發(fā)展中的MOEMS壓力傳感器

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詢^{[1]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。}。如在一個(gè)

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)最為簡(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圍的接收光纖組組成。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，最終轉(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?，m珀干涉儀式的主結(jié)構(gòu)（見圖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，光纖則穿過玻璃板，把光束垂直入射到硅膜和空腔的交接面上。空腔的兩面上各有一個(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)，最明顯的就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和工藝要求較高?？涨粌?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了很大的困難。

相位式光學(xué)壓力傳感器的另一種類型是基于非平衡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)過一個(gè)波導(dǎo)管分為等強(qiáng)度的兩束光,它們?cè)诓坏乳L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，最終在另一個(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，通過檢測(cè)到的光強(qiáng)即可知壓力的變化。

最后介紹一下偏振光式壓力傳感器，這種傳感器也可歸類為光強(qiáng)壓力傳感器。其工作原理為：入射光經(jīng)過起偏器后變成線性的偏振光，某些特定方向的光線允許通過。接下來，光束通過光彈物質(zhì)后，以垂直于壓力傳播的方向出射。出射光經(jīng)過另一個(gè)偏光鏡，其傳播方向與第一個(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，致使透過第二個(gè)偏光鏡的光束強(qiáng)度發(fā)生改變。通過檢測(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。

基于琺珀干涉儀的壓力傳感器的制作工藝比較復(fù)雜^{[4]2mm左右，尺寸為4in.。當(dāng)然，這種超薄的硅片也給工藝過程帶來了不少困難。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)過了微機(jī)械加工工藝的處理。下一步則是在經(jīng)過微機(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，這樣能確保光線不外露。最后是把帶有空腔的玻璃片和硅膜用陽極鍵合的方法結(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]SiO₂，再用光刻法確定出薄膜的基本形狀，最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，也就成為各國從事MOEMS的科技工作者的首要研究目標(biāo)。。干涉儀結(jié)構(gòu)是先把硅的氮化物沉積在硅片上，再通過光刻確定其基本形狀，最后用刻蝕法得到的。而力敏薄膜則是先在硅片上沉積}。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，國外某公司制作的超薄硅片的厚度只有

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)傳感器通過單模光纖的輸入和輸出來進(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。

MOEMS壓力傳感器有著非常優(yōu)秀的靜態(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。

[1]. Joseph T.Boyd, Samhita Dasgupta, Howard E.Jackson. MOEMS pressure sensor for Propulsion applications[C]. MOEMS and Miniaturized Systems. Proceedings of SPIE ,Vol.4178.
[2].吳浩揚(yáng),李炳乾,朱長純,劉君華. 光激、光拾硅微機(jī)械諧振傳感器的進(jìn)展[J]. 半導(dǎo)體光電，1999，1.
[3] Peter L. Fuhr. Measuring with light, Part 2：Fiber-Optic Sensing-From Theory to Practice[J]. Sensors, 2000,5.
[4] Michael H Beggans, Dentcho I.Ivanov, Steven G. Fu, T.G.. Digges, Jr, K.R.Farmer. Optical pressure sensor head fabrication using ultra-thin silicon wafer anodic bonding[EB/OL]. www.njit.edu.
[5] Acácio L. Siarkowski, Nilton I. Morimoto, Douglas A. P. Bulla. Implementation of an optical integrated pressure sensor based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) [EB/OL]. www.lsi.usp.br

Abstract:MOEMS is a new developing technology, it has been used in optical communication, optical display, data storage, optical sensor and etc. The optical pressure sensor which is made by MOEMS also has many advantages. In this paper,the structure, operational principle and manufacture process of the MOEMS sensor are introduced,the structure and manufacture process of MOEMS sensor array are also described.

Keyword: MOEMS; optical pressure sensor;pressure sensor; array

李曉延：畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理系，工程師，
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