光纖MEMS傳感概述

林燦偉，熊 力，李 蓓，黃文彬

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

傳感器在人們日常生活中已經得到了廣泛的應用，以我們日常生活中常用的手機為例，一款普通的智能機往往內置了十幾只傳感器，例如：加速度計、氣壓計、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、磁場傳感器、紫外傳感器、GPS/北斗等。隨著傳感器的廣泛應用，在其他特殊行業也涌現出了大量的特殊場景或用途的傳感，例如在汽車行業：毫米波雷達/激光雷達/超聲波雷達/紅外傳感器/攝像頭五大類傳感器。在測高溫領域出現了熱電偶溫度傳感器。在測量氣體領域出現了各種化學法和氣象法的傳感器。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）又稱微機械系統和微系統，是指尺寸為幾毫米甚至幾微米的高科技器件。目前，微納尺度工業普遍采用的是加工制造結構。這些都被稱為微納加工技術。MEMS 專注于超精密加工，涉及材料、微電子、力學、化學、力學、生物等諸多領域。MEMS 傳感器涉及電、力、聲、光、磁等微尺度領域，是一門復雜的交叉學科。它是科學技術在人類發展中交叉融合的結晶。

隨著傳輸媒介光纖的問世，傳感器這個大門類得到進一步的發展，出現新的一個光纖傳感器。光纖傳感器（fibre optic senso）的迅速發展始于20 世紀70 年代，即用光纖進行刻蝕光柵然后進行封裝做傳感器。至今光纖傳感器的發展已日趨成熟，并在光纖傳感器的基礎上發展出了光纖MEMS 傳感器。這一新技術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、耐事故能力強的優點的同時，在小型化、高精度方面又有進一步提升，可廣泛應用于強電磁場、高溫、煙霧等特殊場景。

1.光纖MEMS 傳感系統

光纖MEMS 傳感系統由MEMS 傳感器、連接光纖、解調儀三部分組成。

解調儀主要是發出激光源后檢測傳感器返回的光波譜變化。一般可分為光強調制和波長調制、相位調制三種[1]，根據不同的精度要求以及不同傳感器原理配套不同的解調技術。光源通常采用放大自輻射（ASE），光譜范圍一般在1529-1564nm，光源光纖部分負責連接光纖與傳感器，通常采用單模光纖。傳感器是無源結構，傳輸以及檢測完全依靠光信號，根據特定的結構或材質反饋被測量的變化。

2.MEMS 光纖傳感器的制作工藝

以光纖MEMS 壓力傳感為例，要制作成傳感器結構如圖1所示。傳感器由傳感部、光纖準直器和光纖3 部分構成，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形成一個腔體，通常簡稱為的F-P 腔，傳感部和光纖準直器通常會使用UV 膠黏合的方式固定，構成傳感器。

圖1 光纖傳感器系統架構圖

圖2 MEMS 光纖傳感器結構圖

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氧化一層二氧化硅，然后在兩側沉積一層氮化硅，如圖3(1) 所示，氮化硅沉積是運用低壓化學氣相化學沉積（LPCVD-Low Pressure Chemical Vapor Deposition）工藝，其特點是具有很好的抗KOH 腐蝕的特性[2]；通過光刻和反應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合的方法在硅片的底面上制備了一個空腔，同時，在硅片的頂面上構造凹槽結構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，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上構建機械結構，并且在硅基材料的基礎上復合其他材料，運用材料的特性以及結構的特性達到采集被測物體物理量的目的。采用光刻、離子刻蝕、濕法刻蝕、離子注入、真空濺射、鍵合、覆膜、清洗等標準化工藝，可極大限度地保證產品的一致性，通過大規模生產進而降低芯片的生產成本。MEMS 制造工藝本身具有成本低、高性能和批量化生產等優點，同時MEMS 光纖傳感器一般會采用相對穩定的傳感結構和材料并且傳感器本身沒有電路也不產生電信號，可以完全不受強電磁場以及輻照影響，進一步提高傳感器的使用壽命和使用領域。

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 腔結構，在F-P 腔外附加各種敏感膜結構通過腔長變化來檢測被測物理量變化。還有懸臂梁結構、扭擺軸結構[4]、磁膜微鏡結構等對被測物的物理量進行監測，被監測物的物理發生變化影響傳感器，通過傳感器反饋回來的光波變化即可計算出被測物的物理量變化。近年來在MEMS光纖傳感器已經發展出了溫度[5]、壓力、應力、振動、加速度、氣體[6]、超聲[7]等多種傳感器類型。

4.結語

MEMS 光纖傳感器技術還處于技術融合和發展的階段，其廣泛應用與實際效益將會伴隨著技術的進步不斷凸顯出來。面對工業互聯和萬物互聯的巨大需求，電傳感器、生物傳感、化學傳感器等多種MEMS 傳感器將會繼續發展和創新，上世紀90 年代，國外就開始了光纖傳感器在核電廠的應用研究，經過了30 年的發展，光纖MEMS 傳感器基本可以覆蓋核電廠各種參數的測量。完全可以構建一個全光纖傳感網絡，從數據采集傳輸全通過光信號解決，從而充分發揮光纖傳感器所具有的精度高、體積小抗電磁干擾、本質安全等優勢。同時在如航空航天、風力發電、軌道交通、電力、船舶行業的諸多領域產生較為深遠的影響，很多電類傳感器無法穩定測量的領域將會被實時測量。隨著光通信技術、MEMS 技術的進一步發展，必將有越來越多的MEMS 光纖傳感方案產生，并將在特殊場景應用以及特種行業發揮更為重要的作用。