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摘 要：针对非本征F-P干涉仪式光纤声压传感器中的声压敏感薄膜性能提升，设计并制备了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构。对不同声压敏感薄膜感知声压的性能进行测试。结果表明：声压敏感薄膜的厚度越薄，其声压灵敏度越大，对比400 nm厚度和1 000 nm厚度的声压敏感薄膜，发现在相同声压的声波作用下，前者的输出电压比后者大一个数量级。此外，增加增敏环数可以有效地释放应力，降低薄膜的刚性，使得声压传感器的性能有所提升。
关键词：微光电子机械系统;F-P干涉;光纤传感;声压传感器;增敏结构
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）02-0035-03
Abstract：In order to improve the performance of acoustic pressure sensitive film in extrinsic F-P interferometric fiber optic acoustic pressure sensor，the structures of acoustic pressure sensitive films with different thickness and different number of sensitizing rings were designed and fabricated. The performance of different sound pressure sensitive films was tested. The results showed that the thinner the thickness of the sound pressure sensitive film was，the greater the sound pressure sensitivity was. Compared with the sound pressure sensitive film with 400 nm thickness and 1 000 nm thickness，it was found that the output voltage of the former is one order of magnitude larger than that of the latter under the same sound pressure. In addition，increasing the number of sensitizing rings could effectively relieve the stress，reduce the rigidity of the film and improve the performance of the sound pressure sensor.
Keywords：MOEMS;F-P interference;optical fiber sensing;acoustic pressure sensor;sensitization configuration
0 引 言
基于非本征法珀干涉仪（Extrinsic Fabry-Perot Interfero- meter，EFPI）式光纤声压传感器需要构建两个反射面来形成F-P干涉，膜片式的敏感结构由于其方便制备，灵敏度高等特点常常与光纤端面构成F-P干涉腔。外界声压信号作用在敏感膜片上，发生微小的形变，这会引起F-P干涉腔腔长的变化，从而引起干涉光谱的波动，通过检测光谱波动来检测还原外界声波的相关信息。敏感膜片的制备方式很多，其中MEMS加工工艺以其加工精度高、设计灵活、一致性高、易批量化生产等显著优势成为研究的热点。MEMS加工工艺是以硅材料作为基础材料，所以加工的膜片敏感结构材料多数为硅、氮化硅或者氧化硅等。在MEMS加工工艺中，氧化硅薄膜通常采用热氧化和化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方法制备成膜，氮化硅薄膜也可以利用CVD工艺制作，而硅膜多数是采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法制备得到，因此上述这些材料由于其多种兼容的制备工艺方法被广泛用作敏感膜片材料[1-3]。目前对膜片式声敏结构相关增敏设计的EFPI光纤声压传感器报道不多[4-8]。2006年，Guo等人通过制备多层薄膜复合结构得到基于F-P干涉的光纤压力传感器，并将其用于血压监测领域[4]。宫奎等人采用MEMS先进加工工艺，制备了二氧化硅敏感结构同时引入了“波纹”结构，发现“波纹”结构的加入有效地释放了薄膜应力，消除了薄膜应力造成的敏感结构皱褶，可以广泛地应用在基于二氧化硅敏感结构的传感器中[8]。考虑到MEMS加工工艺对材料的限制和工艺的兼容性，增敏结构多以硅、氧化硅和氮化硅材料为主。
1 EFPI式光纤声压传感器的基本原理
EFPI式光纤声压传感器的基本原理是采用光作为声波信息的传输媒介，用光检测出由声波信号引起敏感结构的微小形变，在通过光电转化将声波信号还原成电学信号，从而实现感知声波的功能，其还原过程经历了由声波到机械振动，再到光，最后转化为电参数。本文应用光纤端面和敏感结构作为2个反射面，形成F-P干涉。
参考双光束干涉了理论模型，对于本文中涉及的EFPI式声压传感器，其干涉得到的光强可表示为：
式中，I1（λ）是單模光纤端面反射的光强，I2（λ）是经敏感结构反射后耦合进光纤的光强。其中光强与波长成强相关。λ和L分别为光波长和F-P腔的腔长。外界声压信号作用在敏感结构上时，对导致敏感结构的微小形变，从而导致F-P腔的腔长变化，引起干涉光谱的变化。在敏感结构的线性动态范围内，声压P与腔长变化ΔL的关系可表示为： 式（2）中，A为常数。根据式（1），当F-P腔长发生ΔL变化时，反射光强会产生ΔI（λ）的变化。
2 MEMS声压敏感薄膜结构设计与工艺实现
MEMS声压敏感薄膜是决定声压传感器灵敏度的关键结构，MEMS声压敏感薄膜主要作用有两方面：（1）对声压信号敏感，在相同的声压作用下，不同的敏感薄膜结构设计会导致不同F-P腔长变化，声压敏感薄膜设计在很大程度上将会决定传感器灵敏度和信噪比等关键指标;（2）声压敏感薄膜作为F-P腔的一个反射面，其反射率（对1 550 nm波长的光）要与光纤端面和初始F-P腔长互相匹配，得到光谱的最优消光比。
针对声压敏感薄膜和后端传感器探头封装，设计工艺流程如图1所示。
声压敏感薄膜主要的工艺流程按照如下步骤顺序进行：（1）Si片准备;（2）增敏结构刻蚀，利用RIE刻蚀在硅片刻蚀增敏结构;（3）薄膜生长，考虑到后续的硅刻蚀工艺和圆片级键合工艺，声压敏感薄膜采用氧化硅薄膜，设计了两种厚度分别为500 nm和1 000 nm;（4）薄膜刻蚀，采用RIE刻蚀技术，刻蚀氧化层;（5）硅刻蚀，采用DRIE刻蚀对硅进行刻蚀，刻蚀至氧化层截止;（6）Si片准备;（7）反射腔刻蚀，采用RIE刻蚀技术，形成光学F-P腔室，为声压敏感薄膜提供结构支撑;（8）通气孔刻蚀，采用DRIE通孔深硅刻蚀工艺，刻蚀硅形成通孔，满足声压敏感薄膜两侧气压平衡;（9）通光孔刻蚀，采用RIE刻蚀技术，为光纤端面出射的光能与声压敏感薄膜形成F-P干涉;（10）光纤槽刻蚀，带陶瓷插芯的光纤可以直接插入预留好的光纤槽，光纤槽可以自对准和限位，减少人为组装带来的误差，提高一致性;（11）圆片级键合，采用圆片级键合技术，将光学设计腔室与声压敏感薄膜实现高精度对位对准集成。
其中，圆片级键合集成技术是指硅圆片做完相应的加工工艺，没有划片，经过对位和键合工艺就可以完成对整个圆片上所有芯片的集成。由于圆片级集成每层圆片的成品率以及不合格芯片的相对位置不同，且无法筛除不合格的芯片，从而会导致某一层的不合格芯片浪费其集成对应位置的芯片，因此圆片级集成要求每层圆片的成品率都非常高。圆片级键合集成效率高，可以一次性地完成圆片上所有结构的堆叠，大幅提高生产效率，自动化操作且对准精度高，一致性好，這也是本文选择圆片级键合集成技术的原因。
按照上文叙述的MEMS加工流程进行流片，加工出按照设计的敏感结构芯片，如图2所示。图2（b）是聚焦到敏感薄膜表面，可以看到增敏结构，表示的是5个环形的增敏结构。在声压敏感薄膜设计过程中分别设计了无增敏结构、1环增敏结构、3环增敏结构和5环增敏结构4种声压敏感薄膜，下文将对不同声压敏感薄膜设计展开相关性能测试。
3 MOMES光纤声压传感器的性能测试
声波性能测试原理示意图如图3所示，采用光功率为100 mW的ASE光源作为光纤声波传感器的入射光源，用环形器将光源，声波敏感结构和光电探测器连接起来，保证光从光源射出后，经过声波敏感结构的反射后重新耦合进光纤，最后经过光电探测器转化为电学信号。得到的电学信号经过数据采集卡转化为数字信号，传输到计算机，经过上位机软件LabVIEW解调运算，还原声波信息。在测试过程中，将型号为RST6000、灵敏度为36 mV/Pa的电学传声器作为参考声波传感器。制备的传感器与参考传感器放置同一位置，近似认为接受相同的声波信号。参考声波传感器是经过严格标准校准的，其频响曲线是很平坦的。根据参考声波传感器的声压灵敏度和输出电压值可以算出传感器接受声压的大小。
通过音频分析仪对声源进行设置，发出频率1 kHz，声压为80 mPa的声波，分别对设计的两种厚度的声压敏感薄膜和不同增敏环数的敏感结构进行测试，测试输出电压随着时间的变化曲线如图4所示。图4（a）是声压敏感薄膜厚度为400 nm的输出，而图4（b）是声压敏感薄膜为1 000 nm的输出。以增敏环数为5环的敏感结构为例，从图中可以得到声压敏感薄膜为400 nm的输出电压比声压敏感薄膜为1 000 nm的高出一个数量级，400 nm的输出电压为0.31 V，而相同声压下，1 000 nm的输出电压为0.03 V。因此，声压敏感薄膜厚度越薄，其声压传感器的灵敏度越高。此外，随着增敏环数的增加，其声压传感器的输出电压值也不断地增加，但是环数从3变到5，改变的程度远远小于从，1变到3的。说明增敏环数的增加能有效地提高传感器的灵敏度，但是环数数目增加得越多，其增加的程度越小。
4 结 论
本文设计不同敏感结构的薄膜，并将其应用到了EFPI式光纤声压传感器中，通过对声压敏感薄膜厚度和增敏结构环数的研究表明：声压敏感薄膜越薄其对声压感知越灵敏，对相同声压的声波信号，400 nm厚的敏感结构的光纤声压传感器其输出电压要比1 000 nm厚的敏感结构的输出电压大一个数量级。同时，针对不同增敏环数的测试结果表明，增敏环数的增加能有效地释放薄膜的应力，改变声压敏感薄膜的刚性，提高声压灵敏度，通过这两种调节手段可以有效地改变声压传感器的灵敏度，为制备高性能光纤声压传感器打下坚实的基础。
参考文献：
[1] HOHM D，HESS G. A subminiature condenser microphone with silicon nitride membrane and silicon back plate [J].The Journal of the Acoustical Society of America，1989，85：476-480.
[2] BERGQVIST J. Finite-element modelling and characterization of a silicon condenser microphone with a highly perforated backplate [J].Sensors and Actuators A：Physical，1993，39（3）：191-200.
[3] K?HNEl W，HESS G. A silicon condenser microphone with structured back plate and silicon nitride membrane [J].Sensors and Actuators A：Physical，1992，30（3）：251-258.
[4] GUO D G，PO S N C，HOCK F T E，et al. Design and Optimization of Dual Optical Fiber MEMS Pressure Sensor For Biomedical Applications [J].Journal of Physics：Conference Series，2006，34：1073-1078.
[5] 丁文慧，蔺博.基于非本征型Fabry-Perot干涉仪的膜片式光纤麦克风 [J].光通信技术，2019，43（8）：35-37.
[6] 杨冲，傅海威，雍振，等.非本征光纤F-P干涉声传感器的研究 [J].光通信技术，2020，44（2）：28-32.
[7] 陈露，朱佳利，李泽焱，等.波纹膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器 [J].光学学报，2016，36（3）：54-58.
[8] 宫奎.基于微加工的膜片式光纤传感器的制作及其应用研究 [D].合肥：安徽大学，2015.
作者简介：解涛（1986—），男，汉族，黑龙江伊春人，工程师，博士研究生，研究方向：传感器和工艺研究。
关键词：微光电子机械系统;F-P干涉;光纤传感;声压传感器;增敏结构
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）02-0035-03
Abstract：In order to improve the performance of acoustic pressure sensitive film in extrinsic F-P interferometric fiber optic acoustic pressure sensor，the structures of acoustic pressure sensitive films with different thickness and different number of sensitizing rings were designed and fabricated. The performance of different sound pressure sensitive films was tested. The results showed that the thinner the thickness of the sound pressure sensitive film was，the greater the sound pressure sensitivity was. Compared with the sound pressure sensitive film with 400 nm thickness and 1 000 nm thickness，it was found that the output voltage of the former is one order of magnitude larger than that of the latter under the same sound pressure. In addition，increasing the number of sensitizing rings could effectively relieve the stress，reduce the rigidity of the film and improve the performance of the sound pressure sensor.
Keywords：MOEMS;F-P interference;optical fiber sensing;acoustic pressure sensor;sensitization configuration
0 引 言
基于非本征法珀干涉仪（Extrinsic Fabry-Perot Interfero- meter，EFPI）式光纤声压传感器需要构建两个反射面来形成F-P干涉，膜片式的敏感结构由于其方便制备，灵敏度高等特点常常与光纤端面构成F-P干涉腔。外界声压信号作用在敏感膜片上，发生微小的形变，这会引起F-P干涉腔腔长的变化，从而引起干涉光谱的波动，通过检测光谱波动来检测还原外界声波的相关信息。敏感膜片的制备方式很多，其中MEMS加工工艺以其加工精度高、设计灵活、一致性高、易批量化生产等显著优势成为研究的热点。MEMS加工工艺是以硅材料作为基础材料，所以加工的膜片敏感结构材料多数为硅、氮化硅或者氧化硅等。在MEMS加工工艺中，氧化硅薄膜通常采用热氧化和化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）的方法制备成膜，氮化硅薄膜也可以利用CVD工艺制作，而硅膜多数是采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法制备得到，因此上述这些材料由于其多种兼容的制备工艺方法被广泛用作敏感膜片材料[1-3]。目前对膜片式声敏结构相关增敏设计的EFPI光纤声压传感器报道不多[4-8]。2006年，Guo等人通过制备多层薄膜复合结构得到基于F-P干涉的光纤压力传感器，并将其用于血压监测领域[4]。宫奎等人采用MEMS先进加工工艺，制备了二氧化硅敏感结构同时引入了“波纹”结构，发现“波纹”结构的加入有效地释放了薄膜应力，消除了薄膜应力造成的敏感结构皱褶，可以广泛地应用在基于二氧化硅敏感结构的传感器中[8]。考虑到MEMS加工工艺对材料的限制和工艺的兼容性，增敏结构多以硅、氧化硅和氮化硅材料为主。
1 EFPI式光纤声压传感器的基本原理
EFPI式光纤声压传感器的基本原理是采用光作为声波信息的传输媒介，用光检测出由声波信号引起敏感结构的微小形变，在通过光电转化将声波信号还原成电学信号，从而实现感知声波的功能，其还原过程经历了由声波到机械振动，再到光，最后转化为电参数。本文应用光纤端面和敏感结构作为2个反射面，形成F-P干涉。
参考双光束干涉了理论模型，对于本文中涉及的EFPI式声压传感器，其干涉得到的光强可表示为：
式中，I1（λ）是單模光纤端面反射的光强，I2（λ）是经敏感结构反射后耦合进光纤的光强。其中光强与波长成强相关。λ和L分别为光波长和F-P腔的腔长。外界声压信号作用在敏感结构上时，对导致敏感结构的微小形变，从而导致F-P腔的腔长变化，引起干涉光谱的变化。在敏感结构的线性动态范围内，声压P与腔长变化ΔL的关系可表示为： 式（2）中，A为常数。根据式（1），当F-P腔长发生ΔL变化时，反射光强会产生ΔI（λ）的变化。
2 MEMS声压敏感薄膜结构设计与工艺实现
MEMS声压敏感薄膜是决定声压传感器灵敏度的关键结构，MEMS声压敏感薄膜主要作用有两方面：（1）对声压信号敏感，在相同的声压作用下，不同的敏感薄膜结构设计会导致不同F-P腔长变化，声压敏感薄膜设计在很大程度上将会决定传感器灵敏度和信噪比等关键指标;（2）声压敏感薄膜作为F-P腔的一个反射面，其反射率（对1 550 nm波长的光）要与光纤端面和初始F-P腔长互相匹配，得到光谱的最优消光比。
针对声压敏感薄膜和后端传感器探头封装，设计工艺流程如图1所示。
声压敏感薄膜主要的工艺流程按照如下步骤顺序进行：（1）Si片准备;（2）增敏结构刻蚀，利用RIE刻蚀在硅片刻蚀增敏结构;（3）薄膜生长，考虑到后续的硅刻蚀工艺和圆片级键合工艺，声压敏感薄膜采用氧化硅薄膜，设计了两种厚度分别为500 nm和1 000 nm;（4）薄膜刻蚀，采用RIE刻蚀技术，刻蚀氧化层;（5）硅刻蚀，采用DRIE刻蚀对硅进行刻蚀，刻蚀至氧化层截止;（6）Si片准备;（7）反射腔刻蚀，采用RIE刻蚀技术，形成光学F-P腔室，为声压敏感薄膜提供结构支撑;（8）通气孔刻蚀，采用DRIE通孔深硅刻蚀工艺，刻蚀硅形成通孔，满足声压敏感薄膜两侧气压平衡;（9）通光孔刻蚀，采用RIE刻蚀技术，为光纤端面出射的光能与声压敏感薄膜形成F-P干涉;（10）光纤槽刻蚀，带陶瓷插芯的光纤可以直接插入预留好的光纤槽，光纤槽可以自对准和限位，减少人为组装带来的误差，提高一致性;（11）圆片级键合，采用圆片级键合技术，将光学设计腔室与声压敏感薄膜实现高精度对位对准集成。
其中，圆片级键合集成技术是指硅圆片做完相应的加工工艺，没有划片，经过对位和键合工艺就可以完成对整个圆片上所有芯片的集成。由于圆片级集成每层圆片的成品率以及不合格芯片的相对位置不同，且无法筛除不合格的芯片，从而会导致某一层的不合格芯片浪费其集成对应位置的芯片，因此圆片级集成要求每层圆片的成品率都非常高。圆片级键合集成效率高，可以一次性地完成圆片上所有结构的堆叠，大幅提高生产效率，自动化操作且对准精度高，一致性好，這也是本文选择圆片级键合集成技术的原因。
按照上文叙述的MEMS加工流程进行流片，加工出按照设计的敏感结构芯片，如图2所示。图2（b）是聚焦到敏感薄膜表面，可以看到增敏结构，表示的是5个环形的增敏结构。在声压敏感薄膜设计过程中分别设计了无增敏结构、1环增敏结构、3环增敏结构和5环增敏结构4种声压敏感薄膜，下文将对不同声压敏感薄膜设计展开相关性能测试。
3 MOMES光纤声压传感器的性能测试
声波性能测试原理示意图如图3所示，采用光功率为100 mW的ASE光源作为光纤声波传感器的入射光源，用环形器将光源，声波敏感结构和光电探测器连接起来，保证光从光源射出后，经过声波敏感结构的反射后重新耦合进光纤，最后经过光电探测器转化为电学信号。得到的电学信号经过数据采集卡转化为数字信号，传输到计算机，经过上位机软件LabVIEW解调运算，还原声波信息。在测试过程中，将型号为RST6000、灵敏度为36 mV/Pa的电学传声器作为参考声波传感器。制备的传感器与参考传感器放置同一位置，近似认为接受相同的声波信号。参考声波传感器是经过严格标准校准的，其频响曲线是很平坦的。根据参考声波传感器的声压灵敏度和输出电压值可以算出传感器接受声压的大小。
通过音频分析仪对声源进行设置，发出频率1 kHz，声压为80 mPa的声波，分别对设计的两种厚度的声压敏感薄膜和不同增敏环数的敏感结构进行测试，测试输出电压随着时间的变化曲线如图4所示。图4（a）是声压敏感薄膜厚度为400 nm的输出，而图4（b）是声压敏感薄膜为1 000 nm的输出。以增敏环数为5环的敏感结构为例，从图中可以得到声压敏感薄膜为400 nm的输出电压比声压敏感薄膜为1 000 nm的高出一个数量级，400 nm的输出电压为0.31 V，而相同声压下，1 000 nm的输出电压为0.03 V。因此，声压敏感薄膜厚度越薄，其声压传感器的灵敏度越高。此外，随着增敏环数的增加，其声压传感器的输出电压值也不断地增加，但是环数从3变到5，改变的程度远远小于从，1变到3的。说明增敏环数的增加能有效地提高传感器的灵敏度，但是环数数目增加得越多，其增加的程度越小。
4 结 论
本文设计不同敏感结构的薄膜，并将其应用到了EFPI式光纤声压传感器中，通过对声压敏感薄膜厚度和增敏结构环数的研究表明：声压敏感薄膜越薄其对声压感知越灵敏，对相同声压的声波信号，400 nm厚的敏感结构的光纤声压传感器其输出电压要比1 000 nm厚的敏感结构的输出电压大一个数量级。同时，针对不同增敏环数的测试结果表明，增敏环数的增加能有效地释放薄膜的应力，改变声压敏感薄膜的刚性，提高声压灵敏度，通过这两种调节手段可以有效地改变声压传感器的灵敏度，为制备高性能光纤声压传感器打下坚实的基础。
参考文献：
[1] HOHM D，HESS G. A subminiature condenser microphone with silicon nitride membrane and silicon back plate [J].The Journal of the Acoustical Society of America，1989，85：476-480.
[2] BERGQVIST J. Finite-element modelling and characterization of a silicon condenser microphone with a highly perforated backplate [J].Sensors and Actuators A：Physical，1993，39（3）：191-200.
[3] K?HNEl W，HESS G. A silicon condenser microphone with structured back plate and silicon nitride membrane [J].Sensors and Actuators A：Physical，1992，30（3）：251-258.
[4] GUO D G，PO S N C，HOCK F T E，et al. Design and Optimization of Dual Optical Fiber MEMS Pressure Sensor For Biomedical Applications [J].Journal of Physics：Conference Series，2006，34：1073-1078.
[5] 丁文慧，蔺博.基于非本征型Fabry-Perot干涉仪的膜片式光纤麦克风 [J].光通信技术，2019，43（8）：35-37.
[6] 杨冲，傅海威，雍振，等.非本征光纤F-P干涉声传感器的研究 [J].光通信技术，2020，44（2）：28-32.
[7] 陈露，朱佳利，李泽焱，等.波纹膜片式光纤法布里-珀罗压力传感器 [J].光学学报，2016，36（3）：54-58.
[8] 宫奎.基于微加工的膜片式光纤传感器的制作及其应用研究 [D].合肥：安徽大学，2015.
作者简介：解涛（1986—），男，汉族，黑龙江伊春人，工程师，博士研究生，研究方向：传感器和工艺研究。