光纖MEMS傳感概述

林燦偉，熊 力，李 蓓，黃文彬

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

傳感器在人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，以我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫氖謾C(jī)為例，一款普通的智能機(jī)往往內(nèi)置了十幾只傳感器，例如：加速度計(jì)、氣壓計(jì)、陀螺儀、指紋傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、RGB 光線傳感器、霍爾傳感器、磁場(chǎng)傳感器、紫外傳感器、GPS/北斗等。隨著傳感器的廣泛應(yīng)用，在其他特殊行業(yè)也涌現(xiàn)出了大量的特殊場(chǎng)景或用途的傳感，例如在汽車行業(yè)：毫米波雷達(dá)/激光雷達(dá)/超聲波雷達(dá)/紅外傳感器/攝像頭五大類傳感器。在測(cè)高溫領(lǐng)域出現(xiàn)了熱電偶溫度傳感器。在測(cè)量氣體領(lǐng)域出現(xiàn)了各種化學(xué)法和氣象法的傳感器。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）又稱微機(jī)械系統(tǒng)和微系統(tǒng)，是指尺寸為幾毫米甚至幾微米的高科技器件。目前，微納尺度工業(yè)普遍采用的是加工制造結(jié)構(gòu)。這些都被稱為微納加工技術(shù)。MEMS 專注于超精密加工，涉及材料、微電子、力學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、生物等諸多領(lǐng)域。MEMS 傳感器涉及電、力、聲、光、磁等微尺度領(lǐng)域，是一門復(fù)雜的交叉學(xué)科。它是科學(xué)技術(shù)在人類發(fā)展中交叉融合的結(jié)晶。

隨著傳輸媒介光纖的問世，傳感器這個(gè)大門類得到進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)新的一個(gè)光纖傳感器。光纖傳感器（fibre optic senso）的迅速發(fā)展始于20 世紀(jì)70 年代，即用光纖進(jìn)行刻蝕光柵然后進(jìn)行封裝做傳感器。至今光纖傳感器的發(fā)展已日趨成熟，并在光纖傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展出了光纖MEMS 傳感器。這一新技術(shù)在保留了光纖傳感器的無源、抗干擾特性，充分融合光纖傳感的抗干擾、耐事故能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在小型化、高精度方面又有進(jìn)一步提升，可廣泛應(yīng)用于強(qiáng)電磁場(chǎng)、高溫、煙霧等特殊場(chǎng)景。

1.光纖MEMS 傳感系統(tǒng)

光纖MEMS 傳感系統(tǒng)由MEMS 傳感器、連接光纖、解調(diào)儀三部分組成。

解調(diào)儀主要是發(fā)出激光源后檢測(cè)傳感器返回的光波譜變化。一般可分為光強(qiáng)調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制三種[1]，根據(jù)不同的精度要求以及不同傳感器原理配套不同的解調(diào)技術(shù)。光源通常采用放大自輻射（ASE），光譜范圍一般在1529-1564nm，光源光纖部分負(fù)責(zé)連接光纖與傳感器，通常采用單模光纖。傳感器是無源結(jié)構(gòu)，傳輸以及檢測(cè)完全依靠光信號(hào)，根據(jù)特定的結(jié)構(gòu)或材質(zhì)反饋被測(cè)量的變化。

2.MEMS 光纖傳感器的制作工藝

以光纖MEMS 壓力傳感為例，要制作成傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器由傳感部、光纖準(zhǔn)直器和光纖3 部分構(gòu)成，其中傳感部包括硅片、F-P（法布爾·珀羅 Fabry-Perot）諧振腔體、玻璃三部分。硅片與玻璃之間的會(huì)形成一個(gè)腔體，通常簡(jiǎn)稱為的F-P 腔，傳感部和光纖準(zhǔn)直器通常會(huì)使用UV 膠黏合的方式固定，構(gòu)成傳感器。

圖1 光纖傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 MEMS 光纖傳感器結(jié)構(gòu)圖

光纖MEMS 壓力傳感器的制作過程如下：首先，將硅片與硼硅酸鹽玻璃（pyrex7740 玻璃）陽極連接，形成基于F-P 腔的傳感頭。在清潔的硅片的兩側(cè)氧化一層二氧化硅，然后在兩側(cè)沉積一層氮化硅，如圖3(1) 所示，氮化硅沉積是運(yùn)用低壓化學(xué)氣相化學(xué)沉積（LPCVD-Low Pressure Chemical Vapor Deposition）工藝，其特點(diǎn)是具有很好的抗KOH 腐蝕的特性[2]；通過光刻和反應(yīng)離子刻蝕選擇性地去除硅片頂部的二氧化硅和氮化硅，如圖3（2）所示；采用光刻和濕法刻蝕相結(jié)合的方法在硅片的底面上制備了一個(gè)空腔，同時(shí)，在硅片的頂面上構(gòu)造凹槽結(jié)構(gòu)以減小硅膜片的厚度，如圖3（3）所示；采用真空濺射鍍膜技術(shù)，在硅片底面的空腔中濺射金膜，以提高反射率，如圖3（4）所示；然后去除硅片表面的二氧化硅和氮化硅，如圖3（5）所示；最后在高溫、高壓、真空和壓力條件下，通過陽極鍵合工藝將硅片和硼硅酸鹽玻璃鍵合在一起，形成傳感頭[3]，如圖3（6）所示。

圖3 MEMS 傳感芯片制作流程示意圖

通過前文可知，MEMS 光纖傳感器的制作工藝和方法和IC 芯片(Integrated Circuit Chip)制造工藝極為相似，不同的是MEMS 工藝的主要目的是為了在硅基基礎(chǔ)上構(gòu)建機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且在硅基材料的基礎(chǔ)上復(fù)合其他材料，運(yùn)用材料的特性以及結(jié)構(gòu)的特性達(dá)到采集被測(cè)物體物理量的目的。采用光刻、離子刻蝕、濕法刻蝕、離子注入、真空濺射、鍵合、覆膜、清洗等標(biāo)準(zhǔn)化工藝，可極大限度地保證產(chǎn)品的一致性，通過大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)而降低芯片的生產(chǎn)成本。MEMS 制造工藝本身具有成本低、高性能和批量化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)MEMS 光纖傳感器一般會(huì)采用相對(duì)穩(wěn)定的傳感結(jié)構(gòu)和材料并且傳感器本身沒有電路也不產(chǎn)生電信號(hào)，可以完全不受強(qiáng)電磁場(chǎng)以及輻照影響，進(jìn)一步提高傳感器的使用壽命和使用領(lǐng)域。

3.MEMS 光纖傳感器的原理

MEMS 光纖傳感器的原理目前比較主流的有F-P 腔結(jié)構(gòu)，在F-P 腔外附加各種敏感膜結(jié)構(gòu)通過腔長(zhǎng)變化來檢測(cè)被測(cè)物理量變化。還有懸臂梁結(jié)構(gòu)、扭擺軸結(jié)構(gòu)[4]、磁膜微鏡結(jié)構(gòu)等對(duì)被測(cè)物的物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，被監(jiān)測(cè)物的物理發(fā)生變化影響傳感器，通過傳感器反饋回來的光波變化即可計(jì)算出被測(cè)物的物理量變化。近年來在MEMS光纖傳感器已經(jīng)發(fā)展出了溫度[5]、壓力、應(yīng)力、振動(dòng)、加速度、氣體[6]、超聲[7]等多種傳感器類型。

4.結(jié)語

MEMS 光纖傳感器技術(shù)還處于技術(shù)融合和發(fā)展的階段，其廣泛應(yīng)用與實(shí)際效益將會(huì)伴隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷凸顯出來。面對(duì)工業(yè)互聯(lián)和萬物互聯(lián)的巨大需求，電傳感器、生物傳感、化學(xué)傳感器等多種MEMS 傳感器將會(huì)繼續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，上世紀(jì)90 年代，國(guó)外就開始了光纖傳感器在核電廠的應(yīng)用研究，經(jīng)過了30 年的發(fā)展，光纖MEMS 傳感器基本可以覆蓋核電廠各種參數(shù)的測(cè)量。完全可以構(gòu)建一個(gè)全光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，從數(shù)據(jù)采集傳輸全通過光信號(hào)解決，從而充分發(fā)揮光纖傳感器所具有的精度高、體積小抗電磁干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在如航空航天、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、電力、船舶行業(yè)的諸多領(lǐng)域產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響，很多電類傳感器無法穩(wěn)定測(cè)量的領(lǐng)域?qū)?huì)被實(shí)時(shí)測(cè)量。隨著光通信技術(shù)、MEMS 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將有越來越多的MEMS 光纖傳感方案產(chǎn)生，并將在特殊場(chǎng)景應(yīng)用以及特種行業(yè)發(fā)揮更為重要的作用。