提高膜片式F-P腔光纖壓力傳感器靈敏度的試驗(yàn)研究

張慧君，張立喆，段玉培，陳喜

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

目前，在微型傳感器的制作技術(shù)方面，微電子機(jī)械系統(tǒng) (Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)技術(shù)已成為光纖傳感器制作領(lǐng)域的新方向。MEMS光纖壓力傳感器具有體積小、抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油、化工等領(lǐng)域。并且由于MEMS器件易于大規(guī)模集成化生產(chǎn)，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(shù)加工而成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于MEMS工藝批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)，同一批次傳感器的靈敏度將具有較高的一致性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，不同的測(cè)試環(huán)境對(duì)傳感器的數(shù)量和靈敏度要求各不相同，如果針對(duì)不同靈敏度，分別進(jìn)行批量化生產(chǎn)，則會(huì)造成生產(chǎn)成本過(guò)高，經(jīng)濟(jì)化效益降低。因此，本文利用濕法腐蝕的方法對(duì)傳感器進(jìn)行膜片減薄試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算腐蝕速率，控制腐蝕時(shí)間，可以在一定范圍內(nèi)提高傳感器的靈敏度，從而滿(mǎn)足不同的測(cè)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(jié)構(gòu)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(shù)加工而成，敏感膜片由Pyrex7740玻璃組成。當(dāng)外界壓力作用于膜片時(shí)，膜片發(fā)生形變，導(dǎo)致F-P腔腔長(zhǎng)改變，從而引起干涉光譜的變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)干涉光譜，并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，即可得到作用在膜片上的壓力大小［3－4］。

根據(jù)彈性力學(xué)原理，壓力變化Δp與腔長(zhǎng)變化Δd的關(guān)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(shí)的特性參數(shù)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(huì)導(dǎo)致傳感器尺寸的增大，因此可以通過(guò)減小膜片厚度的方法來(lái)提高傳感器的靈敏度［5］。

2 實(shí)驗(yàn)部分

對(duì)膜片的減薄可以通過(guò)氫氟酸的腐蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)［6］。氫氟酸可以與二氧化硅反應(yīng)生成絡(luò)合物，其化學(xué)反應(yīng)式為

一般情況下，氫氟酸對(duì)二氧化硅的腐蝕速率較快，在工藝上很難控制。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常加入氟化銨 (NH4F)作為緩沖劑，從而保持穩(wěn)定的腐蝕速率［7］，這種腐蝕溶液常稱(chēng)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(diào)設(shè)備，將傳感頭放入BHF溶液中，開(kāi)始腐蝕，記錄時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的腔長(zhǎng)值。根據(jù)腔長(zhǎng)的變化值，可以計(jì)算出傳感器靈敏度的變化，最終計(jì)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(huì)與氫氟酸生成不溶物沉積在膜片表面，從而影響到腐蝕質(zhì)量［8］。為了保證腐蝕的均勻性，在腐蝕過(guò)程中需用玻璃棒不斷攪拌。腐蝕結(jié)束后，將傳感頭用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈伞?/p>

3 結(jié)果與討論

3.1 HF濃度對(duì)腐蝕速率的影響

由于HF腐蝕性較強(qiáng)，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(dāng)HF濃度增大到20%時(shí)，膜片表面較為粗糙，表明腐蝕速率過(guò)快。因此，為了較好地控制膜片的腐蝕速率，HF的濃度應(yīng)為10%。

表1 不同HF濃度下的膜片腐蝕速率

3.2 溫度對(duì)腐蝕速率的影響

溫度是影響腐蝕速率的另一個(gè)重要因素。HF濃度為10%時(shí)，不同溫度下測(cè)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(zhì)量不受影響，最佳的腐蝕溫度應(yīng)選為40℃。此外，由于小范圍的溫度波動(dòng)也會(huì)造成腐蝕速率發(fā)生變化，因此在腐蝕過(guò)程中必須嚴(yán)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(shí)，選取編號(hào)為#1～#5的傳感器進(jìn)行膜片腐蝕。當(dāng)腐蝕時(shí)間為5 min時(shí)，傳感器#5光譜信號(hào)消失，表明膜片已經(jīng)被過(guò)度腐蝕，其余傳感器光譜信號(hào)正常。根據(jù)腐蝕過(guò)程中傳感器腔長(zhǎng)值的變化，可以計(jì)算出膜片腐蝕后的靈敏度，從而得到膜片的最終厚度，結(jié)果如表3所示。

表3 腐蝕后的膜片厚度

3.4 壓力標(biāo)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(cè)量設(shè)備對(duì)其分別進(jìn)行了氣壓標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。其中，傳感器#1腐蝕前后的壓力標(biāo)定曲線(xiàn)如圖2～3所示。腐蝕前，傳感器#1在0～180 kPa(絕壓)范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)到22.6 nm/kPa，曲線(xiàn)的線(xiàn)性度為0.9998，由于重復(fù)性較好，正負(fù)行程曲線(xiàn)基本重合。經(jīng)計(jì)算，傳感器的非線(xiàn)性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器靈敏度可達(dá)到34.2 nm/kPa，與表3中的計(jì)算值基本符合，曲線(xiàn)的線(xiàn)性度為0.9997，正負(fù)行程曲線(xiàn)基本重合。此時(shí)傳感器的非線(xiàn)性誤差仍為0.05%，可實(shí)現(xiàn)0～120 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。

對(duì)于傳感器#2，腐蝕前，在0～200 kPa(絕壓)范圍內(nèi)，靈敏度達(dá)到19.3 nm/kPa。傳感器的非線(xiàn)性誤差為0.05%。腐蝕減薄后，傳感器的靈敏度可達(dá)到33.6 nm/kPa，與表3中的計(jì)算值基本符合。此時(shí)傳感器的非線(xiàn)性誤差為0.1%，可實(shí)現(xiàn)0～130 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。

4 結(jié)論

圖2 腐蝕減薄前傳感器#1的壓力標(biāo)定曲線(xiàn)

圖3 腐蝕減薄后傳感器#1的壓力標(biāo)定曲線(xiàn)

膜片厚度決定了傳感器的壓力測(cè)量范圍和靈敏度。為了滿(mǎn)足不同測(cè)試環(huán)境對(duì)傳感器靈敏度的不同要求，本文利用濕法腐蝕的方法對(duì)傳感器進(jìn)行膜片減薄試驗(yàn)，該方法工藝簡(jiǎn)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(yàn)表明，HF濃度和腐蝕溫度對(duì)腐蝕速率有重要的影響，腐蝕后的膜片質(zhì)量與腐蝕速率有關(guān)。壓力標(biāo)定結(jié)果表明，膜片減薄后，傳感器的靈敏度可達(dá)34.2 nm/kPa，與計(jì)算值基本一致。其標(biāo)定曲線(xiàn)的線(xiàn)性度為0.9997，傳感器的非線(xiàn)性誤差為0.05%，可滿(mǎn)足0～120 kPa(絕壓)范圍內(nèi)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。但由于過(guò)度的腐蝕會(huì)使傳感頭損壞的幾率變大，此方法只能在一定范圍內(nèi)提高傳感器的靈敏度。因此，進(jìn)一步確定靈敏度的可變化范圍以及實(shí)現(xiàn)靈敏度變化的精確控制將成為未來(lái)的研究重點(diǎn)。

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