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全光纤高灵敏度SiO₂薄膜压力传感器

Denis Donlagic and Edvard Cibula

马里博尔大学电气工程与计算机科学学院，Smetanova 17，

2000 Maribor，Slovenia

Received March 9, 2005

介绍了直径为125 mm的微型法布里压电传感器的设计和制造。 该过程中的基本要素是在光学空腔的中空端熔接的薄SiO 2隔膜。 通过传感器制造过程中隔膜厚度的在线调谐可实现传感器的良好的重复性和高灵敏度。 制作了各种传感器原型，表明压力范围为0至40 kPa至0至1 MPa。 在1550nm处的最大实现灵敏度为1.1rad / 40kPa，实践中证明了压力分辨率为300Pa。 预先设计和制造技术提供了简单且低成本的一次性压力传感器生产的方法。 copy;2005美国光学学会

OCIS codes: 060.2370, 120.2230, 120.3180, 120.3890.

微型压力传感器已成为光纤F-P光学传感器领域最成功的商业应用之一。它们被应用于各种生物医药和工业领域，从人体血压测量到内燃机气瓶的压力测量。微型压力传感器在医疗保健，汽车和航空航天工业等大量应用以及油井井下监测方面都引起了极大的兴趣。 与目前可用的电容和压电传感器相比，干涉光学传感器具有生物相容性，高温生存能力，耐腐蚀性，高分辨率，高灵敏度，固有电气无源性和电磁干扰能力的优点。然而，当前的微型光传感器的制造通常涉及几种材料。 热膨胀系数大的不匹配会导致材料之间的严重应力。 另外，诸如常用的环氧树脂之类的粘结粘合剂可以在高温下分解，当传感器尺寸小至微米时，激光粘合不方便。

近来已经证明了用于光学压力传感器的各种制造技术。传感器通常利用传感器头，该传感器头在光学端面的前面带有隔膜。在大多数情况下，传感器头直径大于光学直径。因此，光学压力传感器的典型尺寸超过几百微米。传感器的尺寸与光纤直径相同，只有几个重新设计的设计完全基于SiO2的传感器证明是非常强大的，温度和环境稳定的。然而，小的传感器尺寸和高的SiO 2弹性模量需要使用非常薄的隔膜来实现实际的灵敏度。这使得目前的全SiO2传感器适用于生物医学和其他低压感应应用。灵敏度有限也增加了中，高压范围光信号处理的复杂性和成本。

先前开发的光学传感器，主要例如利用湿式蚀刻技术、阳极结合和粘结剂粘合技术的传感。这不仅确保了工艺的清洁，安全和简便，而且通过消除危险废物处理和通风柜清洁的需要，大大简化了实验室的维护工作，这种技术可以被任何实验室利用。最后，更简单的制造方法和减少的材料和工具要求无疑降低了总成本。该传感器具有微米尺寸和高温生存能力对于高温和（或）小尺寸重要的应用是有用的，例如涡轮发动机和锅炉中的压力测量另外，全熔融二氧化硅结构导致潜在的生物和医疗应用动脉或静脉血压和冠状动脉，肺动脉和颅内压测量的监测只是需要精确和小型一次性传感器的几个应用。无创压力测量在医学诊断中具有重要意义。监测动脉或静脉血压，冠状动脉，肺动脉和颅内压测量只是少数应用，需要精确，坚固和小的一次性传感器。今天最大的医疗入侵压力测量使用流体填充导管将测量的压力传递到外部传感器。这些传感器受到沿导管和压力线的机械扰动，谐振现象，并且在测量期间还需要许多重新校准。它们受限于时间响应，由于流体惯性，导管长时间增加。此外，这些系统体积庞大，不允许在小血管中进行压力测量。因此，需要用于体内直接测量的侵入式压力传感器。已经通过电容式，压阻和光学检测证明了使用MEMS技术的许多传感原理。光纤传感器提供了一种有吸引力的解决方案，用于由于SiO₂气体相容性，电气性和EM1抗扰性而进行的侵入性压力测量。此外，对于一次性医疗设备而言，光纤价格低廉且生态可接受。大多数光纤压力传感器在光纤末端使用反射膜片，其中可以使用两种检测原理。首先是基于强度的原理，其中反射强度直接取决于膜片偏转。这种方法提供了简单的处理方案，但是受到系统中的光功率波动和中等到低灵敏度的影响。干涉测量技术一般提供最高分辨率。该原理发现在检测来自隔膜的反射光的相变。以前报道使用微型法布里 - 珀罗干涉仪（FPI），其中使用微加工FPI腔和隔膜作为传感器元件，模糊度的问题尚未得到解决，这将系统限制在相对压力变化的测量中。

在本文中，我们提供了一个125毫米直径的全二氧化硅压力传感器，制造在最佳光学尖端。所提出的制造工艺对于隔膜厚度的精确在线控制而言可以提供大约2个数量级的更高的压力灵敏度，这比传统的所有传感器设计报道的更高。 在线隔膜厚度控制还可以导致易于重复的制造程序，可用于将传感器调谐到任意压力范围。

传感器结构如图1所示。它由一个标准的单模光学器件，一个空气腔和一个SiO2隔膜组成。隔膜和F-P腔界面形成了一个低等距法布里 - 珀罗干涉仪（FPI）。 施加压力导致隔膜变化，因此腔长度变化，可以通过适当的技术进行检测。

图1 膜片式压力传感器结构图

通过将标准62.5 mm多模式（MMF）拼接到标准导联单模（SMF）来实现FPI的形成。 MMF从接头断开40毫米。如图2（a）。 然后在HF中刻蚀具有MMF附着部分的引线SMF。

锗掺杂的62.5mm MMF芯的蚀刻速率比纯二氧化硅高约十倍，这允许选择性去除MMF芯。当酸溶液到达光纤中心的SMF-MMF接头时，停止蚀刻。这在光纤的末端形成一个空腔。如图2（b）。蚀刻过程的正确终止对于实现结构的高再现性至关重要，并且可以通过参考文献中描述的程序进行控制。或者，制造过程中的这个第一步可以用拼接和精密切割一小段空心砧代替，将其末端有空腔的引脚SMF尖端拼接到SMF的另一部分。 SMF的新接合部分与腔体大致相距10〜50mm。图2（c）。然后将该结构放置在标准的光学连接器套圈中并抛光，直到接合的SMF桁架长度不被重复为几个（通常为3〜5）微米。图2（d）。抛光用3毫米粗粒度的抛光纸进行抛光，大约通过使用0.5毫米砂纸尺寸的抛光纸去除最后一个SMF的千分尺。这在光学尖端处产生FPI，其中抛光SMF的短段形成SiO 2隔膜。隔膜的抛光是制造过程中的一个重要步骤，因为它可以控制地减少二次厚度降至几微米。 如下所述，抛光还可以确保THORN;面端面的高度，并且微小化实现高灵敏度所需的隔膜厚度的空间不均匀性。 然而，抛光后获得的隔膜仍然太厚，并且不提供实际的压力敏感性（除了在高压下）。

图2 光纤压力传感器制作步骤

使用标准熔接机（我们使用的是Ericsson Model FSU 925 PM-A）进行拼接。 SMF和MMF之间的第一个拼接通过使用MMF-MMF拼接中使用的标准拼接参数来实现。第二个接头需要调整熔接参数以防止接头的变形。在正常拼接期间，在较低的温度下预热，当隔板之间的间隙闭合时，温度升高以实现融合。第二个拼接的拼接方案是以前所未有的方式进行了修改，并且在修剪过程中与之接触。因此，在较高温度下加热光纤末端，然后在闭合间隙之后小心地减小熔化温度。这样可以防止在（空气）F-P腔内的压力升高，从而导致接头变形或破坏。在FSU 925上执行的次级接头的实际参数（融合时间和电流）如下：0.2s / 13.5mA，1s / 9.3mA和1s / 8mA，闭合间隙为50毫米，重叠12毫米。用这些拼接参数获得的拉伸强度优于3N，与正常拼接的情况大致相同。第二个拼接也被证明是对光纤裂纹的质量敏感。因此，使用约克FK-11精密切割刀在良好的工作条件下进行切割。

制造过程的第二步是调整SiO2膜片厚度以达到所需的传感器灵敏度。 通过在缓冲的HF酸中对传感器尖端进行受控的湿蚀刻来进行膜片厚度调节。 我们使用4：1质量比的NH4F 40％/ HF 40％溶液。 这反过来掺杂锗的蚀刻速率， 例如，具有比SiO 2包层低的速率的SMF蚀刻的锗掺杂核心，并且防止在中心处形成孔，由于锗掺杂区域的较高蚀刻速率，否则会发生在无缓冲HF中的隔膜。

隔膜厚度的精确控制是通过将传感器的蚀刻溶液封闭在一个小的压力容器中来实现的（图3）。传感器通过导线连接到询问系统，并且容器内的压力在目标传感器灵敏度范围内连续循环（我们通常使用10秒钟的循环）。传感器的响应（灵敏度）通过询问系统持续观察，当直径达到所需的灵敏度（厚度）时，通过从蚀刻溶液中除去传感器并清除尖端，停止蚀刻。该过程允许将传感器精确调谐到所需的压力范围，并允许重新生产结果。通过该过程可以实现的压力传感器的最大灵敏度（最小隔膜厚度）受到在开始蚀刻过程之前膜片（第二SMF）表面的szlig;atness和质量的限制。初始表面缺陷导致膜片的不均匀局部蚀刻，最终导致膜片的局部过蚀刻（通过蚀刻）。在我们的实验经验中，我们能够实现在1550 nm处每40 kPa压力变化0.6rad的重复传感器相位变化。我们进一步提高灵敏度的尝试通常导致膜片的过度蚀刻（例如，在隔膜中产生孔），对初始隔膜表面质量的更好的控制可能带来更高的灵敏度。

图3 压力传感器调谐系统

传感器的反射光谱由包括具有激光光源和检测器的光谱仪的元件测试系统（CTS; Model S1720，Micron Optics）进行监测。 它的光谱范围为1520到1570nm，分辨率为2.5 pm。理论上，产生三个反射：从导入单模THORN;ber的端面和隔膜的两个表面。 然而，由于直角薄片很薄，所以可以忽略两个小曲面之间的差距。 另外，由于表面反射率小于4％，因此可将光谱估计为双光束干涉仪。在制造过程中，可以引起不同种类的光损耗。 通过使用捻接器仔细调整可以避免由于侧向和角度偏移引起的对准损失。 然而，由腔内的光的透过引起的损失，这可以被认为是两个纵向的不对准，是不可避免的。对于纵向分离L，即双腔长度d在我们的情况下，传输T是光纤，a是芯直径; V = 2pNA / l = 2p n12 -n22 1/2 / l是归一化频率，n1，n2和n3分别是纤芯，包层和空气的指数。将FPI作为简单的双光束干涉仪处理的另外的原因是高斯光束发散。 当光束通过腔体传播时，其直径增加，功率密度降低。 在通过腔体的感测光束的两个或更多个十字交叉点之后，对干涉和的贡献变得可以忽略不计。

图4 蚀刻过程中实际传感器灵敏度上升的示例。

当施加的压力变化时，直径会相应地变形。 因为直径为szlig;at且厚度均匀，所以在施加的压力DP下，其中心部分DL可由

压力变化量Delta;P与腔长变化量Delta;d之间的关系可以表示为：

（3-1）

式3-1中，v是薄膜的泊松比；E是薄膜的杨氏模量。因为v、E是常量，所以在相同腔长改变下，h越小，r越大，Delta;P压力变化越小，灵敏度越高。

传感器的有效压力极限由剥离极限确定，不超过隔膜厚度的30％。在此结论中，灵敏度在整个操作范围内均匀，例如，半径为37.5mm，直径厚度为5.85mm，传感器的压力限制为10,000psi 68,950kPa，感度为0.17nm / psi。 采用2.19 mm厚的隔膜，传感极限为200 psi 1379 kPa，灵敏度为3.2 nm / psi。

图5 压力传感器评估实验装置

图6 压力传感器对三种不同压力范围（a，0〜40 kPa; b，0〜200，kPa; c，0〜1 MPa）的响应。

对于0至40kPa的循环压力变化，示出了传感器相位变化对时间的幅度。 由于传感器相位变化和蚀刻时间之间的关系是非线性的直径间隔与膜片厚度之间的高度非线性关系。 很明显，只有通过使用允许精确终止蚀刻过程的有源在线控制，才能实现最大灵敏度（同时防止过蚀）和良好的重复性。

图7 传感器Fabry-Perot腔的光束的光谱

实验装置如图5，使用可调谐源将FPI设置为正交点，并应用电力计直接观察反射强度。 去极化器用于去除3 dB耦合器的偏振灵敏度。 图6显示了为不同压力范围生产的传感器的典型响应。 第一传感器（曲线a）旨在实现最高的灵敏度。 该传感器的响应如图1所示。 6为生物医学（0-40 kPa）压力范围。 实际实现的光学相位变化在1550nm处为1.1rad / 40kPa，其对应于3.4nm / kPa的膜片剥离（对于我们所知道的所有SiO 2传感器的微小压力的最高预报4膜片灵敏度 为0.04nm / kPa）。 调整其他两个传感器（曲线b和c）以提供p（1550nm），0〜200kPa，0〜1MPa压力变化。 通过特定的询问设置和最灵敏的传感器（曲线a），我们可以在100 Hz带宽下检测到低达300 Pa的压力变化。 图7显示了设计用于1300 nm LED照明下生物医学压力范围的传感器的反射特性。 边缘可见度几乎达到100％，表明FPI镜像的平衡性很好。

传感器表现出低温依赖性，这可归因于空腔长度的热膨胀和空腔内的压力变化。温度引起的压力误差可以是按Dp_err = p_spl /T_spl la/S DT，其中pspl和Tspl是压力和绝对温度dur-空腔密封（拼接）（pspl 100 KPa和Tspl 2000 K），a是热膨胀系数的SiO₂ 5310^minus;7 K^minus;1，S是膜片感光灵敏度。对于S = 3.4nm / kPa（我们最敏感的情况）我们得到Dperr / DT = 53Pa / K，这与测量的温度

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