出的光通过光纤耦合进入到传感器中，在传感器F-P腔的硅片、Pyrex7740玻璃表面反射来形成双光束干涉。当压力作用在硅膜表面使其发生形变时，F-P腔的空气间隙发生变化，即腔长d变化，导致干涉信号的光谱发生变化，通过光纤白光干涉解调技术可获得腔长d，从而得到压力值。

根据弹性力学原理，硅膜受到外界压力后形变情况如式(1)所示：

(1)

式中：w为硅膜挠度，m；p为外界压力，Pa；E为硅的杨氏模量，Pa；μ为硅的泊松比；h为硅膜的厚度，m；R为硅膜半径，m；r为硅膜任意部位的半径，m。

由式(1)可得在硅膜的中心点(r=0)处，压力变化Δp与腔长变化Δd之间的关系如式(2)所示：

(2)

可以看出E、μ为常量，因此在相同腔长改变下，h越小，R越大，能敏感到的压力变化Δp越小，即灵敏度越高，灵敏度表达式如式(2)所示[6]：

(3)

白光干涉光谱受腔长d的调制，而腔长d又受压力p的调制。干涉条纹强度I是腔长d和波长λ的函数，可简单描述为

(4)

式中：a(λ)为宽带光源引入的光谱轮廓；b(λ)为白光干涉光谱的条纹对比度变化；d为传感器F-P腔腔长。

光纤白光干涉技术实际上是通过确定白光光谱中相位相差为2π的2个波长λ1、λ2来测量干涉仪的光程差L。对于光纤F-P类传感器，光程差L为传感器腔长d的2倍，F-P腔中介质为空气，则传感器腔长测量公式为[12-13]

(5)

3 实验结果及分析

3.1 实验系统

实验采用实验室自行研制的光纤白光干涉解调仪对光纤MEMS压力传感器进行腔长解调，该解调仪内置波长扫描光纤激光器作为光源，用自制的可调谐F-P滤波器作为波长扫描器件，滤波器波长扫描范围为100 nm,线宽为0.17 nm,损耗为1.5 dB,PC端具有LabVIEW腔长解调程序。该白光干涉解调仪适用于EFPI类传感器解调，测量范围为20～10 000 μm，分辨率为 0.1 μm，最高测量分辨率达到0.1 nm。压力控制系统由测试压力腔、气压表、空压机构成，其中测试压力腔由实验室自行研制，可加压范围为0～1 MPa，气密性良好且具有2路光纤传感器连接口，气压表精度为 ±0.06%。压力特性实验系统如图4所示，将传感器置于压力腔中，启动加压设备使压力缓慢增加,待压力稳定时，光纤MEMS压力传感器的腔长 可以从白光干涉解调仪读出。

图4 压力测试实验系统原理图

3.2 实验数据分析

制作完成后的光纤MEMS压力传感器干涉信号光谱如图5所示，可以看出，干涉条纹平滑，损耗为5 dB。在室温27 ℃且大气压下，对传感器进行了稳定性测试，该光纤MEMS压力传感器的初始腔长测量结果如图6所示，可以看出腔长最小值为 163.239 5 μm，最大值为163.242 3 μm，平均分布在163.241 0 μm，故认定初始腔长为163.241 0 μm。多次测量数据表明，腔长变化只有1.5 nm。

图5 光纤MEMS压力传感器光谱图

图6 光纤MEMS压力传感器初始腔长

室温27 ℃下，对该传感器进行压力特性测试，压力由0逐次增压至1 MPa过程中，每增压约0.1 MPa记录1次数据，实验结果如图7所示，腔长随压力增加成线性递减关系，腔长-压力拟合直线为y=-5.14x+163.31，线性度为99.97%，则传感器的腔长-压力灵敏度为5.14 μm/MPa。压力由1 MPa逐次减压至0过程中，每减压约0.1 MPa记录1次数据，腔长随压力减小成线性递增关系，腔长-压力拟合直线为y=-5.14x+163.29，线性度为99.92%，则传感器的腔长-压力灵敏度为5.14 μm/MPa，增压和减压实验中,测得的腔长-压力灵敏度相同，表明传感器的重复性较好。实验中，硅膜片厚度为55 μm，有效半径为0.95 mm，理想情况下，该传感器腔长-压力灵敏度为5.45 μm/MPa，实验所得腔长-压力灵敏度与理论计算存在一定误差，误差来源包括传感器制作过程中硅膜片厚度和有效半径的制作误差以及实验过程中压力控制装置存在轻微泄漏引入的误差。

图7 正反行程腔长与压力关系拟合曲线

对该传感器进行温度实验，将传感器置于温度0～100 ℃可调的保温炉中，从室温27 ℃开始升温，每升温10 ℃读取1次数据，实验结果如图8所示，腔长随温度增加成线性递增关系，腔长-温度拟合直线为y=0.002 6x+163.17，线性度为99.28%，则传感器的温度灵敏度为2.6 nm/℃。温漂的来源包括硅片和Pyrex7740玻璃的热膨胀以及传感头玻璃面与不锈钢基座粘结处EPO-TEX353ND双组份环氧胶的热膨胀。

图8 腔长与温度关系拟合曲线

4 结论

设计并制作了一种基于非本征型法布里-珀罗腔的光纤MEMS压力传感器，总体直径为8 mm，长度小于12 mm，既具有光纤传感器体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，兼具MEMS器件可靠性高、成本低、易批量生产等优点。该传感器在0～1 MPa范围内具有0.999的线性度，腔长-压力灵敏度为5.14 μm/MPa，稳定性好，重复性高，具有很强的工程应用价值，但仍需改进加工工艺，使传感器能够应用于更高温度的环境中，并且进一步减小温漂效应。