KEYENCE光纖傳感器研究現狀與發展趨勢

　　光纖傳感器研究現狀與發展趨勢

　　光纖傳感器可用于火箭發動機、航空發動機、重型燃氣汽輪等高溫高壓的惡劣環境，用于實現對其運行狀態的監控和健康評估。在石油化工領域，可用于地下開采提供數據支持。

　　一般地，當壓力范圍在10～100 MPa之間時，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、成本低等優勢，而得到了廣泛的應用[1,2]。然而，該類傳感器在超過120℃環境下使用時，會由于內部PN結出現漏電而導致傳感器性能急劇下降，進而導致失效[3,4,5,6]。因此，如何把MEMS技術的優勢和現有的技術相結合，通過改進工藝、選擇新型的耐高溫材料，進而克服MEMS傳感器的上述缺點，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，針對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、國內外研究現狀等進行了闡述。

　　光纖傳感器主要采用SiO2作為介質薄膜來代替PN結，進而實現電隔離，該傳感器結構原理圖如圖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，把壓力值轉換為膜片的應力變化，通過壓敏電阻把變化量轉化為電壓信號，實現對壓力的測量。由于單晶硅本身的性質受溫度影響較大，因此基于單晶硅的擴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，再通過擴散工藝制作基于多晶硅材料的壓敏電阻。由于以Si O2介質隔離代替了PN結隔離，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、鍵合過程中附加應力小(襯底硅和SiO2直接鍵合，沒有其他過渡層，避免了附加應力產生)的特點，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、穩定性好、耐高溫等特

　　光纖傳感器的研究目前還停留在實驗階段。2001年，復旦大學黃宜平[19]等人采用改進的加工工藝制備出SOI材料(Smart-Cut法)，并將這一材料應用于雙島-梁-膜結構的壓力傳感器，工作溫度可達300℃，實驗表明該傳感器靈敏度可到達63m V。河北工業大學張玉書[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220℃。中北大學[21]和中國電子科技集團公司第十三研究所也分別利用MEMS相關技術，研制出了可用于多領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(可達1000 MPa)。但SOI傳感器對制作工藝要求較高，導致其加工相對困難，一定程度上限制了該傳感器的發展，但這也是該類傳感器的主要發展方向。

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

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

　　光纖傳感器雖然具有良好的機械特性，但由于應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。同時，由于外延單晶硅薄膜與藍寶石間存在晶格失配問題，導致其長期穩定性較差。如何克服上述問題，對該類傳感器未來的發展至關重要。