KEYENCE光纖傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　光纖傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　光纖傳感器可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)馄喌雀邷馗邏旱膼毫迎h(huán)境，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和健康評(píng)估。在石油化工領(lǐng)域，可用于地下開采提供數(shù)據(jù)支持。

　　一般地，當(dāng)壓力范圍在10～100 MPa之間時(shí)，稱之為大壓力，大于100 MPa的壓力為超大壓力。高溫壓力傳感器是指在高于125℃環(huán)境下能正常工作的壓力傳感器。

　　光纖傳感器由于其具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)勢，而得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。然而，該類傳感器在超過120℃環(huán)境下使用時(shí)，會(huì)由于內(nèi)部PN結(jié)出現(xiàn)漏電而導(dǎo)致傳感器性能急劇下降，進(jìn)而導(dǎo)致失效[3,4,5,6]。因此，如何把MEMS技術(shù)的優(yōu)勢和現(xiàn)有的技術(shù)相結(jié)合，通過改進(jìn)工藝、選擇新型的耐高溫材料，進(jìn)而克服MEMS傳感器的上述缺點(diǎn)，光纖傳感器。光纖傳感器多種類型材料組合形成的新型敏感元件紛紛問世。

　　光纖傳感器敏感元件材料為分類目標(biāo)，針對(duì)目前常用的幾類高溫大壓力傳感器(包括多晶硅高溫壓力傳感器壓力傳感器、高溫壓力傳感器、高溫壓力傳感器以及光纖高溫壓力傳感器)的工作原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等進(jìn)行了闡述。

　　光纖傳感器主要采用SiO2作為介質(zhì)薄膜來代替PN結(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電隔離，該傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示[7,8,9,10,11]。該傳感器工作原理與硅壓阻式壓力傳感器類似，都是以單晶硅膜片作為敏感元件，把壓力值轉(zhuǎn)換為膜片的應(yīng)力變化，通過壓敏電阻把變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測量。由于單晶硅本身的性質(zhì)受溫度影響較大，因此基于單晶硅的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器使用溫度范圍受到了很大的限制。而多晶硅薄膜作為壓阻敏感材料可使傳感器使用溫度范圍極大拓寬。傳感器在制作中采用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低壓氣相淀積)工藝在SiO2上制作多晶硅膜，再通過擴(kuò)散工藝制作基于多晶硅材料的壓敏電阻。由于以Si O2介質(zhì)隔離代替了PN結(jié)隔離，減少了器件在高溫下的漏電，從而提高了傳感器工作溫度。

　　光纖傳感器主要利用了SOI材料制作工藝高、鍵合過程中附加應(yīng)力小(襯底硅和SiO2直接鍵合，沒有其他過渡層，避免了附加應(yīng)力產(chǎn)生)的特點(diǎn)，故將其作為敏感材料。其工作原理如圖2所示。該傳感器工作原理與硅壓阻壓力傳感也比較類似。由于SOI材料具有自隔離、抗電磁輻射、穩(wěn)定性好、耐高溫等特

　　光纖傳感器的研究目前還停留在實(shí)驗(yàn)階段。2001年，復(fù)旦大學(xué)黃宜平[19]等人采用改進(jìn)的加工工藝制備出SOI材料(Smart-Cut法)，并將這一材料應(yīng)用于雙島-梁-膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，工作溫度可達(dá)300℃，實(shí)驗(yàn)表明該傳感器靈敏度可到達(dá)63m V。河北工業(yè)大學(xué)張玉書[20]等人于2006年制作的SOI高溫壓力傳感器在0～1 MPa條件下，工作溫度可到達(dá)220℃。中北大學(xué)[21]和中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所也分別利用MEMS相關(guān)技術(shù)，研制出了可用于多領(lǐng)域的高溫壓力傳感器。

　　光纖傳感器具有易于與CMOS工藝兼容、集成化程度高、測試范圍寬等特點(diǎn)(可達(dá)1000 MPa)。但SOI傳感器對(duì)制作工藝要求較高，導(dǎo)致其加工相對(duì)困難，一定程度上限制了該傳感器的發(fā)展，但這也是該類傳感器的主要發(fā)展方向。

　　光纖傳感器通常是將在作為彈性體的藍(lán)寶石上異質(zhì)外延生長單晶硅薄膜作為敏感膜片，為雙膜片結(jié)構(gòu)。該傳感器具有非線性小、耐高溫、耐腐蝕、量程大的特點(diǎn)。

　　為克服高溫對(duì)傳感器的影響，光纖傳感器核心敏感元件為雙膜片結(jié)構(gòu):鈦合金膜片和藍(lán)寶石膜片。藍(lán)寶石膜片通過熔焊工藝固定在鈦合金膜片上。在藍(lán)寶石襯底上，通過異質(zhì)外延工藝生長出一層單晶硅薄膜，再利用半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝在硅薄膜上加工出硅應(yīng)變電阻，由硅電阻組成電阻橋[21]。藍(lán)寶石由單晶絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象;同時(shí)具有非常好的彈性和絕緣特性(1000℃以內(nèi))，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下也有很好工作特性[22]，因此可應(yīng)用于各種惡劣高溫的環(huán)境。

　　光纖傳感器雖然具有良好的機(jī)械特性，但由于應(yīng)變薄膜制備的成品率很低，很大程度上限制了該傳感器的批量生產(chǎn)。同時(shí)，由于外延單晶硅薄膜與藍(lán)寶石間存在晶格失配問題，導(dǎo)致其長期穩(wěn)定性較差。如何克服上述問題，對(duì)該類傳感器未來的發(fā)展至關(guān)重要。