微型光纤传感器的研究进展_戴丽华

1前言

光纤、激光与半导体是光学技术产业中三大主流技术方

向。在信息技术（Internation Technology ，IT ）以空前规模迅猛发展的今天，光通信与光传感器件的发展以其独特的优势受到各界人士的关注。IT 技术是建立在资源获取、资讯传输及信息处理三大基础领域上发展的技术，即传感技术、通信技术和计算机技术。自1970年美国康宁（Corning ）公司成功研制出传输损耗只有20dB/km 的低损耗石英光纤以来，短短的十几年光纤元器件就从实验室研发开始走向商品化，其社会、经济效益与日俱增。微机电系统（Micro-electro-mechanical Systems ，MEMS ）技术的引入，使得在硅或其他衬底材料上制作微型化的结构以制成微传感器成为了可能。与纤维光学相结合，近三十年的时间内，研究和投入应用的微型光纤传感器已达上百种，并在国防军事部、科研部门、制造工业、能源工业以及医疗等科学研究领域中都得到广泛应用。传感器的微小型化、多功能、高灵敏度和批量生产能力已是工业安全和国防建设的迫切需求。新型的光学压力传感器的开发仍然是当前研究的热点。光纤压力传感器具有抗辐射、抗电磁干扰、灵敏度高、精度好、便于形成网络等优点，结合微机电系统（MEMS ）微细加工技术，增加了结构紧凑、体积小、质量轻、可进行大批量生产的优势，使得光纤压力传感器具有更为广泛的应用前景，在聚合物MEMS 技术的辅助下，高深宽比结构成为了可能，有望克服传统压力传感器测量范围的局限性，可以更好的符合人们对微压测量的要求，得到更精准的测量效果。

目前在国防工业制造行业中，十分需要小型的，能够抗高温、耐高压或者在具有腐蚀性环境下正常工作的微型压力传感器。例如，飞机制造行业需要耐高温的微型传感器在喷射引擎处对于动力系统有严格的监控，而在飞机易损部件出需要灵敏的应变传感器对机身的疲劳性进行监控；油气井的勘探需要对于井内温度、压力、以及气体浓度进行严格监控，并且要求微传感器工作时需要严格杜绝电火花的产生；大型电力设备需要对其温度/电击穿进行检测；大型建筑安全工程监测需要大量分布式可以埋入建筑材料内的压力应力传感器等等。这类应用能够

提供的传感器安装空间非常有限，环境也相对恶劣，对传感器结构的设计和材料的选择也提出了特殊要求，对其工作性能的要求相对苛刻。

早前工业生产上普遍应用的一些压力传感器都是基于电学传感的。由于制造机理等因素，电学传感器有很多内难以克服的的问题存在，比如易受电磁干扰，较大的温度依赖性，体积相对较大，以及在可靠性、机械性能、精度、重复性和长期稳定性方面不甚理想。微型光纤传感基于光学机理，摒除了电学干扰，微细加工技术的引入大大减小了其制造尺度以及质量，可以解决传统电学传感器难于克服的难题。它能够承受极端条件而且对电磁干扰不敏感，没有化学活性，尺寸小，对温度不敏感，精度高，动态测量范围广，长期稳定性好，重复性可靠。目前光纤法布里一珀罗传感器已经开始应用于油井下温度和压力的测量，飞机机身应变安全性监测，桥梁内应力监测，发动机及大功率变压器的动态压力测试等应用中，展示出了该类传感器在安全和制作行业广阔的应用前景。另外，在生物医学方面，人体内血压、颅内压、肺部压力、膀胱和尿道压力以及血液流动状况的测量，都需要精确、耐用、可靠、对人体无害的微型压力传感器。

2光纤传感器的优点

光纤传感器能够在人难于达到的地方（如高温区），或者对

人体有害的区域（如核辐射区），起到人的“耳目”的作用，而且还能超越人体的生理极限，接收人的感官所感受不到的外界信息，这些独特的优点极大推动了光纤传感技术的发展，极大地满足了现代测量技术的需求。自20世纪70年代中期发展至今，各种新型光纤及光纤器件不断涌现，飞速发展。世界各工业先进国家已陆续开发出成百上千种光纤传感器，广泛涉及国防军事、航空航天、能源环保、工矿农业、生物医学、自动控制、计量测试、家庭生活等各个领域。此外光纤传感技术能够解决其他传感技术难以克服的测量问题，如强电磁干扰环境下的电流和电压测量；极高强度的电热及微波加热的辐射场内的温度的测量；大型混凝土建筑中应力应变的大规模测量需求等，成为了当代新型传感技术革命的核心。

微型光纤传感器的研究进展

戴丽华

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州215104）

【摘

要】随着物联网的发展，各类传感器的研发进入了白热化的阶段，电学传感器制作技术已经十分成熟，为了呼应大型物

联网的发展需求，传感器正向多功能化、集成化以及微型化发展。主要介绍微型传感器的发展及研究现状，介绍微型光纤传感器的优点，对于现有的微型传感器研发技术进行分类讨论，针对广泛的应用需求进行各类传感器特点的分析，在此基础上对微型传感器的研发方向进行合理的展望。

【关键词】传感技术；物联网；微型光纤传感器【中图分类号】TP212【文献识别码】A

【文章编号】2095-3518（2013）12-59-04

2013年12月轻工科技

LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY

计算机与信息技术

光纤传感器在传感原理、传感方式、信号传输、信号探测及处理等方面都与传统的电学传感器存在很多不同。与传统的电学传感器相比具有如下优点：

（1）灵敏度高，线性度好；

（2）安全性能好。耐高压，不会产生电火花，防爆，耐腐蚀、抗电磁干扰；

（3）无源器件，对被测对象不会产生电磁影响；

（4）频带宽，动态测量范围广；

（5）光纤柔软纤细，绕曲性好，有利于航空以及其他狭窄空间的应用；

（6）体积小、质量轻；

（7）易于对被测信号的远距离监控，便于连网，能够实现复用和分布式测量。

3微型传感器的优势

传感器件的微型化是现今传感器技术发展的主要方向之一，也是科学及技术研究领域的主要发展方向，更是社会需求的对传感器研发方向的要求之一。然而微型传感器的诞生，如果没有相应的技术支持，要实现也是不可能的。微机电系统加工技术的发展是现有技术中对于微型传感器研发的最直接的推动力。在工作原理方面，沿用传统传感器的工作原理，即物理法则和物性变化规律，优先选取半导体晶体材料，利用MEMS制作技术，从传统的传感器设计和制作转向制造以微机械和微电子为基础的微型传感器和智能仪器的设计和应用，是当今传感器主要的开发路线[2]。

微型传感器的定义可以细分为三个层面的含义：

（1）单一的微型传感器。这类传感器具有一个显著特点就是尺寸小，传统常见的敏感元件的尺寸范围一般从10-6至10-3数量级、有的甚至达到10-9数量级。在制造技术及加工过程中，主要是利用精密加工方法、微电子制造技术以及微机电系统加工技术，大大减小传感器的尺寸。

（2）集成的微型传感器。这种定义的微型传感器通常在一块微小的芯片上集成产生传感信号的敏感结构、以及后续传感物理量的信号处理器、数据解调等装置，形成微型的集成传感器。

（3）微型传感器系统。这类传感器最主要的特征在于：微型传感器系统不但包括传感器，数据处理，还包括微执行器，可以独立工作。系统的扩展可以通过多个微传感器组成传感器网络或者通过其他网络实现异地联网控制以适应更多不同的需求。

微型传感器的优点总结如下：

①体积小，重量轻

利用MEMS加工技术，微型传感器的敏感元件尺寸大多在微米级以内，这使得微传感器的整个尺寸也大大减小，传统（宏观）的传感器最小构件尺寸通常是毫米量级的，相比较而言，微型传感器封装后的尺寸大多小于毫米量级，有的甚至达到微米、亚微米的范围内。例如，微型压力传感器已经可以制作成小到可以放在注射器内，注入血管进行血液流动情况的检测；还有微型传感器可以装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压强。微型传感器的整体尺寸仅达几个毫米，完全进入一个新的尺度范畴（10-3m~10-8m）。体积的减小也带来了重量的减

轻，微型传感器的重量一般都只有几克或者几十克。

绝大多数的微型传感器都是以硅作为基底材料，利用MEMS加工，可以塑成很多三维微结构，其中包含膜片、敏感质量块、悬臂梁、两端固支梁、探针、梳状齿等可活动的微器件；以及孔、槽、沟道、空腔、锥体等不同微结构；以及具有特殊用途的薄膜或高性能的微电子线路构成的微机电合一或微光机电合一的换能器。这些能量变换装置常称为MEMS传感器或MOEMS （Micro-opto-electro-mechanical Systems）传感器。

②功率损耗低

传统传感器中绝大多数都是将非电信号转换为电信号，并且是无源的，也就是说工作时传感器需要与配备电源连接在一起。在很多设计中，传感器都是以电池供电，因此传感器功率损耗的多少，在某种程度上决定了该传感器的使用寿命。微型传感器一般都是低功耗的，所需的工作电压也相对较低，既节约了能源又提高了系统的寿命。

③性能好

由于微型传感器在几何尺寸上的小型化，在保持原有的传感特性的基础上，其温度稳定性也有所提升，不易受到外界温度的干扰。传感元件共振频率高，工作频带宽，敏感区间小，空间解析度得到提高。

④易于批量生产，成本低

微型传感器的敏感元件一般是利用MEMS加工技术制造的，MEMS工艺的一个显著的优点就是适合流水线加工，批量生产，而大批量的生产大大降低传感器的单件成本。此外，MEMS 加工技术的主要材料硅，是一种广泛存在、易于获得、价格低廉的材料。

⑤便于集成化和多功能化

传感器的集成化一般包含三方面含义：其一是将传感器与后级电路如放大电路、运算电路、补偿电路等进行集成，实现一体化；其二是将同一类的传感器集成在同一个芯片上，构成阵列式或网络式传感器；其三是将几个传感器组合在一起，构成一种新型的传感器。传感器的“功能化”是指传感器能感知并转换两种以上的不同物理量或化学量，是与“集成化”相对应的一个概念。在微型传感器中，充分发挥和利用微机电系统加工技术的特点，可以使传感器同时实现集成和多功能。例如，日本通过将检测不同气体的敏感元件通过厚膜制造工艺制作在同一个基底上，开发出了可同时检测钠、钾和氢离子的微型传感器，该传感器的尺寸为2.5mm×0.5mm，可直接用导管送到血液中，利用这种传感器可同时监测血液中的钠离子、钾离子和氢离子浓度，对诊断心血管疾病有很大意义；又如，可在同一个硅单元内制作应变计和温度敏感元件，可以同时测量压力和温度，形成多功能传感器。进一步将信号处理电路也制作在同一个硅单元内，还可实现反馈补偿功能。

⑥提高传感器的智能化水平

智能传感器与普通的传感器相比，具有信号自补偿能力、系统自校准功能、程序自诊断功能、数值处理能力、信息存储、双向通信功能、记忆和数字输出功能，是测量技术、计算技术、半导体技术、信息处理技术、微电子学和材料科学等互相交叉的综合技术。MEMS加工技术在微型传感器上的应用大大提高了微型传感器的智能化水平。利用MEMS加工技术，可以将信号调节电

路、处理电路（甚至包括微处理器）、结构电路等封装成一体，形成传感器系统。例如，日本已经研发的三维多功能的单片智能传感器，它将力敏元件、电桥线路、前置放大器、A/D转换器、微处理机、接口电路、存储器等分层加工制作在一块半导体硅单元上，构成了硅压阻式智能传感器。智能化传感器也是传感器技术发展的必然趋势。

MEMS加工工艺为微型传感器的制备提供了量产化的可能，也为传感器结构的设计提供了更大的开发空间，为传感器成本降低，结构优化及革新提供了助力。

4微型光纤传感器的研究进展

光纤压力传感器主要基于光学原理，结合硅平面加工工艺制备而成。自1988年，Lee等人首次制作出了基于法布里-珀罗干涉腔结构的本征型光纤传感器之后，基于法布里-珀罗干涉机理设计和研发光纤压力传感器的研究方向就成为压力传感器中一条重要分支。光纤压力传感器主要是基于薄膜形变与法布里-珀罗干涉腔长的关系来检测压力，由光纤来传输光信号或者是构成法珀腔。近年来，各个领域的研究者主要着眼于器件的实现方法、制造方法，传感信号的产生原理以及敏感结构的设计改进等方面不断地进行革新。

1988年，国际光学工程学会（The International Society for Optical Engineering,SPIE）召开了第一届光纤“智能结构/蒙皮”，即3S（3S：SmartMaterial，SmartStructure，SmartSkin）的国际学术会议之后，3S系统的研究引起了的国际性关注。研究的方向和热点开始转向对于新型智能材料的开发以及智能结构器的提出，进一步提高智能系统的集成和复用。

4.1微型传感器的发展现状

J.Xu和Y.Zhu等人设计中采用厚壁石英毛细管作为法布里-珀罗腔的准直夹持管，在毛细管的一端焊接石英膜片作为法布里-珀罗腔的反射端面，形成光纤非本征干涉压力传感头结构，具有腔长可控，动态测量范围大等优点；在毛细管的保护下，该结构还具有对温度不敏感的优点，但是提高温度特性的代价就是大大增加了传感器的尺寸。2004年，Chunyan Li等人利用聚酰亚胺薄膜通过Flip-Chip技术制备出了尺寸为1.56mm×1.56mm×0.9mm的压阻型微型压力传感器（如图1），可安置于直径为1.67mm的医用导管中，进行血压监测。在0-400mmHg范围内误差达到0.4mmHg，灵敏度达到16.7mmHg/mV。

图1插入导管进行封装后的传感器

为了进一步减小传感器的尺寸，研究人员们开始直接在光纤上制备结构，于是各种基于光纤制备的本征型或非本征型传感器被开发出来，紧凑的结构使得光纤传感器的尺寸大大减小。2006年Yizheng Zhu等人提出了利用多种芯径的光纤通过熔接、切割、湿法腐蚀的技术，通过结构形成腐蚀停止层，腐蚀出空腔，经过精确切割的光纤端面作为法珀反射面，形成了可以在高温环境下测量压力的光纤探针。图2显示了该传感器制备流程及样品图。该传感器在高温环境中可以保证较高的精度，线性度好，尺寸仅为光纤外径大小，但是受腐蚀工艺的限制，法珀腔的腔长较短。

图2传感器制备过程及实物图

2007年，西班牙的Joel Villatoro等人在两段单模光纤之间，利用光纤熔接技术，加入了一截光子晶体光纤，通过在熔接过程中过热导致的光子晶体内部结构的塌陷形成空气孔的方法形成了法-珀干涉反射面，中间塌陷长约300μm的部位作为法珀腔。由于塌陷部分的长度不能精确控制，所以腔长的可控性较差。为了有足够的空气挤出形成法珀反射面，所需塌陷的长度也较难缩短。2010年Wenhui Wang等人同样通过腐蚀光纤形成微腔，他们采用键合技术，在腐蚀过的光纤上键合二氧化硅膜，形成了仅为0.75μm的超薄敏感膜，大大地提高了传感器的灵敏度。2011年Simon Pevec和Denis Donlagic采用特种光纤经过腐蚀后呈现如图3(b)的形貌，再经过与普通单模光纤熔接，形成长度为5.1μm的法珀腔，作为一种全光纤长工作长度的应力传感器。

图3（a）微型全光纤长工作长度应力传感器（b）特种光纤腐蚀后电镜照片相比于国外基于光纤的微型传感技术日新月异的发展，我国在微型传感方面的研究工作相对起步较晚。近年来，在政府机构的关注下，各高等院校和研究单位在这一领域投入了大量时间精力。中国计量学院、清华大学、北京理工大学、大连理工大学、中北大学、东南大学、南开大学、南京航空航天大学、浙江大学、电子科技大学等单位从实际应用需求出发，在微型光纤传感测量领域深入探索。2007年，电子科技大学的饶云江教授课题组利用飞秒激光器的高分辨率，在单模光纤以及光子晶体光纤上制作了写入微腔形成微型法布里-珀罗传感器，以微腔的两端分别作为两个反射面，由于传感器直接制作在单根光纤上，在大容量复用方面很具优势。同时，借助于空芯光子晶体独特的波导结构，中空的结构为流体测量提供了可能。

香港理工大学的H.Y.Fu等人于2008年利用保偏光子晶体光纤研制了微型光纤传感器，观察光子晶体光纤在受到侧向压力后光谱的移动，通过解调该信号实现了压力传感，其灵敏度最大可达到了3.42nm/MPa。

图4法布里-珀罗型干涉探针的显微镜图像

2011年香港科技大学Jun Ma等人通过键合的方法制备了一种光纤探针型微腔压力传感器，检测精度约为315pm/MPa。截一段石英毛细管与单模光纤键合，石英毛细管的另一端与氮气室相连，由内部加压，使石英玻璃毛细管壁拉锥减薄，最后经过高压放电，将拉锥处断开并闭合起来，与光纤端面一起组成法布里-珀罗干涉腔，自然形成一个光纤探针如图4所示。该制作巧妙，结构紧凑，在高温环境中具有较好的稳定性，具有高温环境下作业的潜质[21]。

在光纤尺度上制作微结构是微型光纤传感器的主导趋势，特种光纤及特殊材料的开发起了很大的推进作用。选择芯径不同或者导光性能不同的各种光纤相组合，在切割、腐蚀、熔接等微细加工技术的辅助下，新型微结构的设计以及微器件的研究成果也层出不穷，微型光纤传感器的正逐步由实验室向产品化过渡。

5结束语

以光为主导方向，光纤为基础制备微型传感器的技术有着巨大的市场需求量，各类实际问题等待解决，吸引了众多研究者的关注。微型光纤传感基于光学机理，摒除了电学干扰，微细加工技术的引入大大减小了其制造尺度以及质量，可以解决传统电学传感器难于克服的难题。它能够承受极端条件并且对电磁干扰不敏感，没有化学活性，尺寸小，对温度不敏感，精度高，动态测量范围广，长期稳定性好，重复性可靠。本文对此领域多个研究机构的最新研究成果以及一系列的研发过程进行了总结阐述，有助于各位研究人员搜集经验，发现问题，对传感器的设计及研发流程做进一步的优化和改进。

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