激光加工硅片的膜片式法-珀干涉型光纖壓力傳感器*

劉 宇，王 萌，王 博，姜麗娟，王少華

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津300072;2.天津大學 光電信息技術教育部重點實驗室，天津300072)

0 引 言

光纖法-珀壓力傳感器抗電磁干擾，結構多變，體積小巧，并能夠忍受惡劣條件，廣泛應用于航空、油井等領域的壓力［1］與液位［2］測量以及橋梁［3］等大型建筑物健康監測中。基于膜片的非本征光纖法-珀干涉型［4，5］壓力傳感器由膜片直接感受壓力，與本征型光纖法-珀壓力傳感器相比，傳感器結構多樣化［6］，且在不同壓力測量場合可以選擇適合的膜片材料［7，8］。根據光譜法解調的要求，并結合激光加工技術的優點和硅材料在光學及機械方面的優良特性，本文提出了采用激光加工硅片的膜片式光纖法-珀壓力傳感器，其制作過程快速、過程簡單、操作簡易，所制成的傳感器壓力響應靈敏度有所提高［9］。

1 傳感器原理與結構

對于周邊固定的圓形硅片在受均勻施加的壓力時發生變形，硅膜片上與中心點距離為r 處的撓度為［10］

其中，p 為施加均勻壓力的壓強，a 為未約束硅膜片半徑，h 為膜片厚度，E 為硅材料的楊氏模量，ν 為其泊松比。采用硅片作為膜片的膜片式光纖法-珀壓力傳感器頭的結構示意圖如圖1。對硅片施加壓力從而引起膜片變形，使得法-珀腔長在壓力變化時發生線性的變化。硅片已經過拋光的A2 面與經光纖刀切割的端面平整的裸單模光纖端面A3 面構成法-珀腔的2 個反射面。光從光纖入射并經過法-珀腔的反射后再耦合入光纖。

圖1 膜片式光纖法-珀傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of diaphragm-type optical fiber F-P sensor

一般將硅片的A1 面進行表面紋理化、即毛化處理，以消除外部雜散光的干擾和復合法-珀腔對光譜法解調的影響。設入射光的光強為Ii，反射耦合回光纖內的光強為Io，在不考慮損耗和色散的情況下，根據多光束干涉理論［11］，可知在沒有復合法-珀腔，即只有2 個反射面A2 和A3 形成法-珀腔時的法-珀腔反射率［12］

其中，r1為A3 面的反射系數，r2為A2 面的反射系數，二者與反射面兩側材料有關且可根據菲涅爾定律計算，φ為參與干涉的兩光束的相位差，n 為法-珀腔折射率，L 為法-珀腔長，λ 為入射光波長。若硅片A1 面為拋光面，則存在3 個反射面A1，A2 和A3 形成復合法珀腔，此時的法-珀腔反射率［13］

其中，r3為A1 面的反射系數，t1為A3 面的透射系數，t2為 A2 面的透射系數，t3為 A1 面的透射系數，，i=1，2，為光束經過第i 個法-珀腔后產生的相位差，Li為第i 個法-珀腔腔長。

若選取法-珀腔介質為空氣、腔長L1=90 μm，膜片材料為硅、厚度L2=120 μm，不考慮光纖傳輸損耗和色散時，根據式(2)和式(4)可以分別計算出單個法-珀腔和復合法-珀腔的反射率，如圖2 所示。由圖可見，復合腔法-珀反射率同時受到了膜片形成的法-珀腔和實際空氣法-珀腔的雙重調制。因此，一般須將硅片A1 面進行毛化處理以消除復合法-珀腔對光譜法解調的影響，降低解調的難度。

圖2 復合法-珀腔的反射率Fig 2 Reflections of compound F-P cavities

2 傳感器制作

2.1 傳感頭的激光加工制作

對1 060 nm 波段的光，硅材料有較強烈的吸收。利用激光高能量、高脈沖，對物體表面按照設定的形貌和分布進行照射，使得被照射部位的硅材料急劇升溫，發生急速融化、氣化和冷卻，在光照區域形成具有一定尺寸的凸凹的微結構，在硅膜片表面形成毛化效果［14～16］。改變激光器的參數并增加照射次數，可在硅片表面留下較深的蝕刻痕跡;經反復操作，則可將較薄的硅片切割成圓形以適合傳感器封裝。

采用實驗室自行搭建的Nd∶YAG 脈沖激光器和精密三維控制系統組成的激光加工系統對兩面拋光、厚度為30 μm的硅片中的一個表面進行毛化處理。激光加工系統光路如圖3 所示，其中，2 個掃描振鏡分別實現X 方向和Y 方向的掃描，動態聚焦鏡調整激光聚焦位置，進行Z 向掃描，從而可完成三維結構的加工。激光加工系統輸出功率、X 方向和Y 方向的激光掃描速度、聲光Q 開關的調制頻率以及圖案的網格填充密度均可調。

圖3 Nd∶YAG 脈沖激光器加工系統光路示意圖Fig 3 Optical path diagram of Nd∶YAG pulse laser processing system

設定激光平均功率10 W，X 方向和Y 方向的激光掃描速度100 m/s，聲光Q 開關的調制頻率5 kHz，網格填充密度0.1 mm，在硅膜片表面進行一次掃描可以得到寬度約30 μm、深度約6 μm 的刻槽。將“正交網格型”圖案輸入激光加工系統中，放置硅片樣品并對焦，按以上參數設置后對硅膜片進行表面紋理化處理，處理后的紋理如圖4(a)所示。設定激光平均功率20 W，X 方向和Y 方向的激光掃描速度15 m/s，聲光Q 開關的調制頻率3 kHz，以圓形為圖案在已經過毛化處理的硅片處反復照射9～10 次可將硅片以圓形為圖案切割下來，如圖4(b)所示。

圖4 激光加工后的硅片Fig 4 Si chip after laser processing

2.2 傳感器封裝

采用熱膨脹系數與硅材料相近的Pyrex7740 材料的玻璃毛細管作為傳感器體。其一端有約500 μm 的沉孔以便形成法-珀腔，中部鉆有直徑約127 μm 的通孔以便已去除涂覆層的裸單模光纖從中穿過。將已經過激光毛化處理的圓形硅片其拋光一面朝向玻璃毛細管沉孔，兩者中心對齊后用Loctite 454 膠在硅片周邊小心涂抹，使其兩者粘結。將裸單模光纖從通孔另一端穿入，當光纖端面與硅片拋光面相距約90 μm(即法-珀腔初始腔長，可通過光譜儀或低相干干涉儀實時測量)時，在玻璃毛細管尾部涂環氧膠以固定光纖位置。最后套入松套管以對光纖進行保護。封裝好的壓力傳感器如圖5 所示。

圖5 封裝好的壓力傳感器Fig 5 Packaged pressure sensor

3 壓力測試實驗與分析

采用高精度氣壓源提供穩定的40 ～240 kPa 靜氣壓對已封裝好的傳感器在室溫下進行壓力測試，每20 kPa 采集反射光譜數據進行解調，并實時計算法-珀腔長，結果如圖6所示。傳感器壓力靈敏度為 11.9 nm/kPa，線性度為1.51%。

圖6 氣壓40 ～240 kPa 時的法-珀腔長Fig 6 Cavity length under air pressure range 40～240 kPa

4 結 論

本文采用Nd∶ YAG 激光加工系統對薄硅片進行了表面毛化處理以消除外部雜散光的干擾和復合法-珀腔對光譜解調的影響，采用激光進行切割處理，快速、精準，操作簡單，適合硅膜片的規模化批量制作和傳感器小批量快速制作以及研究的場合。壓力實驗表明:在低壓范圍內傳感器線性度良好，靈敏度達到11.9 nm/kPa。而在傳感器封裝過程中膠的使用為傳感器引入了不確定性，因此，激光熔接等技術有待應用于光纖法-珀傳感器的封裝過程中，以進一步完善傳感器的全激光加工封裝。

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