一种高精细度MEMS光纤F-P压力传感器

张韬杰; 江毅; 马维一

doi:doi:10.3788/LOP56.170625

激光与光电子学进展, 2019, 56 (17): 170625, 网络出版: 2019-09-05

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A High Fineness Optical Fiber F-P Pressure Sensor Based on MEMS

论文大纲

张韬杰 ^**江毅 ^*马维一

作者单位

北京理工大学光电学院, 北京 100081

光纤传感器压力测量微机电系统法布里-珀罗腔 optical fiber sensors pressure measurement micro electro-mechanical system Fabry-Perot cavity

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摘要

提出并通过实验研究了一种高精细度微机电系统(MEMS)光纤法布里-珀罗(F-P)压力传感器。该传感器基于MEMS技术,将硅片与Pyrex#7740玻璃片阳极键合并镀上高反介质膜构成一个高精细度的F-P腔。当外界压力发生变化时,F-P腔长会发生变化;采用高灵敏度光纤白光干涉测量技术,通过测量F-P腔长就可获得被测压力。实验结果表明,该传感器压力测量分辨率高,线性度高,并具有低温漂特性。

Abstract

In this paper, a high-fineness optical fiber Fabry-Perot (F-P) pressure sensor based on micro-electro-mechanical system (MEMS) is proposed and experimentally demonstrated. The sensor is a high-fineness F-P interferometer formed by a silicon diaphragm and a Pyrex#7740 glass sheet both coated with high-reflection film. The change of pressure causes the length change of F-P cavity. Thus, based on the high-sensitive optical fiber white light interferometry, the pressure can be obtained by measuring the cavity length of the F-P. Experimental results show that the pressure sensor has properties of good measurement resolution, high linearity and low temperature drift characteristics.

1 引言

微机电系统(MEMS)是由微小型元器件组合而成,并将光学和机械功能相结合的综合集成系统^[1]。MEMS的光纤传感器是将MEMS工艺与光纤传感技术相结合的一种新型光纤传感器。在众多类别的光纤传感器中,基于MEMS的光纤传感器不仅具有结构简单、体积小、功耗低和易于实现大规模生产等优点,更具备线性度高、测量精度高及动态测量范围大等良好特性^[2]。

目前国内外构造MEMS的光纤压力传感器有很多种方法。其一是使用体硅工艺制作得到光纤法布里-珀罗(F-P)干涉型MEMS压力传感器^[3],在玻璃上用氢氟酸(HF)缓冲溶液腐蚀出浅薄圆柱腔体,然后用阳极键合工艺将单晶硅膜与玻璃紧密地键合在一起(单晶硅膜作为压力敏感膜),从而形成F-P腔。其二是在Pyrex玻璃晶圆片上腐蚀圆形浅坑,然后将其与单晶硅晶圆片键合在一起,玻璃浅坑底面与硅膜片内表面可形成F-P干涉腔^[4]。此类传感器都是基于双光束干涉原理,通过检测从F-P腔返回的干涉光谱中波峰或波谷的漂移来获取腔长变化,从而获知压力^[5]。然而,此类传感器由于硅片反射率和玻璃反射率低,干涉光谱呈正弦分布,所以在确定波峰或波谷位置时漂移的随机性大,限制了压力测量分辨率。

本文选用稳定性好,且热膨胀系数与光纤相近的硅作为压力传感膜片,然后利用刻蚀工艺在硅片上刻蚀出微型凹槽,并在底面镀上高反膜,然后在Pyrex#7740玻璃片的两面分别镀上高反膜与增透膜,并通过阳极键合技术将硅片与玻璃键合,硅片凹槽底面与镀高反膜的玻璃内表面可构成封闭的F-P腔,最后将带F-P腔的传感头与光纤准直器进行粘结制成完整的压力传感器。通过实验测试其压力特性与温度特性,结果显示其具有优良的压力测量性能与低温漂特性。

2 传感器结构及基本原理

光纤F-P压力传感器基本结构如图1所示,带凹槽的硅膜片与Pyrex#7740玻璃片通过阳极键合,由此形成硅片/空气和空气/玻璃两个平行界面,从而构成F-P腔,再将带通孔的Pyrex#7740玻璃块与带F-P腔的传感头用紫外固化胶(UV胶)粘接,最后将光纤准直器插入玻璃块通孔,并用UV胶粘接固定,从而完成整个传感器的制作。

图 1. 传感器结构示意图

Fig. 1. Schematic of sensor structure

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传感器F-P腔的硅片凹槽底面及相对硅片的玻璃片内表面镀上95%反射率的高反膜,而玻璃片外表面镀上增透膜,入射光通过光纤进入传感器,在F-P腔体内多次反射形成多光束干涉,硅膜片在外界压力作用下发生形变,使得F-P腔的空气间隙发生变化,即腔长发生改变,这会导致F-P腔反射回的干涉光谱发生变化,此时可通过检测反射光谱中波峰或波谷的漂移来获取腔长变化,从而获知压力。根据白光干涉测量技术,传感器腔长d=λ₂λ₁/[n(λ₂-λ₁)],λ₂、λ₁为光谱中相邻波峰(相位相差2π)的波长,n为介质折射率。反射光谱中反射光强I_r与投射光强I_t分别为^[6-7]

\begin{matrix} \begin{matrix} I_{r} = \frac{Fsi n^{2} \frac{δ}{2}}{1 + Fsi n^{2} \frac{δ}{2}}, (1) \\ I_{t} = \frac{1}{1 + Fsi n^{2} \frac{δ}{2}}, (2) \end{matrix} \end{matrix}

式中:δ=4πnd/λ为相邻光线之间的光程差,其中λ为真空中的光波长,n为F-P腔的介质折射率,d为F-P腔腔长;F= $\begin{matrix} \frac{π \sqrt[]{R}}{1 - R} \end{matrix}$ 为精细度,与反射率R有关,反射率越高,精细度越高。如图2所示,不同精细度的F-P腔其相应的反射光强分布也不同。从图中可以发现,精细度越高,则干涉程度越深,干涉条纹越尖锐,故在测量干涉条纹波峰或波谷漂移时的精确度与分辨率更高。可见,通过提高F-P腔反射面的反射率,可以提高光纤F-P压力传感器的测压精确度与分辨率。

图 2. 反射光强随精细度和相位的变化

Fig. 2. Change of reflected light intensity with fineness and phase

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光纤F-P压力传感器弹性膜片形变公式为^[8]

\begin{matrix} W (l) = \frac{3 P (1 - u^{2})}{16 E h^{3}} (r^{2} - l^{2})^{2}, (3) \end{matrix}

式中: W(l)为膜片挠度;P为膜片处所受压力; u为泊松比(实验中所用硅的泊松比为0.22); E为杨氏模量(190 GPa); h为膜片厚度; r为薄膜的有效半径;l为硅膜任意部位的半径。在膜片的中心点处,即l=0处,可得到压力灵敏度表达式为

\begin{matrix} Y = \frac{3 (1 - u^{2}) r^{4}}{16 E h^{3}} 。 (4) \end{matrix}

由(4)式可知,灵敏度Y与传感膜厚度h、有效半径r有关。图3给出了理想情况下不同膜厚时灵敏度与半径的关系,可以看出当膜厚越小,半径越大时,灵敏度越高。

图 3. 不同膜厚下半径与灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between the radius and the sensitivity at different film thicknesses

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根据实际需求以及MEMS加工水平,文中光纤F-P压力传感器选用的硅膜片厚度为h=150 μm,薄膜的有效半径为r=1.5 mm,得到此时灵敏度的理论值为Y=1.408 μm·MPa^-1。

3 传感器制作

材料采用边长为5 mm、厚度为300 μm的硅膜片,以及边长为5 mm、厚度为500 μm的Pyrex#7740玻璃片。传感器制作步骤如下: 1)对硅片打磨抛光后利用标准工业湿法清洗工艺(RCA)进行清洗,然后采用热氧化工艺在其两面制备一层二氧化硅,再沉积一层氮化硅;2)利用光刻工艺,经过涂胶、软烘、曝光、显影、后烘等工艺,将制定好尺寸的掩模板上的图形转移到光刻胶膜上;3)利用反应离子刻蚀技术在硅片一面刻蚀一个深为30 μm、半径为1.5 mm的圆形凹槽,另一面中心处刻蚀一个深为120 μm、半径为1.5 mm的圆形凹槽,中间留150 μm厚的承压膜片;4)利用磁控溅射技术将高反射率膜镀在F-P腔底面上;5)利用反应离子刻蚀技术及氢氟酸、氟化氨和水配制的腐蚀溶液(BOE)去除保护层;6)利用阳极键合工艺将硅片与镀膜Pyrex#7740玻璃片键合构成F-P腔^[9-10]。传感头制作工艺流程如图4所示。

图 4. 传感头制作工艺流程图。(a)氧化沉积保护层;(b)光刻;(c)刻蚀;(d)镀膜;(e)去除保护层;(f)键合

Fig. 4. Process flow of sensor head fabrication. (a) Oxidative deposition protective layer; (b) lithography; (c) etching; (d) coating; (e) remove the protective layer; (f) bond

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将F-P腔与边长为5 mm、厚度为3 mm、带直径为2.5 mm通孔的Pyrex#7740玻璃块通过UV胶粘合,最后把光纤准直器插入玻璃块通孔并用UV胶粘接固定。实验中采用规格为C-lens2.4×10的光纤准直器,其作用是把光纤输出的光准直为光斑较大而发散角较小的准直光^[10]。粘接时使用定制夹具将F-P腔体和光纤准直器分别固定在两个水平相对的六轴超精密移动平台上,宽带光源发出的光经耦合器进入光纤准直器,经准直后进入F-P腔发生多次反射,反射光经原路返回传输至光谱仪。之后调节六轴超精密移动平台,并同时观察光谱仪上的干涉光谱,对准后将光纤准直器与玻璃块用UV胶粘结,完成整个传感器的制作。传感器的光谱图如图5所示^[11-12]。

图 5. 传感器光谱图

Fig. 5. Sensor spectrogram

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4 实验结果及讨论

实验过程中采用实验室研制的光纤白光干涉解调仪,它适用于F-P腔类传感器的解调,测量范围为20~10000 μm,分辨率为0.1 μm,最高测量分辨率可达0.1 nm。通过测量传感器干涉图谱的波谷漂移,并计算光纤F-P压力传感器的腔长变化,可以获得待测压力^[11]。压力控制系统由压力腔、气压表和氮气罐构成,其中压力测试腔可加压范围为0~10 MPa,其气密性良好并具有两路光纤传感器连接口,压力表精度为±0.06%F.S。

在室温无压下对传感器的稳定性进行测试,测量传感器的初始腔长,结果如图6所示。可以看出在无压情况下腔长最小值为27.7368 μm,最大值为27.7378 μm,密集分布在 27.7373 μm,随时间变化腔长变化只有0.5 nm,故认定初始腔长为23.7373 μm。

图 6. 光纤F-P压力传感器初始腔长

Fig. 6. Initial cavity length of optical fiber F-P pressure sensor

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对传感器进行测压实验,压力由0逐次增压至1 MPa,在增压过程中每增压0.1 MPa记录一次数据,实验结果如图7所示。由图可知,腔长随压力增大呈线性递减,拟合直线表达式为y=-1.4401x+27.743,腔长变化灵敏度为1.4401 μm·MPa^-1,线性度为0.9998。对传感器重复进行压力特性实验,压力由1 MPa逐次减压至0,在减压过程中每减压0.1 MPa记录一次数据,实验结果如图7所示。由图可知,腔长随压力减小呈线性递增,拟合直线表达式为y=-1.4699x+27.737,腔长变化灵敏度为1.4699 μm·MPa^-1,线性度为0.9998。两次实验中绘制的腔长-压力拟合直线重合,证明该F-P压力传感器具有相当好的重复性,能够保证测量结果的可靠性。实验结果取多次实验的平均值,腔长变化灵敏度为1.445 μm·MPa^-1,与理论计算值1.4080 μm·MPa^-1基本吻合,误差主要来源于膜的实际直径测量和膜厚加工精度。

图 7. 压力与腔长的拟合曲线

Fig. 7. Fitting curves of pressure and cavity length

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再对传感器进行温度特性实验,将传感器置于恒温槽中,温度由30 ℃逐渐升至70 ℃,每加温2 ℃记录一次实验数据,实验结果如图8所示。由图可知,初始腔长为27.7373 μm,温度由30 ℃升至70 ℃,腔体增长0.013 μm,因此传感器腔长灵敏度为0.325 nm·℃^-1。腔长变长主要源于温度升高,从而引起F-P热膨胀及腔体空气热膨胀。结合压力特性实验可知,温度交叉灵敏度为224.913 Pa·℃^-1,在0~1 MPa的测量范围内,温度变化100 ℃所引起的误差为0.2%,故该传感器在此范围内受温度响很小,具有低温漂特性^[13-14]。

图 8. 光纤F-P压力传感器温度特性

Fig. 8. Temperature characteristics of optical fiber F-P pressure sensor

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5 结论

提出一种基于MEMS技术的高精细度F-P压力传感器。该传感器通过MEMS技术加工硅-空气-Pyrex#774玻璃的键合结构并镀上高反介质膜形成高精细度的F-P腔。通过分析膜厚、半径对传感器灵敏度的影响,及不同精细度对传感器反射光谱干涉程度的影响,给出了提高传感器压力测量分辨率和精确度的方案。实验结果表明,该传感器的测压范围为0~1 MPa,腔长变化灵敏度为1.445 μm·MPa^-1,温度的交叉影响灵敏度为224.913 Pa·℃^-1。说明该传感器具有体积小、响应速度快、抗电磁干扰、可靠性高和低温漂等特性,在航天航空、汽车工业和桥梁监测等领域具有很大的应用潜力。

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1 引言

2 传感器结构及基本原理

图 1. 传感器结构示意图

Fig. 1. Schematic of sensor structure

图 2. 反射光强随精细度和相位的变化

Fig. 2. Change of reflected light intensity with fineness and phase

图 3. 不同膜厚下半径与灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between the radius and the sensitivity at different film thicknesses

3 传感器制作

图 4. 传感头制作工艺流程图。(a)氧化沉积保护层;(b)光刻;(c)刻蚀;(d)镀膜;(e)去除保护层;(f)键合

Fig. 4. Process flow of sensor head fabrication. (a) Oxidative deposition protective layer; (b) lithography; (c) etching; (d) coating; (e) remove the protective layer; (f) bond

图 5. 传感器光谱图

Fig. 5. Sensor spectrogram

4 实验结果及讨论

图 6. 光纤F-P压力传感器初始腔长

Fig. 6. Initial cavity length of optical fiber F-P pressure sensor

图 7. 压力与腔长的拟合曲线

Fig. 7. Fitting curves of pressure and cavity length

图 8. 光纤F-P压力传感器温度特性

Fig. 8. Temperature characteristics of optical fiber F-P pressure sensor

5 结论

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1 引言

2 传感器结构及基本原理

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图 3. 不同膜厚下半径与灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between the radius and the sensitivity at different film thicknesses

3 传感器制作

图 4. 传感头制作工艺流程图。(a)氧化沉积保护层;(b)光刻;(c)刻蚀;(d)镀膜;(e)去除保护层;(f)键合

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图 5. 传感器光谱图

Fig. 5. Sensor spectrogram

4 实验结果及讨论

图 6. 光纤F-P压力传感器初始腔长

Fig. 6. Initial cavity length of optical fiber F-P pressure sensor

图 7. 压力与腔长的拟合曲线

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