（物理电子学专业论文）光纤法布里—珀罗mems压力传感器的研究.pdf

摘要 摘要 传感器的微小型化、多功能、高灵敏度和批量生产能力已是工业生产和国防 建设的迫切需求。微机电系统( m e m s ) 传感器和光纤传感器仍然是当前研究和 开发的热点。光纤m 卟压s 压力传感器既具备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，又具备光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、 易于组成分布式测量网的特点。我们研制的光纤m e m s 压力传感器是对现有的压 力传感器技术的提高和补充，能够满足科学研究和生产需求，有望解决传感器向 微型化发展和批量生产时遇到的问题，适用于强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境， 在石油化工和航空航天领域有广泛应用前景。 设计并研制了一种基于相位法解调的光纤m e m s 压力传感器。对光纤法布里 一珀罗干涉型m e m s 压力传感器进行了理论分析和数值模拟，分析了该传感器各 个参量对压力测量性能的影响。获得了优化的传感器参数，设计了独特的硅膜一玻 璃环一光纤微腔结构，直接结合商用的光纤和法兰盘制作传感器。简化了工艺，降 低了成本，提高了传感器的可靠性。建立了传感器解调实验系统，用基于傅立叶 变换的相位法解调传感器，实验结果表明传感器性能良好。 设计并研制了一种台面膜型的传感器。建立台面膜的力学模型，推导膜的最 大挠度公式。a n s y s 仿真模拟平面膜与台面膜受压后挠度变化曲线，并对其进行 平行度分析。分析了比较信号平均效应对两种膜型的影响。设计传感器的加工步 骤，详细考虑了双面对准工艺中掩模板的制作。建立传感器的测试系统，对完成 的传感器的样品进行线性度、重复性的性能测试并给出实验结果，并与平面膜进 行分析比较。 设计并研制了一种基于光纤腐蚀的微型非本征型压力传感器。提出了一种全石 英制作的f p 型传感器模型，讨论了e f p i 传感器的灵敏度与分辨率。设计了传感 器的加工步骤，详细讨论了关键步骤h f 腐蚀多模光纤以及单模光纤与多模光纤的 熔接实验。用波长法解调传感器。建立测试系统，对传感器性能进行测试。 关键词：光纤传感；微机电系统；压力传感器；f p 干涉；相位解调；波长解调 a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u s t r yp r o d u c t i o na n dn a t i o n a ld e f e n s er e q u i r eam a s so fm i c r os e n s o r sw h i c h h a v et 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 ，h i 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 m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) s e n s o ra n df i b e rs e n s o ra r ea l s ot h eh o t a r e a so fr e s e a r c ha tp r e s e n t o p t i c a lf i b e rm e m ss e n s o rh a v et h ea d v a n t a g e so fb o t h m e m ss e n s o ra n dt h ef i b e rs e g s o fw 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 l h , h i 薛 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 r lb er e a d i l y i n c o r p o r a t e di n t os e n s o ra r r a y s t h eo p t i cm e m ss e n s o rw es t u d i e di sa ni m p r o v e m e n t q ft h ep r e s e n tp r e s s u r es e b s o li tm a ys o l v et h ep r o b l e m so fm i c r o m i n i a t u r i z a t i o na n d b a t c hp r o d u c t i o na n db ea b l et os u r v i v ei nh a r s he 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 c i n t e r f e r e n c ea n df l a m m a b i l i t y i tm a yh a v eag 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 y a n da v i a t i o n ak i n do fo p t i c a lf i b e rm e m sp r e s s u r es e n s o rb a s e do np h a s ed e m o d u l a t i o ni s d e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h eo p t i c a lf i b e rm e m sp r e s s u r es e n s o ri sd e s i g n e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei m p a c to ft h es e n s o rp a r a m e t e r so f f p e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e da n do p t i m i z e d au n i q u ec o n f i g u r a t i o no fs i - g l a s s - f i b e r m i c r oc a v i t yi s p r e s e n t e d ，w h i c hu t i l i z e s t h ec o m m e r c i a lf i b e ra n df l a n g e t h e d 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 。ap h a s ed e m o d u l a t i o nm e t h o db a s e do f fa f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o ni se x p l o r e de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es e n s o rh a s r e a s o n a b l ep e r f o r m a n c e ， a no p t i c a lm e m sp r e s s u r es e n s o rb a s e do nam e s a - d i a p h r a g mi sp r e s e n t e d t h e m e c h a n i c a lm o d e lo ft h es e n s o ri sf o u n da n dm a x i u md e f l e c t i o no ft h em e m b r a n ei s d e d u c e d t h es i g n a la v e r a g i n ge f f e c to ft h em e s ad i a p h r a g mi sv a l i d a t e db ys i m u l a t i o n , a n di sc o m p a r e dw i t ht h ep l a n a ro n eo l lt h ep a r a l l e l i s m 。f a b r i c a t i o np r o c e s so ft h e s e n s o r i s i n t r o d u c e d , e s p e c i a l l y t h ed o u b l ea l i g n m e n ti nt h e p h o t o l i t h o g r a p h y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t h es e n s o rh a sar e a s o n a b l e l i n e a r i t ya n d s e n s i t i v i t y ak i n do fm i n i a t u r ef a b r y - p e r o tf i b e ro p t i c a lp r e s s u r es e n s o rb a s e do nf i b e r a b s t r a c t e t c h i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e d i t s 址1 - s i l i c as t r u c t u r eh 硒g o o ds t a b i l i t yf o r l o n g - t e r mu s e i na d d i t i o n , i ti sc a b i n e t , s i m p l ef o rf a b r i c a t i o na n di o wc o s t t h e s e n s i t i v i t ya n dr e s o l u t i o na r ed i s c u s s e d t h ef a b r i c a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h e f i b e r e t c h i n gt e c h n o l o g y a n df i b e r s p l i c i n g m e t h o da r e e s p e c i a l l y i n t r o d u c e d w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o ni si n t o r r g a t e dt h es e n s o r t h ep r e s s u r et e s t sh a v eb e e nc a r r i e d o u ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e n g o t k e y w o r d s ：f i b e rs e n s o r ；m e m s ；p r e s s u r es e n s o r ；f - pi n t e r f e r e n c e ；p h a s e d e m o d u l a t i o n ；w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n h i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新一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。 研究生签名：益盏堑盈 e l 期：2 竺盟2 蔓 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。 研究生签名：丝垒垄因 e l 期：兰生1 2 主：三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤m e m s 传感器的特点及发展过程 1 1 1 光纤传惑技术 光纤传感器是自7 0 年代起随光纤通讯及光纤传感等相关技术发展而飞速发展 的新型传感器 1 - 3 。这种传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感 器是以电学传感原理为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号。 因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能导致短路，特别是高温和易燃、 易爆环境中易引起火灾等等。光纤传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用 光纤传输信号。它的优点是i - 4 - 8 1 ： 1 ) 光纤是由石英玻璃制成的，是一种绝缘体。具有耐高压、耐腐蚀等特点。 能在易燃易爆的环境下可靠运行： 2 ) 光纤为无源器件，对被测对象不产生影响； 3 ) 光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列； 4 ) 光纤传感器的载体是光，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大，亦 不受电磁场干扰； 5 ) 具有极高的灵敏度和分辨率，这是普通传感器所无法比拟的。 作为光纤传感系统中信息获取与传输核心器件的光纤传感器的研究显得非常 重要，光纤传感器按其作用不同可分为两种类型：传光型和敏感型 9 - 1 1 。传光 型光纤传感器中的光纤只是作为传光介质，其光路中必须另加其他的传感元件。 敏感型光纤传感器中的光纤不仅传光，而且会随外界因素作用使传光特性发生相 应变化。光纤传感器按其检测方法不同主要又可分为两种类型：强度型和相位型。 强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光波的光强关系来检测相关物理 量的。通常采用多模光纤，结构相对简单可靠。相位型光纤传感器是利用传感对 象和光纤中光波相位变化关系，通过干涉的方法测得相移，从而来检测相关物理 量。通常采用单模光纤组成双光路，结构和技术相对复杂，但灵敏度较高。此外， 还有光频率调制型和光偏振调制型等类型的光纤传感器。 光纤传感器作为传感器技术中的一个重要分支，自上个世纪七十年代美国海 第一章绪论 军研究所开始执行光纤传感器系统计划以来，已经在全世界范围内取得重大发展。 近三十年的时间内，所研究和应用的光纤传感器已达上百种，并在国防军事部、 科研部门以及制造工业、能源工业、医疗等科学研究领域中都得到实际应用。 自1 9 8 8 年l e e 等a 1 2 1 首次制作成功基于光纤本征型法布里一珀罗干涉 ( i n t r i n s i cf a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t r i c ，i f p i ) 腔结构的光纤传感器件，1 9 9 1 年，m u r p h y 等人 1 3 1 开发成功的基于光纤非本征型法布里一珀罗干涉( e x t r i n s i cf a b r y p e r o t i n t e r f e r o m e t r i c ，e f p i ) 腔结构的光纤传感器件以来，光纤法布里一珀罗型传感器逐 渐成为光纤传感器家族中庞大的一支。利用非本征f - p 型传感元作为该传感器的 探测元，可以通过选择适当的光纤、准直毛细管材料和f p 腔结构参数，使得光 纤f p 温度传感器实现高灵敏度和大动态范围的测量而对环境压力变化不敏感； 而光纤f p 应变压力传感器则对大范围温度变化影响作自动枣卜偿，即具有极小的 应变一温度交叉灵敏度，从而使该类光纤传感器迅速得以研究与应用。另外，采 用激光热熔微加工技术制成的非本征f p 腔传感头，具有很好的温度时间稳定性， 不存在迟滞和退化问题。利用本征型f - p 传感元结构，还可任意调节腔长来获得 所需测量灵敏度。相对于f b g 的制作技术和设备，f p 腔传感头制作工艺相对简 单，设备造价低。从应用的角度看，f p 传感器更适合于直接的压力、应变、声波 次声波和温度的测量，并具有准分布传感的能力。由于f p 腔结构和材料参数的 多种可选择性，该传感器更广泛的适用于高温、高压、化学腐蚀和强电磁干扰等 恶劣工业和军事环境中，适用于智能材料传感与大型建筑结构健康监测等领域。 例如，深油井下压力、温度测量，核爆炸试验的声波测量，大型电力设备的温度 电击穿监测，桥梁、水坝的健康监测，石油化工工业的压力、温度及液位测量等 【1 4 - 2 0 a 1 1 2 微机电系统( m m s ) 微机电系统( m e m s ：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 ) 是指微型化的器件或货 器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结合的综合集成系统， 采用微型结构( 包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对与宏观两 言) ，使之能在极小的空间内达到智能化的功效1 2 1 。微机电系统是- f - j 多学科交 叉的新兴学科，它涉及精密微机械、微电子、材料学、微细加工、系统与控制等 技术学科和物理、化学、力学和生物学等若干基础学科 2 2 1 。m e m s 系统主要包括 2 第一章绪论 微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。自然界各种信息作为输入信号首 先通过传感器转换成电信号，经过信号处理后( 包括模拟数字信号间的变换) 再 通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以实现能量的转化，从而将加速度、 热等现实世界的信号转换为系统可以处理的电信号。执行器则根据信号处理电路 发出的指令自动完成人们所需要的操作。信号处理部分则可以进行信号转换、放 大和计算等操作。这一系统还能够以光、电等形式与外界进行通信，并输出信号 以供显示，或与其它系统协同工作，构成一个更大的系统。概括起来，m e m s 具 有以下几个基本特点 2 3 - 1 ) 微型化 这是m e m s 最显著、最基本的特点。具体来说，删s 体积小、重量轻、便 于携带。m e m s 的微型化意味着( a ) 它们能在狭小的空间中进行作业，处理微小 的对象( 如细胞核) ；( b ) 不仅可完成宏观机电系统难以完成的任务，而且定位和 操作的精度更高，对控制信号的响应更快，对周围环境影响小；( c ) 功耗低，不 易受外界干扰，可靠性高。 2 ) 多功能、智能化和高集成度 m e m s 可以将产生力、热、光等多种信号的单元以及起信息处理和控制作用 的微电子线路集成于一体，从而可以执行多种功能，并具有较高的“智能”。高集成 度则意味着m e m s 还可以像集成电路那样包含多个重复单元，而通过对其进行有 机组合来获得更高的总体性能( 如让多个执行器协同工作，以产生更大的力矩输 出或移动距离) ，并提高其可靠性。 3 ) 适于大批量生产 m e m s 能够采用与半导体制造工艺类似的生产方法，像大规模集成电路那样， 同时加工出大量几乎完全相同的零部件，从而大大减少制造成本和时间，并可以 保证很好的重复性与一致性。 鉴于微机械系统发展的方向是微型化、多功能及与微电子的密切结合，其工 艺发展的趋势是智能化、降低尺寸、重复性好、采用仿生学和高级信息技术并减 少环境污染，因而必将促进2 l 世纪的信息资源共享，改善与提高环境质量并推进 社会福利事业。必将在以下几个方面占主要领域及市场前景【2 4 】： 1 ) 压力传感器，主要用于汽车工业和可网络输出的智能型传感器； 2 ) 惯性传感器，加速度、速度和陀螺等传感器，主要用于汽车稳定控制、导 3 第一章绪论 航和真实位置控制等； 3 ) 流体控制，微压力阀、微泵等； 钔数据存储； 5 ) 显示芯片； 6 ) 生物芯片将多方面进入生物领域，如在芯片上的d n a 倍增器，化学反应 器和细菌繁殖器； 7 ) 通信用m e m s 。随着m e m s 技术不断进步，m e m s 将在更多的领域里发 挥作用。 1 。1 3 光纤传感技术与微机电系统的结合 进入2 l 世纪以来，m e m s 技术在光领域中的应用非常弓l 入注目。嘲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。由于以光通信网络为中心的 市场急增，m e m s 技术的成熟和国内外大力的研究开发，光纤m e m s 传感技术正 在迅猛地发展。 光纤m e m s 传感器由于其具有的微型、晌应频带宽、高灵敏度、低成本等特 点而在很多应用领域中显得极为实用。光纤m e m s 传感器在强电磁干扰、高温等 恶劣环境下相比于其它传统的传感器具有较强的适应能力；而且它可以利用波分 复用或对分复用等信号处理技术组成多元传感器阵列，测量环境率的压力、温度 等物理量的分布；m e m s 器件适合于大规模集成化生产，从而大大降低了传感器的 生产成本。 光纤m e m s 传感器的研究始自2 0 世纪为年代，当时主要是以光强度调制为 理论基础进行设计，设计出来的传感器体积较大、制作难度大而且成本较高。2 0 世纪8 0 年代开始研究工作主要集中在基于法布里一珀罗干涉仪的光纤m e m s 传 感器上，这种传感器虽然消除了光强度调制带来的一些限制，但它还是需要非常 复杂的信号处理设备。目前在m e m s 器件的研究方面，压力传感器、加速度传感 器已经成熟，利用波分复用和时分复用技术组成传感器信号处理系统可以实现对 压力、应力、温度、加速度等物理量的测量， 1 2 光纤法布里一珀罗干涉型m e m s 压力传感器的研究现状 光纤法布里一珀罗干涉型m e m s 压力传感器结构简单，较易实现，是目前最 4 第一章绪论 常用的干涉型光纤m e m s 压力传感器。它不仅具有一般光纤传感器可靠性好、抗 电磁干扰、抗腐蚀等特点，还具有测量精度高、动态范围大、线性度好等优良特性。 微机械结构使得法布里一珀罗干涉型压力传感器尺寸减小，价格降低，易于实现 规模生产。随着m e m s 技术的不断成熟，出现了很多种不同结构的光纤法布里一 珀罗干涉型m e m s 压力传感器。其中一部分传感器的压力敏感膜是运用体硅工艺 和表面牺牲层工艺制作的；还有一部分传感器的传感元是利用光纤腐蚀熔接工艺 制作的。 c i n c i n n a t i 的j i ez 1 1 0 u 等人用体硅工艺制作得到光纤法布里一珀罗干涉型 m e m s 压力传感器。如图1 1 ，单晶硅膜作为压力敏感膜，敏感膜是通过k o h 溶 液腐蚀得到的。在玻璃上用i - i f 缓冲溶液腐蚀出浅薄圆柱型腔体，然后用阳极键合 工艺将硅膜与玻璃紧密键合在一起，形成法布里一珀罗腔，最后用环氧树脂将光 纤与传感器芯片对准黏结。当硅膜受到压力后，硅膜发生弯曲，法布里一珀罗腔 长将随之变化。通过检测从法布里一珀罗腔中反射回的光功率变化测量硅膜受到 的压力大小。该种结构传感器的压力敏感膜力学性能稳定，结构稳固，难点就是 运用k o h 腐蚀溶液方法控制压力敏感膜的厚度和h f 缓冲溶液腐蚀玻璃时对腐蚀 表面粗糙度的控制。对于传感器传感性能来说，该种传感器存在信号平均效应。 里一珀罗腔 图1 1 体硅工艺制作的光纤法布里一珀罗干涉型m e m s 压力传感器 j a e h e o n 小组运用表面牺牲层工艺与体硅工艺结合分别制作得到平面膜形和波 纹膜形两种膜形的光纤法布里一珀罗干涉型m e m s 压力传感器。如图1 2 所示， 平面膜形的压力传感器。压力敏感膜是二氧化硅与氮化硅的复合膜。它是通过低 压化学气相沉积( l p c v d ) 工艺制作而成的。法布里一珀罗腔是通过腐蚀多晶硅牺 牲层得到的。在此压力传感器结构中使用体硅工艺刻蚀出凹槽作为腐蚀牺牲层的 通道。该种传感器压力敏感膜厚度以及法布里一珀罗腔深度是比较容易控制的， 主要的难点就是压力敏感膜残余应力的控制和牺牲层的腐蚀。由于该种传感器压 5 第一口绪论 力敏感膜是平面膜，同样存在信号平均效应。如图13 所示，压力敏感膜是波纹形 状的，这种结构的压力传感器与图1 2 中的加工步骡基本一致，只是增加了运用光 刻工艺和反应离子刻蚀( r i e ) 工艺制作波纹的工艺步骤。这种光纤法布里一珀罗干 涉型m e m s 压力传感器的主要优点是减小了敏感膜中的残余应力对压力传感器的 影响以及灵敏度相对于平面膜型的更高，缺点就是存在零压偏移效应。 冈i2 平面膜形的压力传感器 图i3 波纹腕形的压力传感器 氨化硅 二氧化硅 单晶硅 氯化硅 二氯化硅 单晶硅 d o n ca b e y s i n g h e 等人提出了一种微型的光纤m e m s 传感器，利用m e m s 技术将微型结构直接制作在光纤末端，传感器的尺寸与光纤相同。如图14 所示， 采用光刻技术与b h f 溶液腐蚀法在光纤的端面制作凹腔，然后用阳极键合法把硅 片焊接在光纤末端，光纤末端与硅片形成f p 腔的两个反射面。在光纤端面进行 光刺，由于光纤比较小，曝光时对准进度比较难控制。另外，要利用到阳极键合 进行同定，光纤要选择富含金属离子的特种光纤。 图14 光纤与硅片键台 日本t o h o k u 大学的k e n t a r ot o t s u 等人开发了种采用白光干涉的微型光纤 第一辛绪论 压力传感器，如图1 5 所示，他们在外径为1 2 0 l m 的s t 基底上镀s i 0 2 膜，再镀上 铝反射膜形成法一珀腔的一个反射面，通过m e m s 工艺光刻深p i e 刻蚀制成外径 2 p s n 的隳酰亚胺环状阻隔物，与基底一起组成空腔焊接在5 0 1 2 5 i l l r i 的多模光纤末 端。多模光纤末端镀上格半反射膜成为法一珀腔的另一个反射面，干涉腔长2 1 i r a 。 该传感器在压力范围- 1 0 0 - - 4 0 0 m m n g 内能达到灵敏度0 2 5 n m m r n h g 。 圈15 岛光干涉的微型光纤压力传感器 马里波大学的e d v a r dc l b u l a 等人也提出了一种制作在光纤端面上的法布里 珀罗传感器。如图l6 所示，将单模光纤的一端熔接一小段多模光纤，放八h f 溶液中，使其端面处腐蚀成中空的光纤，再将该光纤端面放入聚氨酯等有机溶剂 中通过表面张力等形成有机膜。纤芯被腐蚀掉的光纤凹腔底部与附着其上的有机 膜形成f - p 腔结构。这种有机膜形成的f - p 腔结构实际上属于非本征传感器的变形 结构，它的传感部分是空气隙，由于导入光纤与空腔部分是熔接在一起，因此消 除了光纤自由端在温度变化下对腔长的影响。但由于敏感膜是有机膜，传感器的 机械性能不高。 凰16 腐蚀出的凹腔与有机膜形成的f - p 腔 弗吉尼亚大学的j u n c h e n g x u 、y i z h e n g z h u 、a n b o w a n g 小组设计了一系列制 作在光纤上面的传感器。典型的结构如图l7 所示，单模光纤的一端熔接一段 1 0 5 1 1 2 5 l m 纤芯未掺杂包层掺氟的多模光纤，作为阻挡层，在此多模光纤的另一端 镪 第章绪论 继续熔接6 25 1 1 2 5 1 , t m 纤芯掺锗的多模光纤，放入5 0 的h f 溶液中腐蚀出腔，再 熔接一段1 0 5 1 2 5 p m 的多模光纤作为敏感膜。此类传感器由于是全光纤结构，工 艺简堆，易于制作，并且温度特性比较好。在压力范围2 0 1 9 0 p s i 腔长变化5 26 r i m ， 灵敏度大03 r i m p s i 。 图i7 全光纤制作的光纤f p 传感器 国内先厉有清华大学、天律大学、四川大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、 大连理工大学等多家单位对光纤f - p 传感器进行了基础性研究。其中重庆大学将 波长调制型光纤i ：- p 应变传感器作为自己的研究重点，并将其与大型掘凝土结构 的安全监测紧密的结合起来，现已开发出了可实际使用的第一代光纤f - p 应变仪， 已成功运用与“红槽坊公路立交应变临测”和“宜昌陡江大桥路面铺装材料环道试 验”等一系列重大课题中。大连理工大学采用激光热熔技术，制作了一种体积小、 结构简单的全石英热熔封装型压力传感头。该传感器系统应用于油井下高温和高 压的测量。在0 - 2 0 m p a 压力变化范围内，温度传感器的测量偏差小于02 5 f s 。 13 课题来源及本文研究内容、意义 课题来源： 1 ) 江苏省高技术研究汁划项目( n ob g 2 0 0 3 0 2 4 ) ，光纤询问式m e m s 压力 传感器2 0 0 3 年立项，2 0 0 6 年结题； 2 ) 江苏省高校研究生科研创新项目( n oc x 0 8 1 3 _ 0 7 3 z ) ，光纤法布里一珀 罗型m e m s 压力传感器的研究2 0 0 8 年立项，2 0 0 9 年结题。 131 本论文的目的、意义 传感器的微小型化、多功能、高灵敏度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 传感器和光纤传感器仍然是当前研究和开发的热点。研 制的光纤m e m s 压力传感器既具备m e m s 传感器体积小、功能强、灵敏度高和易 第一章绪论 于批量生产的优点，又具备光纤传感器传输频带宽、动态测量范围大、易于组成 分布式测量网的特点。 在工业领域，目前非常需要能耐高温、高压和腐蚀性环境的微型压力传感器。 例如，油井钻孔、喷射引擎和能量生产设备等方面都非常需要压力的测试，而提 供的传感器安装空间非常有限，环境也及其恶劣。这些因素严重限制了传感器的 结构设计和材料的选择。另外，在这些恶劣环境中温度会发生较大波动，因此用 于这类环境下的压力传感器必须完全对温度不敏感。目前常用的一些压力传感器 都是基于电学传感器的，它存在很多内在的问题没有解决，比如较大的温度依赖 性，易受电磁干扰，体积大，以及在机械性能、温度持久、精度、可靠性、长期 稳定性和重复性方面不甚理想。光纤传感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不 敏感而且能承受极端条件，它没有化学活性，尺寸小，对温度不敏感，不受电磁 干扰，长期稳定性好。将光纤法布里一珀罗传感器应用于油井下温度和压力的测 量研究中，展示出了该类传感器在油井应用中的广阔前景。另外，在生物医学方 面，动脉和静脉的血压、肺部压力、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等的测量， 都需要精确、耐用的微型压力传感器。 本文的研究工作是在充分借鉴前人研究成果的基础上，对现有的压力传感器 技术的提高和补充，能够满足科学研究和生产需求，有望解决传感器向微型化发 展和批量生产时遇到的问题，适用于强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境，在石油 化工和航空航天领域有广泛应用前景。为开发出适用于石油化工、航空等工业领 域应用的新型压力、温度、振动、流速和液位等光纤传感器提供理论依据和实验 证明。 1 3 2 本文的内容安排 第二章：光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的基本理论。根据法布里一珀 罗压力传感器的干涉原理一多光束干涉，推导出反射光强度公式，并对其进行分 析：阐述了压力传感器简单的工作原理；并对现有的解调方法，强度解调、相位 解调和波长解调做了介绍，为以后几章的研究奠定基础。 第三章：光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的制作过程中涉及到的加工工 艺。在传感器加工过程中涉及很多m e m s 加工工艺，为了比较清楚的说明传感器 的制作思想和制作方法，简要介绍涉及到的m e m s 加工工艺。介绍了光刻工艺的 9 第一章绪论 流程，对硅湿法腐蚀的原理进行了分析；讨论了射频功率、反应气体压强以及气 体流量对反应离子刻蚀速率的影响，并确定的刻蚀硅和氮化硅的优化工艺参数； 阐述了阳极键合的原理。 第四章：基于相位法解调的光纤m e m s 压力传感器的研究。对传感器的设计 参数进行了分析，讨论了单晶硅膜厚度对传感器性能的影响，并用a n s y s 进行了 验证，确定了传感器制作的膜厚；讨论了f p 腔深对测量性能的影响，确定了腔 长的范围；分析了传感器的分辨率。用m e m s 工艺设计制作了传感器的芯片，结 合现有的光通讯设备，对传感器进行封装。详细介绍了基于傅立叶变化的相位法 解调原理。建立了传感器的测试系统，对制作完成的压力传感器样品的性能，包 括重复性、迟滞、线性度、灵敏度等进行测试并给出实验结果。研究传感器的温 度特性。 第五章：台面结构的光纤m e m s 压力传感器的研究。建立台面膜的力学模型， 推导膜的最大挠度公式。a n s y s 仿真模拟平面膜与台面膜受压后挠度变化曲线， 并对其进行平行度分析。分析比较信号平均效应对两种膜型的影响。考虑了膜厚 以及台面高度对传感器性能的影响。设计传感器的加工步骤，详细考虑了双面对 准工艺中掩模板的制作。建立传感器的测试系统，对完成的传感器的样品进行线 性度、重复性的性能测试并给出实验结果，并与平面膜进行分析比较总结。 第六章：微型非本征光纤法布里一珀罗压力传感器的研究。提出一种全石英 制作的f - p 传感器模型，讨论了灵敏度与膜厚的关系。对传感头的材料选择进行 了分析。设计加工步骤，详细讨论了关键步骤氢氟酸( h f ) 腐蚀多模光纤以及单 模光纤与多模光纤的熔接实验。用波长法解调传感器。建立测试系统，对传感器 进行测试。 1 0 第= 章光纤法布里一珀罗舢s e 自传感器的基奉原理 第二章光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的基本原理 21 光纤法布里一珀罗传感器结构 211 本征型光纤法布里一珀罗传感器 本征型光纤法一珀干涉( i n t r i n s i cf a b t y - - p e r o ti n t e f f e r o m e t e t ，i f p i ) 传感器 是研究最早的一种光纤f - p 型传感器。i f p l 型光纤传感嚣利用光纤本身作为f _ p 腔，制作本征型光纤f - p 传感头，用于探测外界物理量变化实现传感，其系统原 理示意图如图2 1 所示。光源发出的光经过2 l 耦合器经由传感头的入射光纤传递 到本征型光纤f - p 传感元中经f - p 腔调制的信号由同一根光纤返回到耦台器的另 一端，最后由探测嚣检测得到。这里的i f p i 型光纤传蒋头是由一段长为l 、两平 行端面镀有一定反射率介质的光纤及一根八射光纤构成，其中，两端镀膜的光纤 作为f p 腔，入射光纤与该光纤的一段焊接，用作传感头尾纤。该传感头结构简 单、制作灵活，可通过任意调节光纤的长度l 来改变f p 腔长太小，从而获得所 需的测量灵敏度和测量范围。 f ：舅眵入! 刚1 亏世 一| i，蜥岛；= 1 焱、 r 刊，7 7 一泓量矗 d e r e m ( f( )i 、- 。一楚群，；疆r 图2 1 本征型光纤f - p 传感原理示意图 2 1 2 非本征型光纤法布里一珀罗传感器 非本征型光纤法布里一珀罗干涉( e x t r i n s i cf a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t p r , e f p i ) 传感器的工作原理如图22 所示。通常，光纤e f p l 型传感头是由两根端面平行的 光纤和与光纤外径匹配的毛细管构成，将两根端面切平或抛光的光纡放置并固定 在与其外径匹配的毛细营内两根光纤的垂直端面和空气隙形成f - p 腔，当传感 第= 章a 纤浊! 一用罗m e m s 传盛g 的挂奉 头外界温度、压力等环境因素发生变化时，引起f p 空气腔长度改变，通过检测 f p 干涉返同光强变化特性实现传感。e f p i 型传感头的最大优势在于其制作工艺 相对简单，其传感长度等于两个熔结点之间的准直毛细管长度k ，通过改变这一 长度值，可以设计不同灵敏度的传感器。 图22 非本征型光纤f - p 传感原理示意图 213 其他类型光纤法布里一珀罗传盛器 根据传感头结构的不同，还有在线型光纤法布里一珀罗传感器( i n - l i n e f a b r y p e r o ti n t e r f e r o m e t e r , i l f p i ) 和同轴直径阶梯式光纤法布里珀罗传感器 ( u n i d i a m e t e rt a i l e dt a p e r e df a b r y p c r o ti n t e r f e r o m e t e r ) ，其系统工作原理与前两种 光纤f - p 传感系统相似。在线型光纤法一珀传感器的传感头是在两根端面平行的 光纤之间焊接- - b 段空心光纤作为f - p 腔实现传感，1 9 9 5 年，jss i r k i s 等人最早 提出这一结构，如图23 所示，图中在线f - p 腔k 约9 0 p m ，将同直径的宁心光纤 与传光光纤用光纤熔接机焊接在起，形成f - p 腔，同直径的光纤保证了腔长和 焊接的可靠性。另一种在线型一传缚头的制作方法将光纤的一端漫入氢氟酸溶液 中，使其端面处腐蚀成中空的光纤，再将该光纤端面放入聚氢酯等有机溶剂中成 膜，纤芯被腐蚀掉的光纤坑与附着其上的有机膜形成f - p 腔结构。 h 0 n o wc o l ef i b 吖 n 暑印 图23 在线型光纤法珀传缚器结构图 1 2 第= 章光纤法布一珀罗删s 压力传巷的基本蹂理 图24 给出同轴阶梯直径式光纤法一珀传感器结构图：利用与 射和反射光纤 同直径的空心光纤作为“准直毛细管”，菅内封装一段小芯径光纤与反射光纤端面形 成f - p 腔，用以感知外界物理量的变化。利用这一小芯径光纤易根据需得要到更 小的腔长和保证精确的测量量程。 s m a l l 妇e t ” h o n o 口c 髓h o p t i c a l f i b e r 、 厂曙暖匪西基趋凼珂 l 口= = = = jl | l j k 目e i 目目g 商1 麓恐“ 圈2 4 同轴阶梯直径式光纤法一珀传感器结构图 以上两种类型的光纤f - p 传感器结构制作工艺复杂，但结构设计易精确化、更 微型化，较本征型光纤f - p 传感器具有更低的温度和压力交叉敏感度，适用于低 压环境，诸如海洋水声探测、危险气体泄露探测、发电机和发动机振动等探测测 量。 2 2 光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的干涉原理一多光束干涉 如图25 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圈 图上标出各次反射和透射波的振幅。入射波振幅取为l 。 m 瓣， 图2 5 法布里一泊罗干涉示意图 第二章光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的基本原理 当光波自折射率为t i 的介质入射到折射率为r 1 2 的介质( 空气) 中时，表面 的振幅反射系数为r 1 2 ，相反过程的反射系数为，j 。相应的透射系数为尬和t 2 j 。 对于表面，也有类似的变量r z j ，r 3 z ，纫和锄。所有这些量都是实数。且有如 弋关系：r | 2 = 一r 2 l ，t 1 2 t 2 | - - 1 r l 。 首先考虑反射光线天j ，飓，惑，它们的位相按等差级数变化，公差为 矿：_ 4 7 吃d c o s 如，d 为空气间隙厚度，即法布里一珀罗腔的腔长。 取光线足j 的位相作为位相参考点。所有反射光线的合成复振幅是： e w = ，i 2 + t 1 2 f 2 l 吃3 e - j p u + r a i 吃3 p 一力+ ( 吃i r 2 3 ) 2 p - 2 弦+ ( 吒l r 2 3 ) 3 p - 3 如+ 】 ( 2 1 ) 方括号内是公比为r , 2 r 2 ，e 一朋的等比级数。如果平面足够大，反射次数便无限多， 这时合振幅( 因为，2 仞 1 ) 是 云。：，+ 坠巡：堡竺芝“ 1 + r n r z 3 e 埘1 + r 1 2 r 2 3 e 一 ( 2 2 ) 因而反射光强度是 l = 云艚云：l r ：j 兰蔓l 垒巡(23)2 2 l + ，i 2 吃3 + 2 ，i 2 r 2 3c o s 以上推导出多光束干涉反射光强公式。通过菲涅耳公式我们可以得到： r r 。= r ( 24 ) t x t = t ( 2 5 ) 式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 中r 和t 代表法布里一珀罗干涉仪光学表面的反射率和透射率，如 s i n z 要p s i n ， 口 - - 2 舄厶2 盎厶 眩7 ) - i 杰主厶2 爵五1 厶 汜8 ) ( 1 一只) 2 22 第二章光纤法布里一珀罗m e m s 压力传感器的基本原理 式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 被称为爱里( a i 哆) 公式。其中参量f 为法布里一珀罗干涉仪的细度， 定义为 f ：卫 ( 1 一尺) 二 ( 2 9 ) 可见，当这些反射或透射光束之间光程差固定且满足相干条件，即发生多光 束干涉，且反射光强与透射光强输出与平行平板反射率r 有关，反射率越高，多 光束干涉的透射光极大值输出越锐利，反射光与之相反。当f p 腔的两个端面反 射率非常低时，可以认为r “1 ，且( 1 r ) 2 1 ，则有： = 2 r ( 1 一e o s 0 , ) i o ( 2 1 0 ) = 【1 2 r ( 1 一c o s 妒 ) i o ( 2 1 1 ) 即反射率r 很小时，多光束干涉等效为双光束干涉，其干涉光强随位相改变 呈余弦变化形式。但是，光强的最大值和最小值仅有相位差9 决定，与尺无关， 且反射光强最小值出现在9 = 2 h 的位置，最大值出现在9 = ( 2 k + 1 如的位置，其中 k 为整数