（光学工程专业论文）低温度系数光纤mems压力传感器的设计与制造.pdf

摘要 传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，它与通信技术、计算机技 术构成现代信息产业的三大支柱。在各种传感器中，压力传感器是应用最为广泛的 一种。考虑到目前使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器，虽然其在目前 技术已经比较成熟，但在强电磁干扰、易燃易爆等场所并不能使用。我们设计制 造的光纤m e m s 压力传感器集光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、易于组成 分布式测量网的优点及m e m s 传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的 优点子一身，有望填补传统传感器在强电磁干扰、易燃易爆场合不能使用的空缺， 在石油化工和航天航空等领域有着广泛的应用前景。 研究了光纤m e m s 压力传感器基于法布里一珀罗腔干涉的基本传感机理，建立 了光纤m e m s 压力传感器的基本光学及力学模型，着重考虑并分析了光纤m e m s 压 力传感器的温度效应，提出了低温度系数光纤m e l d s 压力传感器的设计并成功制造 出传感器若干。实验证明，新的结构使得光纤m e m s 压力传感器受温度的影响大幅 减小，具有了更好的重复性，同时还继承了原有传感器的高精度和高灵敏度。 研究了传感器的制作过程中所涉及的m e m s 加工工艺的基本原理，包括光刻、 反应离子刻蚀( r i e ) 和阳极键合技术等关键技术，研究了传感器加工工艺，确定 了工艺流程，详细介绍了传感器加工步骤。研究m e m s 压力传感器的封装结构及其 封装方法，采用标准化的结构来封装研制的传感器元件，最后加工出传感器样品。 建立了传感器解调实验系统。对传感器的基本性能进行了理论分析，重点测 试了样品的重复性、迟滞、线性度、灵敏度和温度漂移等静态性能。实验结果表 明制作出来的传感器性能良好，较以前的传感器在重复性及温度漂移方面有大幅 提高。 关键词：光纤传感；m e m s ；温度系数；法布里一珀罗干涉 a bs t r a c t t h es e n s o rt e c h n o l o g yi st h ei m p o r t a n ts i g no ft h em o d e ms c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a l d e v e l o p m e n tl e v e l ，a n dw i t ht h ec o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e rt e c h n o l o g yf o r mt h r e e m a j o rp i l l a r so ft h em o d e mi n f o r m a t i o ni n d u s t r y i nv a r i o u ss e n s o r s ，t h ep r e s s u r e s e n s o re m p l o y st h em o s te x t e n s i v eo n e c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tu s eo fs i l i c o np r e s s u r e s e n s o ri sm a i n l yd i f f u s i o ns i l i c o np r e s s u r es e n s o r , t h o u g hi t st e c h n o l o g yh a sa l r e a d y m a t u r e da tp r e s e n t , i tc a l ln o tu s ei nt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n d f l a m m a b i l i t y e n v i r o n m e n t t h eo p t i c a lf i b e rm e m s p r e s s u r es e n s o rw ed e s i g n e dh a st h ea d v a n t a g e s o fb o t ht h ef i b e rs e n s o rw h i c hh a st h ep r o p e r t i e so fl a r g eb a n d w i d t h , h i 曲s e n s i t i v i t y , l a r g er a n g eo fd y n a m i ct e s t sa n dh a sac o n f i g u r a t i o nt h a tc a nb er e a d i l yi n c o r p o r a t e d i n t os e n s o ra r r a y sa n dm e m ss e n s o rw h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i f u n c t i o n , b j 曲s e n s i t i v i t ya n db a t c hp r o d u c t i o n i tm a ys o l v et h ep r o b l e m so fs u r v i v i n gi nh a r s h e n v i r o n m e n t ss u c ha se l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n df l a m m a b i l i t ya n dm a yh a v ea g o o dp r o s p e c ti np e t r o c h e m i c a li n d u s t r ya n da v i a t i o n t h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lf i b e rm e m ss e n s o r , w h i c hi sb a s e do nf a b r y p e r o t i n t e r f e r e n c e ，i sd i s c u s s e d t h eo p t i ca n dm e c h a n i c sm o d e lo ft h es e n s o ri se s t a b l i s h e d t h ea c h i e v e m e n t sa n dt h ed e f i c i e n c i e so ft h el a ba b o u tt h e p r e s s u r es e n s o ra r e a n a l y z e d t h et e m p e r a t u r ee f f e c to ft h eo p t i c a lm e m sp r e s s u r es e n s o ri se m p h a s i z e d a n dd i s c u s s e d t h ep r e s s u r es e n s o rw i t ht h el o w t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti sd e s i g n e d a n df a b r i c a t e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h en e ws t r u c t u r em a k e st h eo p t i cf i b r em e m s p r e s s u r es e n s o rt or e d u c et h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c e ，h a sab e t t e rr e p e a t a b i l i t y , a n da l s o i n h e r i t e dt h eh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs e n s i t i v i t yo ft h eo r i g i n a ls e n s o r t h eb a s i ct h e o r yo ff a b r i c a t i o np r o c e s si sr e s e a r c h e d , s u c ha sp h o t o l i t h o g r a p h y ， r e a c t i o ni o n i ce t c h ( r i e ) a n da n o d e b o n d i n g ，w h i c ha r en e e d e di nt h ef a b r i c a t i o n t h e f a b r i c a t i o nf l o wi ss t u d i e dc a r e f u l l ya n dt h es t e p so ft h ep r o c e s sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ep a c k a g i n gc o n f i g u r a t i o ni sd e s i g n e da n dp a r ts a m p l e so ft h es e n s o ra r es h o w e da t l a s t n t h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mo ft h es e n s o ri ss e tu p f i r s t ，w ed i s c u s st h eb a s i c p e r f o r m a n c ef x o mt h e o r y ，a n dt h e nw eg i v ee m p h a s i so ns t a t i cc h a r a c t e r i s t i cc o n t a i n i n g r e p e a t a b i l i t y ，h y s t e r e s i s ，l i n e a r i t y ，s e n s i t i v i t ya n dt e m p e r a t u r ed r i f t t h et e s tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h es e n s o rh a sag o o dp e r f o r m a n c ea n dh a ss u b s t a n t i a l l yi n c r e a s e di nt h e r e p e a t a b i l i t ya n dt e m p e r a t u r ed r i f tt h a no r i g i n a ls e n s o r k e yw o r d s ：f i b e rs e n s o r ；m e m s ；t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ； f a b r y - p e r o t i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：幸互j 主 日期： 丛! 亟：查兰 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：与i 玉上一一 日 期：垫鳢：竺圣 第一章前言 1 1 光纤m e m s 压力传感器简述 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的，它与以往的传感器相比最大的区别在于它以光波为载体，光纤为媒质，感知 和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波 传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点：( 1 ) 光 波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收；( 2 ) 光纤工作 频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；( 3 ) 在一 定条件下，光纤特别容易接收被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；( 4 ) 光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别适合于 易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技 术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，为传感技术开辟了 新思路，推动着传感技术蓬勃发展。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 技术是在微电子技术 的基础上发展起来的，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，并应 用现代信息技术构成的微型系统。特点是多种学科前沿技术高度综合交叉，并为 多种学科前沿技术的发展服务。m e m s 技术是微电子技术的延伸与拓宽，它不但 具有信号处理功能，而且具有对外部世界的感知功能和作用功能。以此为基础发 展的智能化、高功能密度的新型系统将如微电子技术在上一世纪的作用一样，对 2 1 世纪的人类社会生产和生活方式产生革命性的影响，奠定国家在国际舞台上的 地位，它是关系国民经济建设和国家安全保障的战略高科技。 m e m s 这个领域近年来发展很快，其速度令人鼓舞。现在人们正利用原先在 硅集成电路工业上发展起来的技术和工艺，在硅和其他材料上制作微型化的传感 器与执行器以及微结构。这些新装置在许多情况下，比其相应的传统装置更具优 势，包括大幅度缩小尺寸，完成以前无法实现的新功能，在芯片上处理信号和控 制电路，降低单位成本以及能够制造大规模多模态阵列等。当然新技术也会带来 新问题，比如需要新型封装工艺和电源、系统集成问题、对c a d 和仿真工具的 要求以及工艺兼容问题等。所有这些难题都正在逐步解决。 进入2 1 世纪以来，m e m $ 技术在光领域中的应用非常引人注目。m e l d s 在光纤 传感技术中的应用发展成为光纤m e m s 传感技术。光纤m e m s 传感器既具备m e m s 传感器体积小、功能强、灵敏度高和易于批量生产的优点，又具备光纤传感器的 各种特性，符合传感器系统向微型化、智能化和多功能化发展的方向，因此在很 多应用领域中有着广阔的前景。 1 2 光纤m e m s 压力传感器国内外现状 在国外对光纤传感技术的应用研究已经取得了丰硕的成果，出现了不少了光 纤压力传感器的设计，甚至有些已经转化为产品，在某些场合成功的取代了传统 传感器。国内不少部门和单位对光纤传感技术也进行了多年的研究，也取得了不 少的研究成果。下面主要介绍一下目前国内外在这个方面所进行研究工作的几个 实例。 1 h y d r a u l i cc o u p l i n g ；zf l a td i a p h r a g m ；3 s l 棚v e r ：4 o p t i ct i b e r s e n s i n gh e a d ；5 s l e e v e rn u t ；6 s t r e wj o i n t ；7 o p t i cf i b e r 图1 1 传感头结构示意图 图1 1 所示是张奕林等于2 0 0 2 年发表于光电子激光光纤压力传感器探头 的设计中所给出的一种光纤压力传感器传感头的结构示意图，该传感器使用液 压联轴来感知外界压力，这对感压膜可以起到不错的保护作用，延长传感器使用 寿命，在信号方面，该传感器通过平面膜受压后发生形变，这就使得其光纤接受 到的光强发生变化，根据光强的变化来检测外界压力的大小，然而，该传感器也 有若干缺点，其结构过于复杂，给加工制作带来难度，而且其中接受光端面没有 支撑，也可能会发生偏移而影响测量。 另外，国内的西北工业大学在2 0 0 4 年一位同学的硕士毕业论文中也给出了光 纤m e l d s 压力传感器的设计，其使用的是由7 个单膜光纤构成的一个光纤束和硅敏 感膜形成一个微腔结构，其中中间的光纤起的是传入入射光的作用，周围的6 个 2 光纤起的是接收反射光的作用，其基本原理即是硅敏感膜受压形变后引起了接收 光纤接收到的光强信号的改变，并由光强信号解调出腔长由此可以检测外界压力 值。在该论文中主要对传感器的原理进行了阐述，并对器件的使用进行了分析介 绍，并未见其制造出该传感器。该传感器主要存在的问题是工艺比较复杂，而且 使用强度解调对光源稳定性要求极高。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。 2 0 世纪9 0 年代，由东芝、日本电气等1 5 家公司和研究机构，研究开发出1 2 种 具有一流水平的民用光纤传感器。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤 传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和 德国的西门子公司等。我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其 起步时间与国际相差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，在光纤 温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研 究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的科研成果具有很高的使用价值，有 的达到世界先进水平。与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要 表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量 生产和工程化应用。 1 3 本论文所进行的工作 1 3 1 本论文的目的和意义 传感器的微型化、光纤询问功能和批量生产能力已是工业生产和国防建设的 迫切需求。m e m s 与光纤传感技术的结合恰好能满足这一要求。我们设计制作的低 温度系数光纤m e m s 压力传感器使用了全光信号的传感头，这就使得我们的传感器 可以使用在石油化工这样的易燃易爆场合和航天航空这样严格要求控制电磁干扰 和整体重量的行业，其结构简单，使用m e l d s 工艺加工，有望解决传感器向微型化 发展和批量生产时遇到的问题，使得其可以填补传感器市场某些方面的空缺，甚 至在某些领域可以取代传统的电学原理的传感器。此技术简单而且相比基于电学 原理的传感器更加有效，达到较高的空间分辨率。这样的阵列对于航空、工业自 动化和医疗检查等商业应用方面具有重要意义。 另外，考虑到实际应用环境的复杂性，论文详细讨论了传感器的温度效应， 设计制造出了低温度系数的光纤m e m s 压力传感器，从传感器的结构开始即考虑到 传感器温度效应问题，从结构上根本的降低了压力传感器受温度的影响，并且使 用了有限元分析软件对传感器的力学性能和温度特性进行了仿真，结果和我们所 进行的理论分析基本吻合。最后设计制造出的传感器在保证了其测压的精度和稳 定性的条件下，实验证明，该压力传感器受温度影响相比于以前压力传感器有大 幅降低，实现了低温度系数的目的，使得该传感器距离实际使用又更近了一步。 1 3 2 论文主要内容 第一章前言。简要介绍了光纤传感技术及光纤传感器、m e m s 及其与光纤传 感技术结合的发展背景，简单分析了光纤m e m s 压力传感器的原理、应用、特点及 其在国内外的发展。 第二章低温度系数光纤m e m s 压力传感器的原理与设计。详细的介绍了法布 里一珀罗型光纤m e m s 压力传感器的基本原理，主要从光学模型和力学模型两个方 面进行阐述，使用有限元分析软件进行了仿真计算，具体地介绍了传感器的信号 解调机理，并最终给出了传感器的结构设计及其封装。 第三章光纤m e m s 压力传感器的温度效应。介绍了传感器温度效应的一些概 念，对设计的传感器根据其结构及材料属性对传感器的温度效应进行了计算分析， 并使用有限元分析软件对其进行了验证。 第四章法布里一珀罗光纤m e m s 压力传感器的加工制作。分析了传感器使用的 感压膜即硅材料的主要特性，介绍了传感器加工所使用的主要微细加工技术，给 出了传感器详细的加工步骤和一些主要参数，最后对传感器进行封装，完成传感 器的加工制作。 第五章传感器性能测试。介绍了传感器的测压系统，对传感器的稳定性、重 复性进行实验，对传感器在室温下进行了标定，然后对传感器的温度效应进行实 验，在高低温试验箱中对传感器受温度影响的情况进行测试。并最终给出了传感 器的一些主要参数。 4 第二章法布里一珀罗光纤m e m s 压力传感器 原理与信号处理 研究分析了光纤m e m s 压力传感器的传感机理，分别对法布里一珀罗型光纤 m e m s 压力传感器的静力学原理和光学原理进行了阐述，应用有限元软件对模型进 行了仿真，并讨论了影响传感器性能的一些主要参数，设计出了理论可行的光纤 m e m s 压力传感器。 2 1 光纤m e m s 压力传感器静力学原理 本传感器中，硅压力敏感膜采用圆形膜，硅膜的周边被玻璃环固定。因此， 其力学模型可抽象为半径为，周边固支的圆形板，表面承受均匀分布的压力p ， 那么硅膜中心挠度与压力尸的关系为： 茅= 嵩c 抄器c 考，3 浯， 式中，p = 施加的压力o ，= 敏感膜半径； e = 单晶硅杨氏模量； h = 敏感膜厚度； d = 泊松比： y = 敏感膜中心挠度。 图2 1 是膜的不同厚度对挠度与压力关系的影响。从图中可以看出，随着膜厚 的增大，挠度越来越小，但是曲线的线性度却越来越好。在小挠度情况下( y h 2 ) ， 方程( 2 - 1 ) 可以近似为线性方程 ) ，：3 p r ( 1 - 0 2 ) ( 2 2 ) y 2 矿 z z 当膜存在较大的变形时，两者存在较大的误差，如图2 2 所示。 图2 i 膜的不同厚度对挠度与压力关系的影响 图2 2 敏感膜中心挠度与外加压力之间的关系 ( e = 1 9 0 g p a ，v = o 2 2 ，r = 1 6 5 m m ，h = 5 0 w n ) 6 图2 3 膜的变形情况仿真图 图2 4 膜在压力作用下的挠度分布图 图2 3 和图2 4 是用有限元分析软件a n s y s 对模型仿真的结果。其中e - - _ 1 6 0 g p a ， v = o 2 2 ，r = 1 6 5 m m ，h = 1 8 0 i l m ，受到的压力p - - - - 3 m p a 。从图中可以看出膜的中心挠度 为4 2 5 1 1 m ，与( 2 2 ) 式给出的结果是一致的。图2 3 直观的显示了膜受压变形后 的形状。图2 4 显示了膜内的挠度分布。 其次，有必要检查硅膜是否能承受住由压力引起的应力。由膜的理论可知， 对于圆形固支膜，它能承受的最大压力己与膜材料能承受的最大张应力( 屈服强 度) 盯。的关系是： 己= 志哆，2 3 ， 通过上式很容易检验硅膜在最大压力的作用下，膜内产生的最大应力是否超过了 它的屈服强度( 7 0 0 0 m p a ) 。 2 2 法布里一珀罗型光纤m e m s 压力传感器光学原理 秘： l d r 图2 5 法布里一珀罗干涉不慈图 如图2 5 所示是法布里一珀罗干涉示意图。平面、为两个平行的面，、 之间为空气介质。入射光线s 经这两个面多次反射后产生如图的光线径迹图。 图上标出各次反射和透射波的振幅。入射波振幅取为l 。 当光波自折射率为，z l 的介质入射到折射率为他的介质( 空气) 中时，表面的 振幅反射系数为1 ：，相反过程的反射系数为。相应的透射系数为 ：和乞。对 于表面也有类似的变量吃3 ，吩：，f 2 ，和。所有这些量都是实数。且有如下 关系：，i 2 = - ，2 ，f 1 2 t 2 。= l 一。 首先考虑反射光线墨，恐，马，它们的位相按等差级数变化，公差为 妒：_ 4 z 也d c 。s f 2 ，d 为空气间隙厚度，即法布里一珀罗腔的腔长。 8 取光线r 1 的位相作为位相参考点。所有反射光线的合成复振幅是： e 。= ，i 2 + 2 t 2 1 3 p 一如 1 + r 2 1 吒3 p 一印+ ( 吒l 仫) 2 p - 2 抑+ ( 吒1 r 2 3 ) 3 e 一3 细+ 】。 方括号内是公比为吃，e 一抑的等比级数。如果平面足够大，反射次数便无限 多，这时合振幅( 因为眨仫 1 ) 是 因而反射光强度是 己+ 甓1r ，2 孥r 2 3 e = 器，+ ” l + 吒2 ，2 3 p ” = e 。云：l r = 蔫躲。 ( 2 - 4 ) 在各波长单色光光强均匀分布的宽带光源照射下，当z 、两个面之间的空 气间隙厚度( 即法布里一珀罗腔腔长) d 一定时，由式( 2 4 ) 可知，反射光强随 波长的分布呈近似余弦分布。如果以波长五为横坐标，则法布里一珀罗腔腔长不 同时输出的光谱如图2 6 所示。 图2 6 反射光强分布与腔长和波长的关系( 其中r l ：= o 1 9 ，r = o 9 ) 从图2 6 中可以看出，当、两个面间的空气间隙厚度发生变化时，反射谱的 形状也发生了改变。也就是说一种间隙厚度对应了一种反射谱形状。反之，如果 获得了反射谱的形状，即可反推出、两个面之间的间隙厚度。在本传感器的 实际结构中，用光纤的端面作为面，用硅片的抛光面作为面，硅片同时用作 压力敏感膜，当在硅片上施加压力时，硅片发生挠曲，、两个面之间的间隙 9 厚度发生变化，通过测出的反射谱形状，就可以计算出此时、两个面之间的 间隙厚度( 即法布里一珀罗腔腔长) ，从而计算出硅片上所承受的压力。 2 3 信号处理一傅立叶变换解调方法 根据多光束干涉原理，我们知道：腔长为l ，端面反射率为r 的f - p 传感器， 当受到波长为九的光照射且反射率r 较小时，反射光的强度分布公式为： ：2 r 0 - c o s 9 ) z o ：2 r ( 1 一c o s 掣) z o ( 2 5 ) 结合光波长c 与频率u 的关系彳= 三，式( 2 - 5 ) 可以写成以下余弦函数： u ：2 尺( 1 一c o s 4 z u i ) 0 ( 2 - 6 ) 在各波长强度相等的理想宽带光源条件下，式( 2 - 6 ) 中石是常数，对某个 特定腔长为的传感器，光纤法布里一珀罗传感器的反射输出光强与光频率涅 余弦函数关系，函数的周期对应着传感器的腔长。 对式( 2 - 6 ) 进行连续傅立叶变换，可以得到： ，u q ) ：4 - = f o e 一皿u ：佃2 r ( 1 一c o s4 ：g u i , d u2 r ( 14 x u l ) i o e - j c l u d u，u q ) = f e 一皿u = 一c o s u 二哪 c ：2 x r o 2 6 ( q ) 一万( q + 丝) 一万( q 一4 z l ) ( 2 7 ) 在光频谱分析中，负频率成分没有实际的物理意义，因此不加以考虑。从式 ( 2 - 7 ) 可以看出，当采用理想宽带光源时，光纤法布里一珀罗传感器反射光强输 出信号的频谱只包含两条谱线：直流分量谱线和角频率q o ：丝的双干涉项谱 c 线，直流分量的能量大于双光束干涉项的能量。显然，腔长和角频率珐之间存 在如下关系： 工：f 2 0 c( 2 8 ) 4 石 因此，只要对传感器反射信号进行傅立叶变换，找出频谱图中最大值珏就可 以通过式( 2 - 8 ) 得到传感器的腔长，从而完成传感器的解调。 在光纤法布里一珀罗传感器的傅立叶变换解调法中，常采用快速傅立叶变换 ( f f t ) 来求传感器输出信号的频谱。根据f f t 的要求，必须对自变量等间隔采样， l o 肌) ；亨x ( n ) e 一，等破 ( 2 9 ) x ( ”= 。 ( 2 9 ) 大值所对应的数字下标盈，由数字频率吮= 弓笋和角频率q l = 4 万c 的关系 扛焘删，1 ，2 n - 1 ( 2 _ 1 0 ) 扛焉 妒0 ，1 ，2 n - l ( 2 _ 1 1 ) 饿+ 罐t n a , ( k l _ - 扣三) i _ t n a 翳( k l + 1 ) 变为 三= 纂 ( 2 _ 1 3 ) 和式( 2 - 1 1 ) 比，式( 2 - 1 3 ) 用三点高斯插值岛取代鬼，从而提高了系统的 解调精度。在计算腔长的基础上，可以通过实验对传感器进行标定，得到压力和 腔长的对应值，测量时通过三次样条插值的方法就能得到待测压力值。 2 4 本章小结 本章先是建立了传感器敏感膜的力学模型，讨论了膜的厚度对挠度与压力关 系的影响，用有限元软件a n s y s 对模型进行模拟计算，验证了模型的正确性， 从膜的理论出发，简单讨论了膜的一些参数对传感器性能的影响。接着从光学法 布里一珀罗干涉模型阐述了信号的产生机理，并对信号的处理给出了较为详细的 描述。最后，给出了低温度系数光纤m e m s 压力传感器的设计及一些主要的参数。 其温度系数将在第三章中作详细的分析计算。 1 2 第三章低温度系数光纤m e m s 压力 传感器设计 主要就传感器的设计结构从理论上探讨了法布里一珀罗型光纤m e m s 压力传感 器的温度效应，分析了影响传感器的主要因素，对设计的传感器的温度效应进行 了理论计算，并通过有限元分析软件进行仿真计算，另外，还从理论上进行了零 温度系数法布里一珀罗型光纤m e m s 压力传感器的理论分析和计算。 + 3 1 传感器温度效应原理 3 1 1 材料的热膨胀概念 热膨胀( t h e r m a le x p a n s i o n ) 指物体受热时尺寸有增加的趋势，是一类重要 的热机械效应。材料( 对于各相同性) 的热膨胀系数( 1 i n e a rt h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n t ) 用符号o 【，表示，定义为轴向应变对温度的变化率： a t = d 6 x d t ( 3 1 ) 其中，。是对应方向应变量，t 表示温度。的单位是开尔文一。然而，由于o i t 描述的是每开尔文无量纲的应变量，而且c x ，数值上在1 0 7 一- - 1 0 q 这个量级上，所 以a ，另一个常用的单位是微应变开尔文，相当于在原有单位中加入一个1 0 吨因 子。 在一定的温度漂移范围内( 在某些近似意义上，也适用于大范围的温漂) ，我 们认为a ，是材料对应方向应变量。于是，对于有限温度变化t ，可得： x ( t ) = x ( t o ) + 鲫t ( 3 2 ) 其中。( t 。) 是初始温度t 。时的应变量，at = t t 。 假定在三位方向上没有阻碍膨胀的约束，那么材料将在每个方向上都会产生 同样的膨胀。于是，对于一个初始体积为v 得微单元，可以计算得到体积膨胀系 数( v o l u m et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ) 如下： 1 3 等= ( 1 + 锁l + 嘣1 + 乞) 一l ( 3 - 3 ) 可以导出下式 一a v ：3 诉r ( 3 4 ) 一2 j 口f o 士， v 在立方对称材料中，线性膨胀系数在三个主轴方向上必定相等。因此，为了 便于用线性膨胀理论来处理，我们可以认为立方对称材料具有各向同性的热膨胀 性质。 3 1 2 传感器温度效应及其热输出 在第二章中讨论了传感器的基本原理。然而，通常对传感器的工作特性及性 能的检定是以室温恒定为基础的。在实际使用传感器进行测量时工作温度可能偏 离室温，甚至超出常温范围，致使工作特性改变，影响输出结果。这种单纯由温 度变化引起传感器输出结果变化的现象，称为传感器的温度效应。对于本论文涉 及的光纤m e m s 压力传感器来说，温度效应是指温度变化对光纤m e m s 压力传感器 中法布里一珀罗腔长影响的结果。 设传感器标定温度为t 。，则在温度为t 的时候温度系数如下式：( 其中a 为传 感器微应变对于温度的一个常数) 兰导：口( 丁一t o ) ( 3 5 ) 3 2 光纤m e m s 压力传感器温度系数分析 本课题设计制造的光纤m e m s 压力传感器示意图见图3 1 ，其中为硅敏感膜， 用来感知外界压力；为玻璃环( 设膨胀系数为o ( ，长度为l 1 ) ；为光纤( p s z ) 陶瓷插针套管：为陶瓷插针( 设膨胀系数为a ：，插入玻璃环内长度为l ：) ； 为光纤法兰盘。本设计中陶瓷插针套管将玻璃环以及陶瓷插针连接为一个整体， 也就是说对本传感器来说温度效应主要就是材料受温度改变l 。和l ：的长度而影响 了传感器的输出。 设初始温度为t o ，则在温度t 时传感器中法布里一珀罗腔长变化为 1 4 。( t ) = ( l l 木a l - l 2 水o c 2 ) ( t t o ) ( 3 - 6 ) ，( t ) 为正值时说明传感器腔长增长，为负值时说明传感器腔长减小。其中腔长 相对温度变化率为l 。木o c 。一l 2 木o c 2 ， 在本论文工作中使用玻璃环为性能类似7 7 4 0 的玻璃材料制成，其线性热膨胀 系数为3 3xi 0 喝 c ，氧化锆陶瓷( p s z ) 烧结体线性热膨胀系数为8 3 i 0 。6 ， 代入数据，当温度变化为么t 时，其腔长相对温度的变化为( 3 3 xi 0 。6 l 。一8 3 x 1 0 喝l 2 ) * a t 。 图3 1 光纤m e m s 压力传感器结构示意图 对于8 号传感器，玻璃环长即l 。为3 2 5 m j n ，腔长为记室温下为3 3 0 8 1 8 p r o ， 则l 2 为2 9 2 舳。数据代入上式，在么t 取6 0 时，其理论腔长变化值为- 0 8 1 p r o ， 其中负号表示随着温度的升高其腔长是减小的。 3 3 零温度系数光纤m e m s 压力传感器理论分析 根据上面的分析，本论文设计出的压力传感器在环境温度发生变化的时候， 其腔长仍是稍有变化，但是，由于该传感器中受温度影响的部分主要就是玻璃环 及其氧化锆陶瓷插针，其他因素可基本忽略，因此，从理论上来说，我们可以设 计出零温度系数光纤m e m s 压力传感器。这里我们主要分析和讨论的是和上面的设 计结构一样，也采用相同材料的压力传感器。 有上面的式子可知，对于该设计的压力传感器，要实现其零温度系数，即需 要其前面的系数项为零，由此可知，只要其中的l 。和l ：满足一定的比例关系，而 且保证在一定的温度范围内其材料的热膨胀系数不发生变化，即可实现零温度系 数光纤m e m s 压力传感器，下面以图3 1 所示结构为例说明。 由前面的分析可以知道为了实现光纤m e m s 压力传感器的零温度系数，也就是 要使得温度前面的整个式子为零，即 l i 木ql l 2 * q2 = 0 ( 3 7 ) 根据我们的要求，传感器的腔长应该在4 0 0 微米附近，设定腔长为么l ，即： l 。一l ：= 么l ( 3 8 ) 对上面的两个方程联合求解，即可计算出设计所需要的l 。、l 。的值。在本设计中， q 。值为3 3 x1 0 c ，q ：的值为8 3 x1 0 咱。c ，取么l = 4 0 0um ，求解方程组，得 l 1 = 6 6 4um 、l 2 = 2 6 4um ，其中即l 。为玻璃环长、l 2 为插入玻璃环内陶瓷插针的长度。 通过上面的计算，要求玻璃环的长度为6 6 4um ，即0 6 6 4 m m ，然而，我们对 玻璃环还需要进行一系列的处理，包括端面研磨，和硅片键合，最后还需要将长 度为2 6 4um 的氧化锆陶瓷插针固定在玻璃环内，然而，在如此小的尺寸要进行如 此复杂的操作并非一件容易的事情，而且尺寸越小，则越容易产生误差。解决的 途径是改变所使用的氧化锆陶瓷插针，使所使用的材料线性膨胀系数可以接近玻 璃的膨胀系数，如此可以得到合适的玻璃环和陶瓷插针的尺寸，由于学习时间的 关系，本论文并未对此后的工作进行实验研究。 3 4 光纤m e m s 压力传感器的设计 传感器的结构示意图见图3 2 。其中是硅膜( 压力敏感膜) 、是玻璃环、 是陶瓷管、是陶瓷插针、是法兰盘。单晶硅片与玻璃环通过阳极键合工艺 固定在一起，陶瓷管与玻璃环相粘结，玻璃环的外侧壁与光纤法兰盘的凹槽用环 氧树脂粘结，光纤陶瓷插针插入与之匹配的陶瓷管内，陶瓷插针中光纤的端面与 单晶硅片的下表面形成法布里一珀罗腔。 1 6 图3 2 光纤m e m s 压力传感头 在总体设计时，压力敏感膜的参数选择非常重要。压力敏感膜的厚度选择需 要同时考虑挠度与外加压力之间的线性关系，以及灵敏度的要求。由模拟计算分 析，膜厚选择在1 2 0 1 8 0 9 m 。法布里一珀罗腔的长度选择主要考虑对比度与腔长 的关系。如图3 3 所示。由于腔长达到2 m m 时仍然有0 3 的对比度，腔长达到 6 i i n 时仍然有0 1 以上的对比度，因此法布里一珀罗腔的长度选择有比较大的范 围。综合考虑，设计压力传感器的具体参数如下：压力敏感膜的厚度为1 8 0 1 t m ； 玻璃环的内径为1 6 5 r a m ，外径为2 6 5 m m ，光纤插头的端面与敏感膜的距离也即 法布里一珀罗腔的长度为大约4 0 0 “m 。 图3 3 对比度与腔长的关系 1 7 3 5 本章小结 本章先简要介绍了材料及传感器温度系数的基本概念，并根据我们设计光纤 m e m s 压力传感器对其温度系数进行了分析探讨，计算出了其理论的温度系数及 热输出，最后分析了零温度系数光纤m e m s 压力传感器模型，并给出了压力传感 器的最终设计，对其参数选择也进行了简单的分析。然而，由于时间关系，并未 对这部分的工作展开实验研究。 1 8 第四章法布里一珀罗型光纤m e m s 压力传感器加工制作 本论文设计制作的法布里一珀罗型光纤m e m s 压力传感器使用硅敏感膜来感 知外界环境压力，其中法布里一珀罗腔即是由硅敏感膜和光纤端面所形成。本章 先是介绍了使用的硅材料的一些特殊性质和微细加工过程中使用到的一些关键技 术，最后详细介绍了硅敏感膜即感压芯片的加工步骤及传感器的装配过程。 4 1 使用的材料特性 材料既是人类社会进步的基石，又是社会现代化的物质基础与先导。硅材料 科学与技术的发展在世界材料学领域中占据着极其重要的地位。1 9 4 8 年发明的半 导体晶体管，导致电子设备小型、省能、低成本，并提高设备的可靠性及寿命； 1 9 5 8 年出现的集成电路，使计算机及各种电子设备发生了一次飞跃。集成电路的 发展十分迅速，进入2 0 世纪9 0 年代，集成电路的集成度进一步提高到微米、亚 微米以至深亚微米水平。研究工作则向更精细的特征线宽方向发展。这些都与硅 单晶的生长和晶片加工技术密切相关。地球上硅的存量十分丰富，可以说是取之 不尽用之不竭，在工艺上比较容易获得高纯度和高完整性的硅单晶等优势，因此 硅一直是最重要的元素半导体，是电子工业的基础材料，具有许多重要的物理化 学性质。下面主要从三个方面来介绍硅的一些材料特性： 在电学方面：硅是目前最常用的半导体材料，其电学性质有两个重要的特点， 一是导电性介于导体和半导体之间，二是电导率和导电型号对杂质和外界因素 ( 光、热、磁等) 高度敏感。结构完整、完全纯净的半导体称为本征半导体。纯 净的硅称为本征硅。本征硅中电子和空穴的浓度相等，它的导电性能很差。一般 根据需要在本征硅中掺入其它元素得到杂质硅，其电导率将会显著增加。若在硅 中掺入五价元素( 如磷) ，硅以电子导电为主，成为n 型硅；若在硅中掺入三价 元素( 硼) ，硅以空穴导电为主，成为p 型硅。在p 型半导体和n 型半导体结合 后它们的界面形成p n 结，它是半导体器件的基本结构和工作基础。 1 9 在光学方面：硅在室温下的禁带宽度为1 1 2 e v , 光吸收处于红外波段。硅单晶 在红外波段的折射率在3 5 左右。硅是制作微电子器件和集成电路的主要半导体 材料，但作为光电子材料有两个缺点：它是间接带隙材料，不能做激光器和发光 管；其次它没有线性电光效应，不能做调制器和开关。 在力学和热学方面：在室温下单晶硅是一种脆性材料。它会象玻璃一样突然 断裂，而不会象大多数金属那样产生塑性形变。它的杨氏模量、硬度和抗拉屈服 强度与许多常见的金属( 如不锈刚) 接近。但当温度高于7 0 0 c 时硅具有热塑性， 在应力作用下会呈现塑性形变。硅的抗拉应力远大于抗剪应力，所以硅片容易碎 裂。硅片在加工过程中有时会产生弯曲，影响光刻精度。 表4 1 硅的物理化学性质 性质( t = 3 0 0 k )符号单位硅( s i ) 原子序数 z1 4 原子量 m2 8 9 密度 p g c m 3 2 3 2 8 晶格常数 aa5 4 3 比热c d j ( g k ) o 7 热膨胀系数1 k 2 6x1 0 。6 沸点 2 3 5 5 禁带宽度 e g e v1 1 2 本征载流子浓度n i1 c m 3 1 5 1 0 1 0 本征电阻率 p1q c m2 3 1 0 。 电子扩散系数d 。c m 2 s 3 4 6 空穴扩散系数 d p c m 2 s 1 2 3 折射率 n3 8 7 杨氏模量eg p a1 6 0 屈服强度n m 27 1 0 9 努普硬度 k g r m 3 a 2 8 5 0 4 2 微细加工技术 4 2 1 光刻 光刻是半导体加工工艺中最常用、最重要的工艺之一。它是利用掩膜板上的 几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光