光纤MEMS传感概述

林灿伟，熊 力，李 蓓，黄文彬

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400）

传感器在人们日常生活中已经得到了广泛的应用，以我们日常生活中常用的手机为例，一款普通的智能机往往内置了十几只传感器，例如：加速度计、气压计、陀螺仪、指纹传感器、压力传感器、红外传感器、RGB 光线传感器、霍尔传感器、磁场传感器、紫外传感器、GPS/北斗等。随着传感器的广泛应用，在其他特殊行业也涌现出了大量的特殊场景或用途的传感，例如在汽车行业：毫米波雷达/激光雷达/超声波雷达/红外传感器/摄像头五大类传感器。在测高温领域出现了热电偶温度传感器。在测量气体领域出现了各种化学法和气象法的传感器。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）又称微机械系统和微系统，是指尺寸为几毫米甚至几微米的高科技器件。目前，微纳尺度工业普遍采用的是加工制造结构。这些都被称为微纳加工技术。MEMS 专注于超精密加工，涉及材料、微电子、力学、化学、力学、生物等诸多领域。MEMS 传感器涉及电、力、声、光、磁等微尺度领域，是一门复杂的交叉学科。它是科学技术在人类发展中交叉融合的结晶。

随着传输媒介光纤的问世，传感器这个大门类得到进一步的发展，出现新的一个光纤传感器。光纤传感器（fibre optic senso）的迅速发展始于20 世纪70 年代，即用光纤进行刻蚀光栅然后进行封装做传感器。至今光纤传感器的发展已日趋成熟，并在光纤传感器的基础上发展出了光纤MEMS 传感器。这一新技术在保留了光纤传感器的无源、抗干扰特性，充分融合光纤传感的抗干扰、耐事故能力强的优点的同时，在小型化、高精度方面又有进一步提升，可广泛应用于强电磁场、高温、烟雾等特殊场景。

1.光纤MEMS 传感系统

光纤MEMS 传感系统由MEMS 传感器、连接光纤、解调仪三部分组成。

解调仪主要是发出激光源后检测传感器返回的光波谱变化。一般可分为光强调制和波长调制、相位调制三种[1]，根据不同的精度要求以及不同传感器原理配套不同的解调技术。光源通常采用放大自辐射（ASE），光谱范围一般在1529-1564nm，光源光纤部分负责连接光纤与传感器，通常采用单模光纤。传感器是无源结构，传输以及检测完全依靠光信号，根据特定的结构或材质反馈被测量的变化。

2.MEMS 光纤传感器的制作工艺

以光纤MEMS 压力传感为例，要制作成传感器结构如图1所示。传感器由传感部、光纤准直器和光纤3 部分构成，其中传感部包括硅片、F-P（法布尔·珀罗 Fabry-Perot）谐振腔体、玻璃三部分。硅片与玻璃之间的会形成一个腔体，通常简称为的F-P 腔，传感部和光纤准直器通常会使用UV 胶黏合的方式固定，构成传感器。

图1 光纤传感器系统架构图

图2 MEMS 光纤传感器结构图

光纤MEMS 压力传感器的制作过程如下：首先，将硅片与硼硅酸盐玻璃（pyrex7740 玻璃）阳极连接，形成基于F-P 腔的传感头。在清洁的硅片的两侧氧化一层二氧化硅，然后在两侧沉积一层氮化硅，如图3(1) 所示，氮化硅沉积是运用低压化学气相化学沉积（LPCVD-Low Pressure Chemical Vapor Deposition）工艺，其特点是具有很好的抗KOH 腐蚀的特性[2]；通过光刻和反应离子刻蚀选择性地去除硅片顶部的二氧化硅和氮化硅，如图3（2）所示；采用光刻和湿法刻蚀相结合的方法在硅片的底面上制备了一个空腔，同时，在硅片的顶面上构造凹槽结构以减小硅膜片的厚度，如图3（3）所示；采用真空溅射镀膜技术，在硅片底面的空腔中溅射金膜，以提高反射率，如图3（4）所示；然后去除硅片表面的二氧化硅和氮化硅，如图3（5）所示；最后在高温、高压、真空和压力条件下，通过阳极键合工艺将硅片和硼硅酸盐玻璃键合在一起，形成传感头[3]，如图3（6）所示。

图3 MEMS 传感芯片制作流程示意图

通过前文可知，MEMS 光纤传感器的制作工艺和方法和IC 芯片(Integrated Circuit Chip)制造工艺极为相似，不同的是MEMS 工艺的主要目的是为了在硅基基础上构建机械结构，并且在硅基材料的基础上复合其他材料，运用材料的特性以及结构的特性达到采集被测物体物理量的目的。采用光刻、离子刻蚀、湿法刻蚀、离子注入、真空溅射、键合、覆膜、清洗等标准化工艺，可极大限度地保证产品的一致性，通过大规模生产进而降低芯片的生产成本。MEMS 制造工艺本身具有成本低、高性能和批量化生产等优点，同时MEMS 光纤传感器一般会采用相对稳定的传感结构和材料并且传感器本身没有电路也不产生电信号，可以完全不受强电磁场以及辐照影响，进一步提高传感器的使用寿命和使用领域。

3.MEMS 光纤传感器的原理

MEMS 光纤传感器的原理目前比较主流的有F-P 腔结构，在F-P 腔外附加各种敏感膜结构通过腔长变化来检测被测物理量变化。还有悬臂梁结构、扭摆轴结构[4]、磁膜微镜结构等对被测物的物理量进行监测，被监测物的物理发生变化影响传感器，通过传感器反馈回来的光波变化即可计算出被测物的物理量变化。近年来在MEMS光纤传感器已经发展出了温度[5]、压力、应力、振动、加速度、气体[6]、超声[7]等多种传感器类型。

4.结语

MEMS 光纤传感器技术还处于技术融合和发展的阶段，其广泛应用与实际效益将会伴随着技术的进步不断凸显出来。面对工业互联和万物互联的巨大需求，电传感器、生物传感、化学传感器等多种MEMS 传感器将会继续发展和创新，上世纪90 年代，国外就开始了光纤传感器在核电厂的应用研究，经过了30 年的发展，光纤MEMS 传感器基本可以覆盖核电厂各种参数的测量。完全可以构建一个全光纤传感网络，从数据采集传输全通过光信号解决，从而充分发挥光纤传感器所具有的精度高、体积小抗电磁干扰、本质安全等优势。同时在如航空航天、风力发电、轨道交通、电力、船舶行业的诸多领域产生较为深远的影响，很多电类传感器无法稳定测量的领域将会被实时测量。随着光通信技术、MEMS 技术的进一步发展，必将有越来越多的MEMS 光纤传感方案产生，并将在特殊场景应用以及特种行业发挥更为重要的作用。