发展中的MOEMS压力传感器

一、引言

微型光机电系统( MOEMS)是微光学、微电子和微机械三者结合的产物，也是机、电、光、磁、化学、传感技术等多种技术的综合。作为光电信号转换系统， MOEMS的应用遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。利用 MOEMS技术制作的新型光器件，介入损耗小，光路间相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并且通常以硅为主要材料，从而使器件的光学、机械、电气性能优良；而且，由于采用了模块化设计，更加方便了扩展应用。

与MEMS系统相比较，MOEMS系统的结构并不复杂，可是实际制造的复杂程度更高，实施的困难更大。因为系统必须留出一条光通道，但是其核心芯片却要密闭封装以防敏感的光学器件受到外界光线的影响，其关键是选用何种材料在密闭封装内做出导光盖或天窗。目前虽有多种材料可供选择，但是大多数天窗都采用陶瓷或金属以确保良好的密封性能。

与传统工艺的 传感器相比，用MOEMS技术制作的 传感器具有许多优点，如可以在严酷的环境下工作，有很大的传输带宽、很高的灵敏度、响应速度很快；而且，当光解调技术被应用以后，可以实现多 传感器之间的相互问询 ^{[1]MOEMS传感器阵列中使用波分复用(WDM)技术后，信号的收集就会变得更简单；同时，与以前使用电解调相比，效率也大为提高。}。如在一个

二、 MOEMS 压力传感器的分类及结构

光学 压力传感器是MOEMS传感器中的一种，因为使用了单模或多模光纤，又被称为光纤 压力传感器。根据测量原理， 光学压力传感器有几种主要的类型：光频率式压力传感器、光强式压力传感器、相位式（干涉式）压力传感器和偏振光式压力传感器，而这其中，偏振光式压力传感器可以被看成是光强式压力传感器的一种 ^{[3]
光强式压力传感器是结构最为简单的一种，它由光源、光纤束、硅膜和信号接收器构成，其中，光纤束由一根传送光纤和围绕在它周围的接收光纤组组成。光源一般采用发光二级管，其发出的光束经过传送光纤到达硅膜，从硅膜反射后，接收光纤组将其传送到信号接收器，最终转换为电信号输出。这种传感器的精度虽然不太高，但是结构简单，制作起来相对简单。
相位式压力传感器是我们介绍的重点,它有两种类型：一种为内置珐珀（Fabry－Perot）干涉仪式，另一种是内置非平衡Mach—Zehnder干涉仪式。珐珀干涉仪式的主结构（见图1）由传输光纤、一个带圆柱型空腔的玻璃基底和硅膜组成，硅薄膜覆盖在空腔的一面，光纤则穿过玻璃板，把光束垂直入射到硅膜和空腔的交接面上。空腔的两面上各有一个半透膜，这个半透膜可以是金属膜或是介质膜，这样便组成了一个珐珀干涉仪。工作时，光源发出的激光束经过正弦调制后照射硅膜，硅膜吸收光能后局部发生形变，形变周期与调制光的周期一致，因此当光源的调制频率与硅膜的微形变固有频率一致时，硅膜的周期形变演变为谐振[2]。入射光在光纤末端反射的部分与在硅膜表面反射的部分之间会形成干涉，测得的干涉光强的调制频率就是硅膜的谐振频率。当待测压力引起薄硅膜的形变时，两个半透膜之间的距离发生改变，这种改变会导致整个空腔的谐振频率产生变化，使谐振频率与待测压强形成对应关系。这种结构的关键参数是硅膜的厚度、空腔的的深度和空腔的直径，正确的选择这几个参数可以保证传感器在不同的压力范围内能够产生线性的响应。}。

这种压力传感器有两大优点：一是高灵敏度，比如说当硅膜的形变只有 0.25 µm时，其反射系数可以从0.5变化到0；而且，配合高强度激光，该种传感器能够产生很高的分辨率。第二个优点是体积小，而第三个优点则是对源功率波动不敏感。当然，这种传感器也有一些缺点，最明显的就是结构复杂和工艺要求较高。空腔内的两个半透膜必须保持适当的距离，且还必须非常光滑，这一切都给制造工艺带来了很大的困难。

相位式 光学压力传感器的另一种类型是基于非平衡M—Z干涉仪的压力传感器。它是由在同一个硅片上加工出的力敏硅膜和一个非平衡M—Z干涉仪组成的。M—Z干涉仪的一臂（感应臂）放置在硅膜的边缘，而其另一臂（参考臂）则远离硅膜。在工作状态下，光源发出的光束经过一个波导管分为等强度的两束光,它们在不等长度的两干涉臂中传输后产生一定的光程差，相位因此不同，最终在另一个波导管中产生干涉并输出。当压力使硅膜发生形变时，通过光弹效应，改变了波导模式的有效系数，因而使干涉仪的输出光强被改变并被检测到，通过检测到的光强即可知压力的变化。

最后介绍一下偏振光式压力传感器，这种传感器也可归类为光强压力传感器。其工作原理为：入射光经过起偏器后变成线性的偏振光，某些特定方向的光线允许通过。接下来，光束通过光弹物质后，以垂直于压力传播的方向出射。出射光经过另一个偏光镜，其传播方向与第一个偏光镜相同。当压力使光弹性物质发生形变后，光束的偏振方向发生改变，致使透过第二个偏光镜的光束强度发生改变。通过检测出射光强的变化，即可测得压力大小。这种传感器易受温度影响，因此多用于静态压力的测量。

三、 MOEMS 压力传感器的制作工艺

基于珐珀干涉仪的压力传感器的制作工艺比较复杂 ^{[4]2mm左右，尺寸为4in.。当然，这种超薄的硅片也给工艺过程带来了不少困难。其次是玻璃的处理，玻璃基底的材料要选用耐热玻璃，其上的空腔和嵌入光纤的通道是用超声钻孔法做出的；同时，它也经过了微机械加工工艺的处理。下一步则是在经过微机械工艺加工的玻璃中嵌入光纤。光纤的外围用环氧树脂粘合剂紧固了一个金属环，金属环和光纤的末端经抛光处理后变得光滑平整。此步骤的关键是粘合剂的选择，粘合剂的反射率要比光纤低，这样能确保光线不外露。最后是把带有空腔的玻璃片和硅膜用阳极键合的方法结合在一起。
基于M－Z干涉仪的压力传感器的关键制作工艺是在硅片上做出干涉仪结构和力敏薄膜[5]SiO₂，再用光刻法确定出薄膜的基本形状，最终用各向异性腐蚀法获得的。
从上面的叙述中，我们可以看出，光学压力传感器的制作工艺是非常复杂的。因此，改进工艺流程，降低工艺成本，也就成为各国从事MOEMS的科技工作者的首要研究目标。。干涉仪结构是先把硅的氮化物沉积在硅片上，再通过光刻确定其基本形状，最后用刻蚀法得到的。而力敏薄膜则是先在硅片上沉积}。首先是硅膜的制取，其厚度的选择取决于待测的压力范围，目前多用超薄硅片来作为硅膜，因为超薄硅片的厚度已经达到了对硅膜厚度的要求，相对与用传统的沉积法和牺牲层工艺制成的硅膜，其厚度更薄，质量更高。据报道，国外某公司制作的超薄硅片的厚度只有

四、 MOEMS 压力传感器阵列

传感器阵列是多个传感器的有机组合，它的精度高，重复性好，可以进行分布式测量。
普通光学压力传感器阵列是用两个SOI（硅绝缘体）晶片制成的，每一个晶片都由超薄的单晶硅层和一个氧化物掩埋层组成。制作时，首先在一个晶圆的外部氧化出一个SiO ₂层，再用光刻法确定一系列空腔的位置，接着用各向异性腐蚀法刻蚀出空腔，并去除多余的SiO ₂层，此时的空腔底部就是掩埋层的表面。然后，把这个晶片和未经处理过的晶片键和在一起，上面晶片的单晶硅层就成为覆盖在空腔上的力敏薄膜，整个传感器阵列就形成了。图2为一个MOEMS 传感器阵列的结构图，整个阵列中的单个传感器通过单模光纤的输入和输出来进行数据交换。如图2所示，硅片上有一个硅基光波导解调网络，单个传感器通过这个网络连接在一起，完成信息交换和传输。
制作阵列需要对膜片厚度和表面一致性进行非常严格的控制，因此蚀刻工艺成为影响膜片性质的重要一步。同时封装也是阵列制作的非常重要的一环，要求使传感器能够抵抗高温和强烈的震动，并使传感器免受非重要环境因素的影响。
目前，科学家们正在研制一种新型的压力传感器混合阵列，它的特殊之处是在硅片中整合了布拉格光纤光栅，可以为复合输出技术提供一个非常有用的平台，但是这种器件将会受许多环境因素的制约，比如温度等。
光学压力传感器阵列经常被用在推力测试中，以便获得在一段距离上的压力图谱，此时，阵列中的传感器数目会相当的庞大。因此多路复用技术（WDM）将会发挥很大的作用。

五、结论

MOEMS压力传感器有着非常优秀的静态和动态特性，尤其是在推力测试的场合中。而且，随着微电子技术、微机械技术以及微光学技术的不断发展和深入的融合，MOEMS技术必将取得更大的辉煌，而用MOEMS技术制作的传感器也必将把传感器技术带上一个新的高度。

参考文献：

[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].吴浩扬,李炳乾,朱长纯,刘君华. 光激、光拾硅微机械谐振传感器的进展[J]. 半导体光电，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

Developing MOEMS Pressure Sensor

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

作者简介：

李晓延：毕业于兰州大学物理系，工程师，
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