1.3.2 光纖干涉儀的MEMS制備工藝

1.邁克爾遜干涉儀（MI）

華中科技大學的Liu和Fan等先后在2016年和2020年分別將聚合物（PP/PET）膜[53]和金膜[54]作為MI系統中的反射鏡，目的是提高光纖聲傳感器的靈敏度。改進后的MI光纖聲波傳感器的傳感頭包含一塊材料為PP/PET（聚丙烯/聚對苯二甲酸乙二醇酯）的聚合物薄膜、兩塊鉛膜、兩個光纖準直器、兩個圓柱形鋁制支架。整個制作過程如下：首先，準備一塊直徑為2cm、厚度為25μm的圓形PP/PET聚合物薄膜作為傳感膜片。其次，用紫外膠水將兩塊直徑為2mm、厚度為3μm的鉛膜黏貼在PP/PET薄膜兩個端面的中間。黏貼兩塊鉛膜的作用在于：一是提高PP/PET薄膜的端面反射率，鉛膜的反射率高達90%以上，避免PP/PET薄膜端面反射光和光纖準直器端面反射光發生FP干涉，干擾最后測量結果；二是黏貼的鋁膜和PP/PET薄膜形成了凸臺型結構，凸臺型結構可減小傳感膜片的形變角度，保證傳感膜片中心平面和光纖準直器端面處于基本平行狀態，增加MI工作的穩定性。再次，使用環氧樹脂膠將PP/PET薄膜固定在兩個圓柱形鋁制固定支架中間。圓柱形鉛制支架的內外半徑分別為1.6cm和2cm，中間包含一個帶有空心孔的十字型固定支架用于固定光纖準直器，空心孔的直徑為2.3mm。最后，將兩個光纖準直器分別插入十字固定支架的中間，并保證光纖準直器端面與PP/PET薄膜的間距為50μm左右，再用環氧樹脂膠水將其固定即可完成傳感頭的制作，如圖1-38所示。

金膜片采用電子束蒸發沉積法制備，厚度和半徑分別為300nm和1.25mm。具體的制備方法如下（見圖1-39）：基片選用尺寸為8mm×8mm、厚度為0.5mm的單晶硅。首先，在超聲波清洗機中用丙酮溶液和乙醇進行拋光和清洗。殘余溶液用去離子水去除。其次，干燥后，將硅放在旋轉涂布機上旋轉光刻膠（AZ5214）。為了方便隨后去除光刻膠，需要降低旋轉涂布機的轉速，使光刻膠的厚度增加到幾微米，轉速設置為800r/min。光刻膠需在60℃下加熱1分鐘固化，最后在涂布機上用電子束蒸發沉積法將金膜片涂在硅基板上，將厚度設置為300nm。極薄的膜片可以大大提高超聲波傳感器的靈敏度。由于旋轉涂布機轉速低，光刻膠的厚度不均勻，導致金膜片的棱角不光滑。MI由分別從金膜片和劈裂光纖端面反射的兩個光束組成。在隔膜轉移到外金屬套管后，對于傳感臂，拋光8°傾斜的光纖端面，以防止菲涅耳反射。將纖維頭插入內徑為125μm的陶瓷內套中，然后將內陶瓷卡箍連同纖維尖端插入內徑為2.5mm的外陶瓷卡箍中。將嵌套好的外陶瓷卡箍結構插入外金屬套筒中，使金膜片作為MI的一個反射面。另一個反射面是參考臂的劈裂纖維端面。從第三個面反射的光帶來了額外的噪聲，因此，故意破壞第三個面，人為防止菲涅耳反射。為了增強干涉條紋的對比度，劈裂光纖端面反射的光功率應與金膜匹配。

2.薩格納克干涉儀（SI）

2015年，香港理工大學的Ma等通過在SI系統中引入膜片式聲敏感探頭，發明了一種新型的SI型光纖聲傳感器，并在空氣中實現了1～20kHz的頻率響應范圍[57]。基于膜片的傳感器的制作過程如下：首先，將一塊MLG/Ni/MLG薄膜（Graphene Supermarket）壓平在兩個載玻片之間[見圖1-40（a）]。在所述時間內，在內徑為2.5mm的空心陶瓷套的外圍涂上一層薄薄的紫外線（UV）固化液體凝膠，如圖1-40（b）所示。其次，將涂有凝膠的套筒壓在MLG/Ni/MLG薄膜上，套筒與MLG/Ni/MLG薄膜之間的液體凝膠在紫外光照射下固化6小時，如圖1-40（c）所示。這個過程確保了MLG/Ni/MLG薄膜牢固地黏在套管的末端。再次，將覆蓋有MLG/Ni/MLG薄膜的空心套筒浸入氯化鐵（FeCl₃）和鹽酸（HCl）混合溶液中，以蝕刻掉Ni層，如圖1-40（d）所示。FeCl₃和HCl溶液的結合也有助于去除蝕刻殘留物。通過在新鮮的去離子水中沖洗套筒端部，使連接在套筒上的上MLG膜與下MLG膜分離。然后使用MLG薄膜覆蓋的套筒在90℃下干燥約1小時，以去除殘留的水分。最后，將一根帶有標準角度拋光連接器（APC）的SMF電纜插入套筒中，并與環氧樹脂固定在一起，形成傳感器頭。APC由一個外徑為2.5mm的陶瓷套圈組成，SMF被固定在套圈的中心孔上。APC中SMF的端面有8°的傾斜角度，這減少了來自光纖末端的背側反射光。空腔的長度（光纖端和膜片之間的間距）是在光學顯微鏡的監控下通過平移臺控制的。覆蓋MLG薄膜的套筒和成品傳感器頭的顯微鏡圖像分別如圖1-40（f）和圖1-40（g）所示。

3.馬赫曾德爾干涉儀（MZI）

2016年，Pawar等在MZI中使用了保偏光子晶體光纖，其由兩個單模光纖拼接而成，工作波長為1550nm[61]，如圖1-41（a）所示。為了用拼接法制作馬赫曾德爾干涉儀，在兩根直徑相同的SMF-28光纖之間熔合拼接了一段PM-PCF，如圖1-41（b）所示。熔合損耗為0.3dB。這是一種直插式馬赫曾德爾干涉儀，其參考臂和傳感臂的物理長度相同，但由于核與核的有效指數不同，其光程長度也不同。

2021年，Dass等提出了一種新型的光纖水聽器系統。它由在傳統的單模光纖（SMF）中創建兩個錐形的直列MZI（IMZI）結構組成[62]。SMF的錐形被一小段未錐形SMF分開。為了獲得更好的靈敏度，IMZI被附著在天然橡膠（NR）的圓形膜片上。IMZI由兩個連續的SMF錐形部分組成，由SMF的非錐形部分隔開。IMZI的第一個錐體TPR-1的長度為2.47mm，直徑為40.21μm。同樣，IMZI的第二個錐體TPR-2的長度和直徑分別為5.31mm和22.54μm。圖1-42（a）顯示了基于IMZI的水聽器原理圖，該傳感器頭由連接NR膜片的光纖IMZI組成，兩個錐體的顯微圖也顯示在圖1-42（b）、（c）中。NR膜片不僅為光纖系統提供了穩定性和機械健壯性，而且還解決了空氣和IMZI系統之間的阻抗不匹配問題。SMF錐形是使用完善的火焰刷涂技術制作的。高質量的火焰是由氫和氧適當混合產生的，SMF在由計算機控制的平移臺的幫助下移動。

4.法布里珀羅干涉儀（FPI）

（1）本征型FPI光纖聲傳感器制備

2014年，暨南大學的王岫鑫發明一種基于微納光纖光柵FPI型聲傳感器[104]。其中聲敏感元件微納光纖光柵FPI的制作方法為：先采用熔融拉錐多模光纖的方法制作微納光纖，選用損耗低的微納光纖作為刻寫光纖，然后在微納光纖均勻區的一端刻寫出一個FBG，移動一定距離后再刻寫另一個FBG，兩個FBG之間空置的微納光纖構成了FPI的腔體，如圖1-43（a）所示。由于微納光纖直徑的微小變化可以影響有效折射率的變化，所以為了保證諧振現象的產生，刻寫全程采用輔助光保證兩個FBG在同一直徑上，即整個FPI位于微納光纖均勻區域內。與傳統光纖法珀腔結構的耗散型短腔相比，用兩個FBG作為反射鏡構成的法珀腔可以采用很長的腔體獲得極高的靈敏度。由圖1-43（b）所示的微納光纖光柵FPI的透射譜可以得到FPI的品質因數約為1.03×105。同時，與傳統的熔接方式制作的光纖法珀腔相比，這種在光纖中直接刻制光柵的方法可以提供更高的機械強度。

2018年，西北大學的Shao等提出的基于微懸芯光纖的超聲傳感器的聲敏感元件是超細的懸芯結構[68]。超聲傳感器的制備過程為：先使用光纖熔接機熔接單模光纖SMF和柚子型光纖PCF，然后將SMF-PCF光纖結構的柚子型光纖PCF部分浸于49%的氫氟酸中腐蝕，得到尺寸被大大減小了幾微米的懸芯光纖，如圖1-44（a）、（b）、（c）所示，所以對超聲波較為敏感。可以看到，懸芯光纖自身構成FPI，兩個反射面分別為光纖熔接點（R1）和光纖端面（R2），因此鏡面反射率低，FPI中進行的是雙光束干涉，干涉光譜如圖1-44（d）所示，可以得到該FPI的品質因數約為773。該光纖聲傳感器制備過程操作簡單，但FPI的腔長需要手動調整，不具備一致性和批量化的條件，而且只能得到低精細度的FPI。

（2）非本征型FPI光纖聲傳感器制備

2013年，斯坦福大學的Jo發明了基于光子晶體薄膜的小型化光纖聲傳感器[82]。光子晶體薄膜的制備在一片4英寸（1英寸=2.54厘米）的SOI上進行。第一步，用反應離子刻蝕技術刻蝕孔洞陣列，在制造過程中，在蝕刻的結構上覆蓋一層氧化膜以進行保護。第二步，覆蓋一層氮化膜以防止薄膜的膨脹（氮化膜的拉應力補償了氧化膜的壓應力）。第三步，在四甲基氫氧化銨中對SOI的背面進行濕法腐蝕，然后將晶片切成5mm×5mm的小片，每片都包含一個光子晶體（Photonic-Crystal，PC）薄膜。第四步，通過在6:1緩沖氧化物腐蝕劑（BOE）中去除氧化膜，PC膜被單獨釋放，如圖1-45（a）所示。PC由450nm厚的硅薄膜上圓形孔的方形圖案組成。方形薄膜之所以被選擇，是因為在等面積情況下，方形薄膜比圓形薄膜偏轉得多，因此具有更高的靈敏度。得到光子晶體薄膜后，利用單模光纖、石英玻璃管、硅間隔塊和鋁外殼封裝得到光纖聲傳感器。該FPI中光子晶體薄膜的反射率通常在90%左右，作為另一個反射面的光纖端面通過沉積金膜或多層介質膜可以增大反射率，反射率可達到90%以上，FPI反射譜如圖1-45（b）所示，可得到FPI的品質因數約為442。其中，光子晶體薄膜孔中輕微的橢圓度、膜上的灰塵和光纖端面反射鏡的角度不對準會影響FPI的品質因數。

2018年，哈爾濱工業大學的Liu等發明了一種基于波紋銀膜片的FPI型光纖聲傳感器[91]。首先，基于波紋銀膜片FPI型光纖傳聲器的加工過程如圖1-46所示，先在硅基底上勻膠，然后進行不完全曝光和顯影，將波紋結構轉移到光刻膠上。其次，在光刻膠表面沉積銀膜，在石英套筒端面涂環氧膠將其貼在銀膜片表面，并進行熱固化。固化后，將該結構放入丙酮溶液中剝離即可得到銀膜片。最后，將鋯套圈包圍的研拋單模光纖插入管中，用環氧樹脂密封形成光纖聲傳感器。可以通過光譜分析儀和五軸精密對準器對法珀腔的長度進行控制。這里主要是利用波紋結構釋放膜片的初始應力，提高了傳感器的靈敏度，但降低了膜片的共振頻率，使得光纖聲傳感器頻率響應平坦度降低。由光纖聲傳感器的反射譜可以得到其品質因數為773.2，主要是因為兩個反射面的反射率不到4%。

2019年，華中科技大學的Fu等發明一種硅微機械加工EFPI光纖聲傳感器[33]，選用的薄膜材料為氮化硅。氮化硅聲敏感膜片的流片過程：先利用低壓化學氣相沉積在400μm厚的硅片表面沉積一層厚度為1μm的氮化硅層，再沉積一層厚度為500nm的鈦，沉積鈦的目的是增強反射率。完成薄膜制備后，利用深反應離子刻蝕在硅片背面，刻蝕出一個直徑2.5mm、深度350μm的卡槽，用于后續固定光纖插芯。隨后，在卡槽的正中心繼續用DRIE技術將硅基底全部刻蝕，刻蝕直徑為1mm，此時氮化硅作為DRIE的截止層，因此氮化硅-鈦復合層也被稱為可以振動的薄膜，屬于法珀腔體結構。然后分別將中空圓柱形陶瓷套筒、D型陶瓷插芯和單模光纖依次插入卡槽中用環氧樹脂膠固定，完成傳感器的組裝。D型陶瓷插芯的作用是形成開腔通氣孔結構來平衡腔體內外的壓力差。經過測試可以得到氮化硅-鈦復合膜片的反射率約為55%。圖1-47（d）所示是傳感器的空間頻譜和反射光譜，由反射光譜可得到傳感器的品質因數為1566.9。