提高膜片式F-P腔光纖壓力傳感器靈敏度的試驗研究

張慧君，張立喆，段玉培，陳喜

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

目前，在微型傳感器的制作技術方面，微電子機械系統 (Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技術已成為光纖傳感器制作領域的新方向。MEMS光纖壓力傳感器具有體積小、抗電磁干擾、動態范圍大等優點，已廣泛應用于航空航天、石油、化工等領域。并且由于MEMS器件易于大規模集成化生產，可以較大程度地降低傳感器的成本［1－2］。

膜片式F-P腔光纖壓力傳感器是采用MEMS技術加工而成，結構如圖1所示。由于MEMS工藝批量化生產的特點，同一批次傳感器的靈敏度將具有較高的一致性。但是在實際應用中，不同的測試環境對傳感器的數量和靈敏度要求各不相同，如果針對不同靈敏度，分別進行批量化生產，則會造成生產成本過高，經濟化效益降低。因此，本文利用濕法腐蝕的方法對傳感器進行膜片減薄試驗，通過計算腐蝕速率，控制腐蝕時間，可以在一定范圍內提高傳感器的靈敏度，從而滿足不同的測試需求。

1 膜片式壓力傳感器原理

圖1 膜片式F-P腔光纖壓力傳感器結構圖

膜片式F-P腔光纖壓力傳感器是基于法布里-珀羅干涉原理，采用MEMS技術加工而成，敏感膜片由Pyrex7740玻璃組成。當外界壓力作用于膜片時，膜片發生形變，導致F-P腔腔長改變，從而引起干涉光譜的變化。通過監測干涉光譜，并對其進行解調，即可得到作用在膜片上的壓力大小［3－4］。

根據彈性力學原理，壓力變化Δp與腔長變化Δd的關系可以用表示為

式中:h為膜片厚度;r為膜片的有效半徑;μ為膜片的泊松比;E為膜片的楊氏模量。

靈敏度Y可以表示為

理論上，Pyrex7740玻璃在25℃時的特性參數為:楊氏模量E=62.75×109Pa;泊松比μ=0.2。由上式可以看出，膜片厚度越小，有效半徑越大，傳感器的靈敏度越高。但有效半徑的增加會導致傳感器尺寸的增大，因此可以通過減小膜片厚度的方法來提高傳感器的靈敏度［5］。

2 實驗部分

對膜片的減薄可以通過氫氟酸的腐蝕來實現［6］。氫氟酸可以與二氧化硅反應生成絡合物，其化學反應式為

一般情況下，氫氟酸對二氧化硅的腐蝕速率較快，在工藝上很難控制。因此，在實際應用中，常加入氟化銨 (NH4F)作為緩沖劑，從而保持穩定的腐蝕速率［7］，這種腐蝕溶液常稱為緩沖氫氟酸腐蝕劑(BHF)。

將配制好的BHF溶液 (3mlHF溶液+6gNH4F+10mlH2O)倒入特氟龍容器中，蓋上蓋子，水浴加熱。然后連接傳感器與解調設備，將傳感頭放入BHF溶液中，開始腐蝕，記錄時間，實時監測傳感器的腔長值。根據腔長的變化值，可以計算出傳感器靈敏度的變化，最終計算出膜片的腐蝕速率。由于玻璃中含有一些氧化物如CaO，Al2O3等，會與氫氟酸生成不溶物沉積在膜片表面，從而影響到腐蝕質量［8］。為了保證腐蝕的均勻性，在腐蝕過程中需用玻璃棒不斷攪拌。腐蝕結束后，將傳感頭用去離子水沖洗，氮氣吹干。

3 結果與討論

3.1 HF濃度對腐蝕速率的影響

由于HF腐蝕性較強，HF的濃度很大程度上影響著膜片的腐蝕速率［9］。將BHF溶液加熱至40℃，不同HF濃度下膜片的腐蝕速率如表1所示。從表1可以看出，隨著HF濃度增大，膜片的腐蝕速率快速增加。當HF濃度增大到20%時，膜片表面較為粗糙，表明腐蝕速率過快。因此，為了較好地控制膜片的腐蝕速率，HF的濃度應為10%。

表1 不同HF濃度下的膜片腐蝕速率

3.2 溫度對腐蝕速率的影響

溫度是影響腐蝕速率的另一個重要因素。HF濃度為10%時，不同溫度下測得的膜片腐蝕速率如表2所示。從表2可以看出，溫度升高，膜片腐蝕速率不斷增大。為了保證腐蝕后膜片的質量不受影響，最佳的腐蝕溫度應選為40℃。此外，由于小范圍的溫度波動也會造成腐蝕速率發生變化，因此在腐蝕過程中必須嚴格控制溫度。

表2 不同溫度下的膜片腐蝕速率

3.3 膜厚及靈敏度

在腐蝕溫度為40℃，HF濃度為10%時，選取編號為#1～#5的傳感器進行膜片腐蝕。當腐蝕時間為5 min時，傳感器#5光譜信號消失，表明膜片已經被過度腐蝕，其余傳感器光譜信號正常。根據腐蝕過程中傳感器腔長值的變化，可以計算出膜片腐蝕后的靈敏度，從而得到膜片的最終厚度，結果如表3所示。

表3 腐蝕后的膜片厚度

3.4 壓力標定

在常溫常壓下，選取腐蝕后膜厚較小的兩只傳感器#1和#2，利用高精度壓力測量設備對其分別進行了氣壓標定實驗。其中，傳感器#1腐蝕前后的壓力標定曲線如圖2～3所示。腐蝕前，傳感器#1在0～180 kPa(絕壓)范圍內，靈敏度達到22.6 nm/kPa，曲線的線性度為0.9998，由于重復性較好，正負行程曲線基本重合。經計算，傳感器的非線性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器靈敏度可達到34.2 nm/kPa，與表3中的計算值基本符合，曲線的線性度為0.9997，正負行程曲線基本重合。此時傳感器的非線性誤差仍為0.05%，可實現0～120 kPa(絕壓)范圍內壓力的準確測量。

對于傳感器#2，腐蝕前，在0～200 kPa(絕壓)范圍內，靈敏度達到19.3 nm/kPa。傳感器的非線性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器的靈敏度可達到33.6 nm/kPa，與表3中的計算值基本符合。此時傳感器的非線性誤差為0.1%，可實現0～130 kPa(絕壓)范圍內壓力的準確測量。

4 結論

圖2 腐蝕減薄前傳感器#1的壓力標定曲線

圖3 腐蝕減薄后傳感器#1的壓力標定曲線

膜片厚度決定了傳感器的壓力測量范圍和靈敏度。為了滿足不同測試環境對傳感器靈敏度的不同要求，本文利用濕法腐蝕的方法對傳感器進行膜片減薄試驗，該方法工藝簡單，成本低廉，可以在一定程度上提高傳感器的壓力靈敏度。試驗表明，HF濃度和腐蝕溫度對腐蝕速率有重要的影響，腐蝕后的膜片質量與腐蝕速率有關。壓力標定結果表明，膜片減薄后，傳感器的靈敏度可達34.2 nm/kPa，與計算值基本一致。其標定曲線的線性度為0.9997，傳感器的非線性誤差為0.05%，可滿足0～120 kPa(絕壓)范圍內壓力的準確測量。但由于過度的腐蝕會使傳感頭損壞的幾率變大，此方法只能在一定范圍內提高傳感器的靈敏度。因此，進一步確定靈敏度的可變化范圍以及實現靈敏度變化的精確控制將成為未來的研究重點。

［1］張冬至，胡國清.微機電系統關鍵技術及其研究進展［J］．壓電與聲光，2010，32(3):513－520.

［2］ Cary K Fedder.MEMS Fabricafion ［C］ //2003 IEEE International TestConference(ITC).Charlotte， NC， USA:IEEE，2003.

［3］韓冰，高超.光纖F－P腔壓力傳感器的研究進展 ［J］.計測技術，2012，32(2):5－10.

［4］于清旭，賈春艷.膜片式微型F－P腔光纖壓力傳感器［J］．光學精密工程，2009，17(12):2887 －2892.

［5］賈春艷.微型低壓光纖法布里－珀羅干涉傳感器研究［D］．大連:大連理工大學，2009.

［6］黃慶安.硅微機械加工技術 ［M］.北京:科學出版社，1996.

［7］周健，閆桂珍.Pyrex玻璃的濕法刻蝕研究 ［J］.微細加工技術，2004(4):41－44.

［8］崔峰，肖奇軍，等.Pyrex玻璃金屬化凹坑的濕法腐蝕［J］．功能材料與器件學報，2008，14(1):236－240.

［9］ Spierings G A C M.Wet chemical etching of silicate glasses in hydrofluoric acid based solutions［J］ .Journal of materials science，1993，28:6261－6273.