光纤传感器研究现状与发展趋势

　　光纤传感器可用于火箭发动机、航空发动机、重型燃气汽轮等高温高压的恶劣环境，用于实现对其运行状态的监控和健康评估。在石油化工领域，可用于地下开采提供数据支持。

　　一般地，当压力范围在10～100 MPa之间时，称之为大压力，大于100 MPa的压力为超大压力。高温压力传感器是指在高于125℃环境下能正常工作的压力传感器。

　　光纤传感器由于其具有体积小、功耗低、成本低等优势，而得到了广泛的应用[1,2]。然而，该类传感器在超过120℃环境下使用时，会由于内部PN结出现漏电而导致传感器性能急剧下降，进而导致失效[3,4,5,6]。因此，如何把MEMS技术的优势和现有的技术相结合，通过改进工艺、选择新型的耐高温材料，进而克服MEMS传感器的上述缺点，光纤传感器。光纤传感器多种类型材料组合形成的新型敏感元件纷纷问世。

　　光纤传感器敏感元件材料为分类目标，针对目前常用的几类高温大压力传感器(包括多晶硅高温压力传感器压力传感器、高温压力传感器、高温压力传感器以及光纤高温压力传感器)的工作原理、国内外研究现状等进行了阐述。

　　光纤传感器主要采用SiO2作为介质薄膜来代替PN结，进而实现电隔离，该传感器结构原理图如图1所示[7,8,9,10,11]。该传感器工作原理与硅压阻式压力传感器类似，都是以单晶硅膜片作为敏感元件，把压力值转换为膜片的应力变化，通过压敏电阻把变化量转化为电压信号，实现对压力的测量。由于单晶硅本身的性质受温度影响较大，因此基于单晶硅的扩散硅压阻式压力传感器使用温度范围受到了很大的限制。而多晶硅薄膜作为压阻敏感材料可使传感器使用温度范围极大拓宽。传感器在制作中采用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压气相淀积)工艺在SiO2上制作多晶硅膜，再通过扩散工艺制作基于多晶硅材料的压敏电阻。由于以Si O2介质隔离代替了PN结隔离，减少了器件在高温下的漏电，从而提高了传感器工作温度。

　　光纤传感器主要利用了SOI材料制作工艺高、键合过程中附加应力小(衬底硅和SiO2直接键合，没有其他过渡层，避免了附加应力产生)的特点，故将其作为敏感材料。其工作原理如图2所示。该传感器工作原理与硅压阻压力传感也比较类似。由于SOI材料具有自隔离、抗电磁辐射、稳定性好、耐高温等特

　　光纤传感器的研究目前还停留在实验阶段。2001年，复旦大学黄宜平[19]等人采用改进的加工工艺制备出SOI材料(Smart-Cut法)，并将这一材料应用于双岛-梁-膜结构的压力传感器，工作温度可达300℃，实验表明该传感器灵敏度可到达63m V。河北工业大学张玉书[20]等人于2006年制作的SOI高温压力传感器在0～1 MPa条件下，工作温度可到达220℃。中北大学[21]和中国电子科技集团公司第十三研究所也分别利用MEMS相关技术，研制出了可用于多领域的高温压力传感器。

　　光纤传感器具有易于与CMOS工艺兼容、集成化程度高、测试范围宽等特点(可达1000 MPa)。但SOI传感器对制作工艺要求较高，导致其加工相对困难，一定程度上限制了该传感器的发展，但这也是该类传感器的主要发展方向。

　　光纤传感器通常是将在作为弹性体的蓝宝石上异质外延生长单晶硅薄膜作为敏感膜片，为双膜片结构。该传感器具有非线性小、耐高温、耐腐蚀、量程大的特点。

　　为克服高温对传感器的影响，光纤传感器核心敏感元件为双膜片结构:钛合金膜片和蓝宝石膜片。蓝宝石膜片通过熔焊工艺固定在钛合金膜片上。在蓝宝石衬底上，通过异质外延工艺生长出一层单晶硅薄膜，再利用半导体扩散工艺在硅薄膜上加工出硅应变电阻，由硅电阻组成电阻桥[21]。蓝宝石由单晶绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;同时具有非常好的弹性和绝缘特性(1000℃以内)，对温度变化不敏感，即使在高温条件下也有很好工作特性[22]，因此可应用于各种恶劣高温的环境。

　　光纤传感器虽然具有良好的机械特性，但由于应变薄膜制备的成品率很低，很大程度上限制了该传感器的批量生产。同时，由于外延单晶硅薄膜与蓝宝石间存在晶格失配问题，导致其长期稳定性较差。如何克服上述问题，对该类传感器未来的发展至关重要。