1.3.2 光纤干涉仪的MEMS制备工艺

1.迈克尔逊干涉仪（MI）

华中科技大学的Liu和Fan等先后在2016年和2020年分别将聚合物（PP/PET）膜[53]和金膜[54]作为MI系统中的反射镜，目的是提高光纤声传感器的灵敏度。改进后的MI光纤声波传感器的传感头包含一块材料为PP/PET（聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯）的聚合物薄膜、两块铅膜、两个光纤准直器、两个圆柱形铝制支架。整个制作过程如下：首先，准备一块直径为2cm、厚度为25µm的圆形PP/PET聚合物薄膜作为传感膜片。其次，用紫外胶水将两块直径为2mm、厚度为3µm的铅膜黏贴在PP/PET薄膜两个端面的中间。黏贴两块铅膜的作用在于：一是提高PP/PET薄膜的端面反射率，铅膜的反射率高达90%以上，避免PP/PET薄膜端面反射光和光纤准直器端面反射光发生FP干涉，干扰最后测量结果；二是黏贴的铝膜和PP/PET薄膜形成了凸台型结构，凸台型结构可减小传感膜片的形变角度，保证传感膜片中心平面和光纤准直器端面处于基本平行状态，增加MI工作的稳定性。再次，使用环氧树脂胶将PP/PET薄膜固定在两个圆柱形铝制固定支架中间。圆柱形铅制支架的内外半径分别为1.6cm和2cm，中间包含一个带有空心孔的十字型固定支架用于固定光纤准直器，空心孔的直径为2.3mm。最后，将两个光纤准直器分别插入十字固定支架的中间，并保证光纤准直器端面与PP/PET薄膜的间距为50µm左右，再用环氧树脂胶水将其固定即可完成传感头的制作，如图1-38所示。

金膜片采用电子束蒸发沉积法制备，厚度和半径分别为300nm和1.25mm。具体的制备方法如下（见图1-39）：基片选用尺寸为8mm×8mm、厚度为0.5mm的单晶硅。首先，在超声波清洗机中用丙酮溶液和乙醇进行抛光和清洗。残余溶液用去离子水去除。其次，干燥后，将硅放在旋转涂布机上旋转光刻胶（AZ5214）。为了方便随后去除光刻胶，需要降低旋转涂布机的转速，使光刻胶的厚度增加到几微米，转速设置为800r/min。光刻胶需在60℃下加热1分钟固化，最后在涂布机上用电子束蒸发沉积法将金膜片涂在硅基板上，将厚度设置为300nm。极薄的膜片可以大大提高超声波传感器的灵敏度。由于旋转涂布机转速低，光刻胶的厚度不均匀，导致金膜片的棱角不光滑。MI由分别从金膜片和劈裂光纤端面反射的两个光束组成。在隔膜转移到外金属套管后，对于传感臂，抛光8°倾斜的光纤端面，以防止菲涅耳反射。将纤维头插入内径为125µm的陶瓷内套中，然后将内陶瓷卡箍连同纤维尖端插入内径为2.5mm的外陶瓷卡箍中。将嵌套好的外陶瓷卡箍结构插入外金属套筒中，使金膜片作为MI的一个反射面。另一个反射面是参考臂的劈裂纤维端面。从第三个面反射的光带来了额外的噪声，因此，故意破坏第三个面，人为防止菲涅耳反射。为了增强干涉条纹的对比度，劈裂光纤端面反射的光功率应与金膜匹配。

2.萨格纳克干涉仪（SI）

2015年，香港理工大学的Ma等通过在SI系统中引入膜片式声敏感探头，发明了一种新型的SI型光纤声传感器，并在空气中实现了1～20kHz的频率响应范围[57]。基于膜片的传感器的制作过程如下：首先，将一块MLG/Ni/MLG薄膜（Graphene Supermarket）压平在两个载玻片之间[见图1-40（a）]。在所述时间内，在内径为2.5mm的空心陶瓷套的外围涂上一层薄薄的紫外线（UV）固化液体凝胶，如图1-40（b）所示。其次，将涂有凝胶的套筒压在MLG/Ni/MLG薄膜上，套筒与MLG/Ni/MLG薄膜之间的液体凝胶在紫外光照射下固化6小时，如图1-40（c）所示。这个过程确保了MLG/Ni/MLG薄膜牢固地黏在套管的末端。再次，将覆盖有MLG/Ni/MLG薄膜的空心套筒浸入氯化铁（FeCl₃）和盐酸（HCl）混合溶液中，以蚀刻掉Ni层，如图1-40（d）所示。FeCl₃和HCl溶液的结合也有助于去除蚀刻残留物。通过在新鲜的去离子水中冲洗套筒端部，使连接在套筒上的上MLG膜与下MLG膜分离。然后使用MLG薄膜覆盖的套筒在90℃下干燥约1小时，以去除残留的水分。最后，将一根带有标准角度抛光连接器（APC）的SMF电缆插入套筒中，并与环氧树脂固定在一起，形成传感器头。APC由一个外径为2.5mm的陶瓷套圈组成，SMF被固定在套圈的中心孔上。APC中SMF的端面有8°的倾斜角度，这减少了来自光纤末端的背侧反射光。空腔的长度（光纤端和膜片之间的间距）是在光学显微镜的监控下通过平移台控制的。覆盖MLG薄膜的套筒和成品传感器头的显微镜图像分别如图1-40（f）和图1-40（g）所示。

3.马赫曾德尔干涉仪（MZI）

2016年，Pawar等在MZI中使用了保偏光子晶体光纤，其由两个单模光纤拼接而成，工作波长为1550nm[61]，如图1-41（a）所示。为了用拼接法制作马赫曾德尔干涉仪，在两根直径相同的SMF-28光纤之间熔合拼接了一段PM-PCF，如图1-41（b）所示。熔合损耗为0.3dB。这是一种直插式马赫曾德尔干涉仪，其参考臂和传感臂的物理长度相同，但由于核与核的有效指数不同，其光程长度也不同。

2021年，Dass等提出了一种新型的光纤水听器系统。它由在传统的单模光纤（SMF）中创建两个锥形的直列MZI（IMZI）结构组成[62]。SMF的锥形被一小段未锥形SMF分开。为了获得更好的灵敏度，IMZI被附着在天然橡胶（NR）的圆形膜片上。IMZI由两个连续的SMF锥形部分组成，由SMF的非锥形部分隔开。IMZI的第一个锥体TPR-1的长度为2.47mm，直径为40.21µm。同样，IMZI的第二个锥体TPR-2的长度和直径分别为5.31mm和22.54µm。图1-42（a）显示了基于IMZI的水听器原理图，该传感器头由连接NR膜片的光纤IMZI组成，两个锥体的显微图也显示在图1-42（b）、（c）中。NR膜片不仅为光纤系统提供了稳定性和机械健壮性，而且还解决了空气和IMZI系统之间的阻抗不匹配问题。SMF锥形是使用完善的火焰刷涂技术制作的。高质量的火焰是由氢和氧适当混合产生的，SMF在由计算机控制的平移台的帮助下移动。

4.法布里珀罗干涉仪（FPI）

（1）本征型FPI光纤声传感器制备

2014年，暨南大学的王岫鑫发明一种基于微纳光纤光栅FPI型声传感器[104]。其中声敏感元件微纳光纤光栅FPI的制作方法为：先采用熔融拉锥多模光纤的方法制作微纳光纤，选用损耗低的微纳光纤作为刻写光纤，然后在微纳光纤均匀区的一端刻写出一个FBG，移动一定距离后再刻写另一个FBG，两个FBG之间空置的微纳光纤构成了FPI的腔体，如图1-43（a）所示。由于微纳光纤直径的微小变化可以影响有效折射率的变化，所以为了保证谐振现象的产生，刻写全程采用辅助光保证两个FBG在同一直径上，即整个FPI位于微纳光纤均匀区域内。与传统光纤法珀腔结构的耗散型短腔相比，用两个FBG作为反射镜构成的法珀腔可以采用很长的腔体获得极高的灵敏度。由图1-43（b）所示的微纳光纤光栅FPI的透射谱可以得到FPI的品质因数约为1.03×105。同时，与传统的熔接方式制作的光纤法珀腔相比，这种在光纤中直接刻制光栅的方法可以提供更高的机械强度。

2018年，西北大学的Shao等提出的基于微悬芯光纤的超声传感器的声敏感元件是超细的悬芯结构[68]。超声传感器的制备过程为：先使用光纤熔接机熔接单模光纤SMF和柚子型光纤PCF，然后将SMF-PCF光纤结构的柚子型光纤PCF部分浸于49%的氢氟酸中腐蚀，得到尺寸被大大减小了几微米的悬芯光纤，如图1-44（a）、（b）、（c）所示，所以对超声波较为敏感。可以看到，悬芯光纤自身构成FPI，两个反射面分别为光纤熔接点（R1）和光纤端面（R2），因此镜面反射率低，FPI中进行的是双光束干涉，干涉光谱如图1-44（d）所示，可以得到该FPI的品质因数约为773。该光纤声传感器制备过程操作简单，但FPI的腔长需要手动调整，不具备一致性和批量化的条件，而且只能得到低精细度的FPI。

（2）非本征型FPI光纤声传感器制备

2013年，斯坦福大学的Jo发明了基于光子晶体薄膜的小型化光纤声传感器[82]。光子晶体薄膜的制备在一片4英寸（1英寸=2.54厘米）的SOI上进行。第一步，用反应离子刻蚀技术刻蚀孔洞阵列，在制造过程中，在蚀刻的结构上覆盖一层氧化膜以进行保护。第二步，覆盖一层氮化膜以防止薄膜的膨胀（氮化膜的拉应力补偿了氧化膜的压应力）。第三步，在四甲基氢氧化铵中对SOI的背面进行湿法腐蚀，然后将晶片切成5mm×5mm的小片，每片都包含一个光子晶体（Photonic-Crystal，PC）薄膜。第四步，通过在6:1缓冲氧化物腐蚀剂（BOE）中去除氧化膜，PC膜被单独释放，如图1-45（a）所示。PC由450nm厚的硅薄膜上圆形孔的方形图案组成。方形薄膜之所以被选择，是因为在等面积情况下，方形薄膜比圆形薄膜偏转得多，因此具有更高的灵敏度。得到光子晶体薄膜后，利用单模光纤、石英玻璃管、硅间隔块和铝外壳封装得到光纤声传感器。该FPI中光子晶体薄膜的反射率通常在90%左右，作为另一个反射面的光纤端面通过沉积金膜或多层介质膜可以增大反射率，反射率可达到90%以上，FPI反射谱如图1-45（b）所示，可得到FPI的品质因数约为442。其中，光子晶体薄膜孔中轻微的椭圆度、膜上的灰尘和光纤端面反射镜的角度不对准会影响FPI的品质因数。

2018年，哈尔滨工业大学的Liu等发明了一种基于波纹银膜片的FPI型光纤声传感器[91]。首先，基于波纹银膜片FPI型光纤传声器的加工过程如图1-46所示，先在硅基底上匀胶，然后进行不完全曝光和显影，将波纹结构转移到光刻胶上。其次，在光刻胶表面沉积银膜，在石英套筒端面涂环氧胶将其贴在银膜片表面，并进行热固化。固化后，将该结构放入丙酮溶液中剥离即可得到银膜片。最后，将锆套圈包围的研抛单模光纤插入管中，用环氧树脂密封形成光纤声传感器。可以通过光谱分析仪和五轴精密对准器对法珀腔的长度进行控制。这里主要是利用波纹结构释放膜片的初始应力，提高了传感器的灵敏度，但降低了膜片的共振频率，使得光纤声传感器频率响应平坦度降低。由光纤声传感器的反射谱可以得到其品质因数为773.2，主要是因为两个反射面的反射率不到4%。

2019年，华中科技大学的Fu等发明一种硅微机械加工EFPI光纤声传感器[33]，选用的薄膜材料为氮化硅。氮化硅声敏感膜片的流片过程：先利用低压化学气相沉积在400μm厚的硅片表面沉积一层厚度为1μm的氮化硅层，再沉积一层厚度为500nm的钛，沉积钛的目的是增强反射率。完成薄膜制备后，利用深反应离子刻蚀在硅片背面，刻蚀出一个直径2.5mm、深度350μm的卡槽，用于后续固定光纤插芯。随后，在卡槽的正中心继续用DRIE技术将硅基底全部刻蚀，刻蚀直径为1mm，此时氮化硅作为DRIE的截止层，因此氮化硅-钛复合层也被称为可以振动的薄膜，属于法珀腔体结构。然后分别将中空圆柱形陶瓷套筒、D型陶瓷插芯和单模光纤依次插入卡槽中用环氧树脂胶固定，完成传感器的组装。D型陶瓷插芯的作用是形成开腔通气孔结构来平衡腔体内外的压力差。经过测试可以得到氮化硅-钛复合膜片的反射率约为55%。图1-47（d）所示是传感器的空间频谱和反射光谱，由反射光谱可得到传感器的品质因数为1566.9。