一、引言 微型光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）是微光學(xué)、微電子和微機(jī)械三者結(jié)合的產(chǎn)物，也是機(jī)、電、光、磁、化學(xué)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)的綜合。作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，MOEMS的應(yīng)用遍及光通信、光顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自適應(yīng)光學(xué)及光學(xué)傳感等多個(gè)方面。利用MOEMS技術(shù)制作的新型光器件，介入損耗小，光路間相互串?dāng)_極低，對(duì)光的波長(zhǎng)和偏振不敏感，并且通常以硅為主要材料，從而使器件的光學(xué)、機(jī)械、電氣性能優(yōu)良；而且，由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，更加方便了擴(kuò)展應(yīng)用。 與MEMS系統(tǒng)相比較，MOEMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，可是實(shí)際制造的復(fù)雜程度更高，實(shí)施的困難更大。因?yàn)橄到y(tǒng)必須留出一條光通道，但是其核心芯片卻要密閉封裝以防敏感的光學(xué)器件受到外界光線(xiàn)的影響，其關(guān)鍵是選用何種材料在密閉封裝內(nèi)做出導(dǎo)光蓋或天窗。目前雖有多種材料可供選擇，但是大多數(shù)天窗都采用陶瓷或金屬以確保良好的密封性能。 與傳統(tǒng)工藝的傳感器相比，用MOEMS技術(shù)制作的傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，如可以在嚴(yán)酷的環(huán)境下工作，有很大的傳輸帶寬、很高的靈敏度、響應(yīng)速度很快；而且，當(dāng)光解調(diào)技術(shù)被應(yīng)用以后，可以實(shí)現(xiàn)多傳感器之間的相互問(wèn)詢(xún)[1]。如在一個(gè)MOEMS傳感器陣列中使用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)后，信號(hào)的收集就會(huì)變得更簡(jiǎn)單；同時(shí)，與以前使用電解調(diào)相比，效率也大為提高。 二、MOEMS 壓力傳感器的分類(lèi)及結(jié)構(gòu) 光學(xué)壓力傳感器是MOEMS傳感器中的一種，因?yàn)槭褂昧藛文；蚨嗄９饫w，又被稱(chēng)為光纖壓力傳感器。根據(jù)測(cè)量原理，光學(xué)壓力傳感器有幾種主要的類(lèi)型：光頻率式壓力傳感器、光強(qiáng)式壓力傳感器、相位式（干涉式）壓力傳感器和偏振光式壓力傳感器，而這其中，偏振光式壓力傳感器可以被看成是光強(qiáng)式壓力傳感器的一種[3]。
光強(qiáng)式壓力傳感器是結(jié)構(gòu)zui為簡(jiǎn)單的一種，它由光源、光纖束、硅膜和信號(hào)接收器構(gòu)成，其中，光纖束由一根傳送光纖和圍繞在它周?chē)慕邮展饫w組組成。光源一般采用發(fā)光二級(jí)管，其發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)傳送光纖到達(dá)硅膜，從硅膜反射后，接收光纖組將其傳送到信號(hào)接收器，zui終轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這種傳感器的精度雖然不太高，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。
相位式壓力傳感器是我們介紹的重點(diǎn),它有兩種類(lèi)型：一種為內(nèi)置琺珀（Fabry－Perot）干涉儀式，另一種是內(nèi)置非平衡Mach—Zehnder干涉儀式。琺珀干涉儀式的主結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）由傳輸光纖、一個(gè)帶圓柱型空腔的玻璃基底和硅膜組成，硅薄膜覆蓋在空腔的一面，光纖則穿過(guò)玻璃板，把光束垂直入射到硅膜和空腔的交接面上?？涨坏膬擅嫔细饔幸粋€(gè)半透膜，這個(gè)半透膜可以是金屬膜或是介質(zhì)膜，這樣便組成了一個(gè)琺珀干涉儀。工作時(shí)，光源發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)正弦調(diào)制后照射硅膜，硅膜吸收光能后局部發(fā)生形變，形變周期與調(diào)制光的周期一致，因此當(dāng)光源的調(diào)制頻率與硅膜的微形變固有頻率一致時(shí)，硅膜的周期形變演變?yōu)橹C振[2]。入射光在光纖末端反射的部分與在硅膜表面反射的部分之間會(huì)形成干涉，測(cè)得的干涉光強(qiáng)的調(diào)制頻率就是硅膜的諧振頻率。當(dāng)待測(cè)壓力引起薄硅膜的形變時(shí)，兩個(gè)半透膜之間的距離發(fā)生改變，這種改變會(huì)導(dǎo)致整個(gè)空腔的諧振頻率產(chǎn)生變化，使諧振頻率與待測(cè)壓強(qiáng)形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)是硅膜的厚度、空腔的的深度和空腔的直徑，正確的選擇這幾個(gè)參數(shù)可以保證傳感器在不同的壓力范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生線(xiàn)性的響應(yīng)。 這種壓力傳感器有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是高靈敏度，比如說(shuō)當(dāng)硅膜的形變只有 0.25 µm時(shí)，其反射系數(shù)可以從0.5變化到0；而且，配合高強(qiáng)度激光，該種傳感器能夠產(chǎn)生很高的分辨率。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是體積小，而第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)則是對(duì)源功率波動(dòng)不敏感。當(dāng)然，這種傳感器也有一些缺點(diǎn)，zui明顯的就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工藝要求較高。空腔內(nèi)的兩個(gè)半透膜必須保持適當(dāng)?shù)木嚯x，且還必須非常光滑，這一切都給制造工藝帶來(lái)了很大的困難。 相位式光學(xué)壓力傳感器的另一種類(lèi)型是基于非平衡M—Z干涉儀的壓力傳感器。它是由在同一個(gè)硅片上加工出的力敏硅膜和一個(gè)非平衡M—Z干涉儀組成的。M—Z干涉儀的一臂（感應(yīng)臂）放置在硅膜的邊緣，而其另一臂（參考臂）則遠(yuǎn)離硅膜。在工作狀態(tài)下，光源發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)一個(gè)波導(dǎo)管分為等強(qiáng)度的兩束光,它們?cè)诓坏乳L(zhǎng)度的兩干涉臂中傳輸后產(chǎn)生一定的光程差，相位因此不同，zui終在另一個(gè)波導(dǎo)管中產(chǎn)生干涉并輸出。當(dāng)壓力使硅膜發(fā)生形變時(shí)，通過(guò)光彈效應(yīng)，改變了波導(dǎo)模式的有效系數(shù)，因而使干涉儀的輸出光強(qiáng)被改變并被檢測(cè)到，通過(guò)檢測(cè)到的光強(qiáng)即可知壓力的變化。 zui后介紹一下偏振光式壓力傳感器，這種傳感器也可歸類(lèi)為光強(qiáng)壓力傳感器。其工作原理為：入射光經(jīng)過(guò)起偏器后變成線(xiàn)性的偏振光，某些特定方向的光線(xiàn)允許通過(guò)。接下來(lái)，光束通過(guò)光彈物質(zhì)后，以垂直于壓力傳播的方向出射。出射光經(jīng)過(guò)另一個(gè)偏光鏡，其傳播方向與*個(gè)偏光鏡相同。當(dāng)壓力使光彈性物質(zhì)發(fā)生形變后，光束的偏振方向發(fā)生改變，致使透過(guò)第二個(gè)偏光鏡的光束強(qiáng)度發(fā)生改變。通過(guò)檢測(cè)出射光強(qiáng)的變化，即可測(cè)得壓力大小。這種傳感器易受溫度影響，因此多用于靜態(tài)壓力的測(cè)量。 三、MOEMS壓力傳感器的制作工藝 基于琺珀干涉儀的壓力傳感器的制作工藝比較復(fù)雜[4]。首先是硅膜的制取，其厚度的選擇取決于待測(cè)的壓力范圍，目前多用超薄硅片來(lái)作為硅膜，因?yàn)槌」杵暮穸纫呀?jīng)達(dá)到了對(duì)硅膜厚度的要求，相對(duì)與用傳統(tǒng)的沉積法和犧牲層工藝制成的硅膜，其厚度更薄，質(zhì)量更高。據(jù)報(bào)道，國(guó)外某公司制作的超薄硅片的厚度只有2mm左右，尺寸為4in.。當(dāng)然，這種超薄的硅片也給工藝過(guò)程帶來(lái)了不少困難。其次是玻璃的處理，玻璃基底的材料要選用耐熱玻璃，其上的空腔和嵌入光纖的通道是用超聲鉆孔法做出的；同時(shí)，它也經(jīng)過(guò)了微機(jī)械加工工藝的處理。下一步則是在經(jīng)過(guò)微機(jī)械工藝加工的玻璃中嵌入光纖。光纖的外圍用環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑緊固了一個(gè)金屬環(huán)，金屬環(huán)和光纖的末端經(jīng)拋光處理后變得光滑平整。此步驟的關(guān)鍵是粘合劑的選擇，粘合劑的反射率要比光纖低，這樣能確保光線(xiàn)不外露。zui后是把帶有空腔的玻璃片和硅膜用陽(yáng)極鍵合的方法結(jié)合在一起。
基于M－Z干涉儀的壓力傳感器的關(guān)鍵制作工藝是在硅片上做出干涉儀結(jié)構(gòu)和力敏薄膜[5]。干涉儀結(jié)構(gòu)是先把硅的氮化物沉積在硅片上，再通過(guò)光刻確定其基本形狀，zui后用刻蝕法得到的。而力敏薄膜則是先在硅片上沉積SiO2，再用光刻法確定出薄膜的基本形狀，zui終用各向異性腐蝕法獲得的。
從上面的敘述中，我們可以看出，光學(xué)壓力傳感器的制作工藝是非常復(fù)雜的。因此，改進(jìn)工藝流程，降低工藝成本，也就成為各國(guó)從事MOEMS的科技工作者的首要研究目標(biāo)。 四、MOEMS壓力傳感器陣列 傳感器陣列是多個(gè)傳感器的有機(jī)組合，它的精度高，重復(fù)性好，可以進(jìn)行分布式測(cè)量。
普通光學(xué)壓力傳感器陣列是用兩個(gè)SOI（硅絕緣體）晶片制成的，每一個(gè)晶片都由超薄的單晶硅層和一個(gè)氧化物掩埋層組成。制作時(shí)，首先在一個(gè)晶圓的外部氧化出一個(gè)SiO2層，再用光刻法確定一系列空腔的位置，接著用各向異性腐蝕法刻蝕出空腔，并去除多余的SiO2 層，此時(shí)的空腔底部就是掩埋層的表面。然后，把這個(gè)晶片和未經(jīng)處理過(guò)的晶片鍵和在一起，上面晶片的單晶硅層就成為覆蓋在空腔上的力敏薄膜，整個(gè)傳感器陣列就形成了。圖2為一個(gè)MOEMS 傳感器陣列的結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)陣列中的單個(gè)傳感器通過(guò)單模光纖的輸入和輸出來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖2所示，硅片上有一個(gè)硅基光波導(dǎo)解調(diào)網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)傳感器通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，完成信息交換和傳輸。
制作陣列需要對(duì)膜片厚度和表面一致性進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制，因此蝕刻工藝成為影響膜片性質(zhì)的重要一步。同時(shí)封裝也是陣列制作的非常重要的一環(huán)，要求使傳感器能夠抵抗高溫和強(qiáng)烈的震動(dòng)，并使傳感器免受非重要環(huán)境因素的影響。
目前，科學(xué)家們正在研制一種新型的壓力傳感器混合陣列，它的特殊之處是在硅片中整合了布拉格光纖光柵，可以為復(fù)合輸出技術(shù)提供一個(gè)非常有用的平臺(tái)，但是這種器件將會(huì)受許多環(huán)境因素的制約，比如溫度等。
光學(xué)壓力傳感器陣列經(jīng)常被用在推力測(cè)試中，以便獲得在一段距離上的壓力圖譜，此時(shí)，陣列中的傳感器數(shù)目會(huì)相當(dāng)?shù)凝嫶蟆Ｒ虼硕嗦窂?fù)用技術(shù)（WDM）將會(huì)發(fā)揮很大的作用。 五、結(jié)論 MOEMS壓力傳感器有著非常的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，尤其是在推力測(cè)試的場(chǎng)合中。而且，隨著微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)以及微光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和深入的融合，MOEMS技術(shù)必將取得更大的輝煌，而用MOEMS技術(shù)制作的傳感器也必將把傳感器技術(shù)帶上一個(gè)新的高度。 |
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