膜片式光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器的研制

張慧君

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

0 引言

基于法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）干涉原理的光纖壓力傳感器是目前應(yīng)用較為廣泛的一類(lèi)光纖傳感器［1-3］，其抗電磁干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高、耐溫性能好，能夠滿足多種場(chǎng)合的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試需求，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)已開(kāi)展相關(guān)研究。如，國(guó)內(nèi)工程兵科研三所研制的F-P 光纖爆炸壓力傳感器，性能好，響應(yīng)快，成功應(yīng)用于爆炸沖擊波壓力測(cè)量［4-5］；美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)［6］、Luna Innovations公司［7］和英國(guó)的Oxsensis 公司［8-9］分別研制了F-P 高溫光纖壓力傳感器，最高工作溫度可達(dá)1000℃，并在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中取得了良好的效果。

對(duì)于一般的F-P 腔光纖壓力傳感器而言，F(xiàn)-P干涉腔可由兩個(gè)或多個(gè)反射面構(gòu)成。但當(dāng)存在多個(gè)反射面時(shí)，傳感器的輸出為復(fù)合F-P 腔干涉光譜［10-12］，信號(hào)解調(diào)的速度及精度均會(huì)受到影響，在一定程度上限制了其在動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文研究了一種膜片式光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，通過(guò)機(jī)械研磨的方式消除了膜片外表面產(chǎn)生的反射光影響，操作簡(jiǎn)單、方便、有效，解決了由多個(gè)反射面帶來(lái)的光譜復(fù)雜問(wèn)題。研磨后的傳感器靈敏度一致性可控、性能良好，滿足動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量需求。

1 F-P腔干涉原理

如圖1 所示，光纖壓力傳感器主要包括膜片、基底和光纖三部分，膜片和基底由MEMS技術(shù)批量制作而成，膜片材料為硅，基底材料為玻璃。光纖由基底底部的通孔穿入，光纖端面與膜片表面構(gòu)成F-P干涉腔。當(dāng)外界壓力作用在膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，F(xiàn)-P腔的腔長(zhǎng)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起干涉信號(hào)變化。通過(guò)探測(cè)干涉信號(hào)的變化，可得到外界壓力的大小。

圖1 膜片式光纖壓力傳感器示意圖Fig.1 Schematic diagram of diaphragm-type optical fiber dynamic pressure sensor

通常MEMS加工技術(shù)得到的膜片內(nèi)外表面均為鏡面。因此，入射光會(huì)在光纖端面S1、膜片內(nèi)表面S2、膜片外表面S3三個(gè)界面上分別發(fā)生反射，反射光之間彼此發(fā)生干涉，最后返回到光纖的是復(fù)合FP腔的干涉信號(hào)。復(fù)合F-P腔的反射率R表示為［13］

其中，

式中：r1，r2，r3分別為S1，S2，S3界面的反射系數(shù)；t1，t2，t3分別為S1，S2，S3界面的透射系數(shù)；φ1，φ2分別為光經(jīng)過(guò)空氣腔、硅腔的相位差；d1，d2分別為空氣腔、硅腔的腔長(zhǎng)，μm；n1，n2分別為空氣、硅的折射率；λ為入射光的波長(zhǎng)，nm。

當(dāng)膜片外表面S3為磨砂面時(shí)，入射光不會(huì)在S3面發(fā)生反射，由光纖端面S1與膜片內(nèi)表面S2形成單一的F-P腔。根據(jù)F-P干涉儀的基本理論，其反射率R表示為

由式（6）可知，F(xiàn)-P 腔的反射率與各反射面的反射系數(shù)、透射系數(shù)、F-P腔腔長(zhǎng)及光源波長(zhǎng)均有關(guān)。假設(shè)d1=100 μm，d2=30 μm，根據(jù)式（1）和式（6），可以分別得到復(fù)合F-P腔和單一F-P腔的理論光譜，如圖2所示。

圖2 復(fù)合F-P腔和單一F-P腔的理論光譜Fig.2 Theoretical spectra of composite F-P cavity and single F-P cavity

由圖2可以看出，與單一F-P腔相比，復(fù)合FP 腔的輸出光譜更為復(fù)雜，由此可知，復(fù)合F-P 腔傳感器的動(dòng)態(tài)解調(diào)難度更大。因此，在傳感器的制作過(guò)程中，將對(duì)膜片的外表面進(jìn)行粗化處理，以消除膜片外表面反射光的影響。

2 傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)彈性力學(xué)原理，傳感器的壓力靈敏度Y為

式中：Δd為膜片的形變量，nm；ΔP為壓力的變化量，kPa；h為膜片的厚度，nm；E為硅材料的楊氏模量，1.3×108kPa；r為膜片的有效半徑，nm；μ為硅材料的泊松比，0.28。

通常膜片的最大形變量不能超過(guò)膜片厚度的30%［14］，即Δdmax＜0.3 h。因此，由式（7）可得最大壓力變化量ΔPmax，從而確定傳感器的量程。圖3為不同有效半徑下膜片厚度與最大壓力變化量之間的關(guān)系。可以看出，同一有效半徑下，膜片的最大耐受壓力隨著膜片厚度的增加而不斷增大。

圖3 膜片厚度與最大壓力變化量的關(guān)系Fig.3 Relationship between diaphragm thickness and maximum pressure variation

此外，傳感器的動(dòng)態(tài)特性由膜片的固有頻率決定，膜片的固有頻率fmn為

式中：αmn為膜片振動(dòng)模式的一個(gè)常數(shù)；w為膜片材料的質(zhì)量密度，kg/m3。

根據(jù)式（8）得到不同有效半徑下膜片的一階固有頻率與膜厚的關(guān)系，如圖4 所示。由圖4 可以看出，同一有效半徑下，膜片越厚，膜片的一階固有頻率越高。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合壓力測(cè)量范圍及動(dòng)態(tài)性能要求進(jìn)行傳感器參數(shù)的設(shè)計(jì)，傳感器的最大使用頻率一般不超過(guò)其一階固有頻率的1/5。

圖4 膜片的一階固有頻率與膜厚的關(guān)系（m=n=0）Fig.4 Relationship between first-order natural frequency and thickness of the diaphragm（m=n=0）

3 傳感器制作

3.1 傳感器焊接

采用CO2激光加工的方式完成傳感器的焊接。激光焊接系統(tǒng)主要包括CO2激光器、微位移平臺(tái)、CCD 顯微攝像機(jī)、光纖解調(diào)儀等部分組成，如圖5所示。首先，夾持并固定傳感器各組件，利用微位移平臺(tái)調(diào)節(jié)其相對(duì)位置；然后，將處理好的光纖穿入基底的中心孔中，根據(jù)光纖解調(diào)儀顯示的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，調(diào)整傳感器腔長(zhǎng)值；最后，設(shè)置激光器參數(shù)，發(fā)射一定功率的激光，完成傳感器的焊接。

圖5 激光焊接系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of laser welding system

3.2 膜片表面粗化

為得到單一的F-P腔，采用研磨方式對(duì)膜片外表面進(jìn)行粗化加工。首先，將傳感器裝夾在光纖研磨機(jī)的專(zhuān)用夾具上，傳輸光纖與光纖解調(diào)儀相連；然后，設(shè)置研磨參數(shù)，對(duì)膜片進(jìn)行研磨，直至傳感器輸出光譜滿足要求；最后，對(duì)膜片外表面進(jìn)行清洗，完成研磨。光纖研磨機(jī)常用的研磨紙粗糙度分別為30，9，1 μm三種，研磨紙的粗糙度直接影響膜片的粗化效果。由于膜片本身厚度較小，使用30 μm的研磨紙時(shí)，膜片易破損；而使用1 μm的研磨紙時(shí)，研磨效率較低；因此，選取9 μm 的研磨紙對(duì)膜片外表面進(jìn)行研磨，并在研磨過(guò)程中對(duì)傳感器光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而更好地控制研磨質(zhì)量。

若研磨不充分，膜片外表面依然存有部分反射率，峰值強(qiáng)度大小不一，傳感器光譜如圖6（a）所示；當(dāng)研磨充分時(shí)，傳感器光譜如圖6（b）所示，干涉條紋近似于標(biāo)準(zhǔn)余弦形式輸出曲線，各個(gè)峰值強(qiáng)度比較一致，此時(shí)膜片外表面反射的影響已基本消除。

圖6 膜片表面處理后的傳感器光譜圖Fig.6 Sensor spectrum after surface treatment of diaphragm

為了提高研磨工藝的一致性，對(duì)研磨轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，得到了最佳研磨參數(shù)：研磨轉(zhuǎn)速約為50 r/min，研磨時(shí)間不超過(guò)20 s。在最佳研磨工藝下，膜片研磨質(zhì)量得到了有效保證。對(duì)研磨前后的膜片外表面進(jìn)行顯微觀測(cè)，如圖7 所示。研磨前，膜片的外表面為光滑鏡面，粗糙度約為40 nm。研磨后，膜片外表面粗糙度增大，由鏡面變?yōu)槟ド懊妫鶆蛐匀暂^好，無(wú)破損現(xiàn)象。

圖7 膜片外表面顯微圖Fig.7 Micrograph of outer surface of diaphragm

3.3 傳感器封裝

光纖壓力傳感器的主要組件為玻璃基材料，為提高傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，可根據(jù)不同的測(cè)試需求，對(duì)傳感器進(jìn)行金屬化封裝。圓柱式封裝結(jié)構(gòu)如圖8所示。傳感器的壓力敏感結(jié)構(gòu)位于封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，膜片位于最前端，感知外界壓力。傳感器后端利用軟管對(duì)光纖進(jìn)行保護(hù)，并用少量膠粘劑進(jìn)行固定，減小光纖彎折對(duì)傳感器信號(hào)質(zhì)量的影響。

圖8 傳感器金屬化封裝Fig.8 Metallization package of the sensor

4 傳感器標(biāo)定

4.1 靜態(tài)壓力標(biāo)定

對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的靜態(tài)壓力標(biāo)定［15］。將傳感器放置于密封的壓力容器中，壓力容器通過(guò)管路與標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器相連，傳感器的傳輸光纖從壓力容器出口引出并連接至光纖解調(diào)儀。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器，從常壓開(kāi)始，以40 kPa為一級(jí)，升壓至200 kPa（表壓），依次記錄各壓力點(diǎn)下的正行程輸出值；之后，再以40 kPa 為一級(jí)，降低壓力至常壓，倒序記錄各壓力點(diǎn)下的反行程輸出值。正行程和反行程標(biāo)定往返一次為1 個(gè)循環(huán)，重復(fù)3 個(gè)循環(huán)。圖9 是傳感器正反行程的腔長(zhǎng)-壓力變化曲線，可以看出，傳感器的正反行程曲線基本重合，數(shù)據(jù)重復(fù)性好。對(duì)該曲線進(jìn)行線性擬合，R2≈0.9999。

圖9 傳感器腔長(zhǎng)-壓力變化曲線Fig.9 Cavity length-pressure curve of the sensor

此外，對(duì)使用最佳研磨參數(shù)加工的一批傳感器進(jìn)行壓力標(biāo)定，以評(píng)價(jià)研磨工藝的一致性，結(jié)果如表1 所示。傳感器的壓力靈敏度均為2.91 nm/kPa左右，且腔長(zhǎng)-壓力變化曲線的線性較好，測(cè)量誤差小于等于0.5%FS。由此表明，研磨工藝一致性可控，可批量進(jìn)行膜片粗化處理。

表1 傳感器測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of sensors

4.2 動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定

利用正弦壓力校準(zhǔn)裝置對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定［16］。正弦壓力校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的壓力，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被測(cè)壓力傳感器對(duì)稱(chēng)安裝在正弦壓力發(fā)生器主機(jī)壓力室的兩側(cè)，兩者同時(shí)測(cè)量正弦變化的壓力，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被測(cè)壓力傳感器的輸出，可得到被測(cè)壓力傳感器的頻率響應(yīng)特性。

膜片式動(dòng)態(tài)壓力傳感器所設(shè)計(jì)的固有頻率約為300 kHz，通常對(duì)60 kHz 以下的壓力信號(hào)有較好的響應(yīng)，但受到光纖解調(diào)儀采樣頻率20 kHz 的限制，故在20～2500 Hz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)。選擇20，500，1000，1500，2000，2500 Hz 作為標(biāo)定頻率點(diǎn)，記錄各頻率點(diǎn)下傳感器的輸出值。結(jié)果表明：在20～2500 Hz 內(nèi)，傳感器的幅值靈敏度相對(duì)誤差優(yōu)于±10%，能夠滿足動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量需求。表2為傳感器在不同頻率下的幅值靈敏度相對(duì)誤差。

表2 傳感器的幅值靈敏度相對(duì)誤差Tab.2 Amplitude sensitivity relative errors of sensor

5 結(jié)論

研制了一種膜片式光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器，通過(guò)機(jī)械研磨膜片外表面的方法得到了單一的F-P干涉腔，滿足了動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量對(duì)傳感器光譜信號(hào)的要求。該方法操作簡(jiǎn)單，一致性好，可以用于批量傳感器的粗化處理。對(duì)傳感器進(jìn)行了0～200 kPa（表壓）的靜態(tài)壓力標(biāo)定和20～2500 Hz 的動(dòng)態(tài)壓力標(biāo)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器性能良好，其靜態(tài)測(cè)量誤差小于等于0.5%FS，幅值靈敏度相對(duì)誤差優(yōu)于±10%，能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。在后續(xù)工作中，可開(kāi)展動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試的實(shí)際應(yīng)用研究，從而進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器性能。