基于MEMS側(cè)面輸出的壓力傳感器設(shè)計(jì)

馮飛 續(xù)睿玲 秦麗

摘 要：為了解決應(yīng)用正面壓力傳感器測(cè)量光纖打彎導(dǎo)致光損耗增加的問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用側(cè)面輸出的壓力傳感器設(shè)計(jì)方案。對(duì)45°的斜面光纖和法珀壓力傳感器中MEMS工藝鍵合的敏感單元進(jìn)行激光焊接，制成了基于MEMS側(cè)面輸出的壓力傳感器。搭建了側(cè)面輸出的MEMS壓力傳感器的測(cè)試裝置，通過(guò)光譜儀對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了解調(diào)，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明，傳感器的腔長(zhǎng)與所加的壓力呈現(xiàn)線性關(guān)系，其靈敏度為3.048 μm/MPa。應(yīng)用側(cè)面輸出壓力傳感器更有利于管道壁面壓力的測(cè)量，光信號(hào)更容易轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，減少了光的模式之間的干擾，有助于減少光的損耗。所得結(jié)果對(duì)狹窄空間和惡劣環(huán)境下的管道測(cè)量工作提供了更多選擇，對(duì)實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁壓力的精確測(cè)量具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);側(cè)面輸出;光纖法珀;MEMS;光損耗

中圖分類號(hào)：TB21?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2021yx02004

Design of pressure sensor based on MEMS side output

FENG Fei1，2， XU Ruiling1，2， QIN Li1，2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan，Shanxi 030051， China;2.Key Laboratory Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China， Taiyuan，Shanxi 030051， China）

Abstract：In order to solve the problem of the increase of the light loss caused by the bending of the optical fiber measured by the front pressure sensor，a design scheme of the side output pressure sensor was proposed. A pressure sensor based on MEMS side output was fabricated with the laser welding of 45 ° inclined fiber and the sensing unit of MEMS （Micro Electro Mechanical Systems） bonding process in Fabry-Perot pressure sensor. The testing device of MEMS pressure sensor with side output was built，the detection signal was mediated by spectrometer，and the obtained data was analyzed and calculated. The results show that the cavity length of the sensor has a linear relationship with the applied pressure，and its sensitivity is 3.048 μm/MPa. The application of side output pressure sensor is more conducive to the measurement of pipe wall pressure，and the optical signal is easier to be converted into electrical signal， which reduces the interference between light modes and helps cut the loss of light. The results provide more choices for pipeline measurement in narrow space and harsh environment，and have a certain reference for realizing accurate measurement of pipeline inner wall pressure.

Keywords：sensor technology; side output; fiber Fabry-Perot; MEMS;optical loss

從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，光纖傳感器伴隨著光纖傳感和光纖通信等技術(shù)的成熟飛速發(fā)展[1]。與基于電學(xué)傳感原理的傳統(tǒng)傳感器不同，光纖傳感器是通過(guò)轉(zhuǎn)換電信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)腫2]。因此，傳統(tǒng)的傳感器會(huì)受到使用環(huán)境的限制，例如：環(huán)境中大氣濕度太高，可能會(huì)引起電路板的短路，尤其是高溫和易燃易爆的大氣環(huán)境條件下，極可能引起火災(zāi)事故。光纖傳感器則是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，受環(huán)境因素制約較小。目前，光纖傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、航空行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，能源工業(yè)以及制造業(yè)等科研領(lǐng)域[3]。

光纖傳感器件的本征型光纖法珀干涉腔結(jié)構(gòu)均由LEE等[4]和MURPHY等[5]成功制作而成，在光學(xué)各類傳感器中，光纖法珀傳感器已經(jīng)占領(lǐng)了主要地位。從應(yīng)用的角度講，光纖法珀傳感器可以用于測(cè)量壓力、應(yīng)變、振動(dòng)以及溫度等指標(biāo)[6]。由于法珀干涉腔的結(jié)構(gòu)可以選擇不同參數(shù)的材料，所以光纖法珀傳感器適用的范圍非常大。例如：超高溫超高壓等超高承受能力的大氣環(huán)境以及強(qiáng)化學(xué)腐蝕和強(qiáng)電磁干擾等超級(jí)惡劣的環(huán)境。目前，廣泛應(yīng)用于智能材料傳感器與大型建筑結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。例如，大慶油田油井壓力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，核試驗(yàn)爆炸的聲波測(cè)量[7]，大型電力設(shè)備溫度電擊穿的監(jiān)測(cè)，橋梁和水壩安全穩(wěn)定性的健康監(jiān)測(cè)，化工工業(yè)的壓力、溫度和液位測(cè)量等。

1 設(shè)計(jì)方案

微型側(cè)面輸出光纖壓力傳感器具有體積小，靈敏度高，抗電磁干擾強(qiáng)以及光纖導(dǎo)光/探測(cè)便利等特性。這種傳感器通常具有外部法布里-珀羅干涉儀光纖端面，由1個(gè)45°的光纖，1個(gè)壓力傳感膜片以及用于保持隔膜的殼體結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。將光纖研磨成45°，然后在這個(gè)截面上鍍膜，形成高介反膜，保證光能夠全反射，入射光與反射光垂直，進(jìn)入傳感器在法珀干涉腔表面來(lái)回反射，一部分返回，再經(jīng)過(guò)高介反膜全反射被光譜儀接收。膜片受到壓力后，腔長(zhǎng)發(fā)生了變化，經(jīng)45°光纖的高介反膜全反射，最后由光譜儀接收解調(diào)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。光纖端面和反射膜形成一個(gè)FP腔，用于感應(yīng)外部壓力。由于FP腔與光學(xué)元件共用光軸光纖，其配置稱為同軸配置。各種微型同軸FP傳感器已有報(bào)道[8-10]，并應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)[11]，空氣動(dòng)力學(xué)[12]，以及其他工業(yè)行業(yè)[13]。

2 光纖法珀壓力傳感器的原理

2.1 光纖F-P干涉原理

法珀干涉儀是一種典型的多光束干涉儀，當(dāng)一束光傾斜射入一對(duì)平行面板時(shí)，光會(huì)在平行面板之間發(fā)生多次反射和折射。平行面板的折射率相同，2束或多束相同頻率的光之間會(huì)發(fā)生干涉，形成多光束干涉，其干涉的過(guò)程如圖2所示。

光從折射率為n0的平行面板中以傾斜角度為θ1的入射角射入，平行面板間的距離為d，平行面板間是大氣層，中間氣體物質(zhì)的折射率為n，入射光進(jìn)入平行面板后，發(fā)生折射進(jìn)入大氣物質(zhì)，折射角為θ2，并且在平行面板之間的物質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次反射和折射，其中任意2束光程差相同頻率的光都會(huì)發(fā)生干涉。

2.2 光纖F-P干涉儀

從光強(qiáng)分布來(lái)看，任意2條相鄰的反射光或入射光之間的光程差為

δ=4πλ0ndcos θi，（1）

式中：n為玻璃板間的折射率;λ0為光在真空中的波長(zhǎng);d為玻璃板厚度;θi為折射角。

令r為光從介質(zhì)進(jìn)入玻璃板時(shí)能量的反射比，t為光從介質(zhì)進(jìn)入玻璃板時(shí)能量的透射比，r′為光從玻璃板進(jìn)入介質(zhì)時(shí)能量的反射比，t′為光從玻璃板進(jìn)入介質(zhì)時(shí)能量的透射比。可得：

tt′=T，（2）

式中T為法珀干涉儀光學(xué)上（下）表面的透射率。

r2=r′2=R，（3）

式中R為法珀干涉儀光學(xué)上（下）表面的反射率。

由光路可逆可以得出r′=-r，整個(gè)過(guò)程中表面沒(méi)有對(duì)光的吸收，則法珀干涉儀光學(xué)表面的反射率R和透射率T之間的關(guān)系為R+T=1。

反射光的強(qiáng)度為

IR=4Rsin2δ2（1-R）2+4Rsin2δ2I0 。（4）

透射光的強(qiáng)度為

It=T2（1-R）2+4Rsin2δ2I0 。（5）

當(dāng)反射光和透射光之間的距離不變而且符合相干條件時(shí)，反射率越大，反射的光線強(qiáng)度越小，法珀干涉儀光學(xué)下表面基本沒(méi)吸收，這時(shí)透射光的強(qiáng)度可以寫為

It=（1-R）2（1-R）2+4Rsin2δ2I0。（6）

如果定義K=4R（1-R）2，則可以將式（5）寫為

Ir=Ksin2δ21+Ksin2δ2I0。（7）

同樣地，式（6）也可以變?yōu)?/p>

It=11+Ksin2δ2I0 。（8）

由式（7）和式（8）得到反射光和透射光的關(guān)系為

Ir+It=1。（9）

這些都是光在沒(méi)有吸收的條件下得到的，法珀干涉儀光學(xué)上（下）表面的反射光和透射光總和不變，但不能等同于反射率和透射率，因?yàn)榉瓷渎屎屯干渎适菃我槐砻嫔系摹?/p>

由多光束干涉原理可以得到反射光強(qiáng)IR與反射率R、入射光強(qiáng)I0的關(guān)系為

IR=2R（1-cos x）1+R2-2Rcos xI0 。（10）

光反射時(shí)的相位變化為X，且X與折射率n0和入射波長(zhǎng)λ的關(guān)系為

X=4πλn0d。（11）

同樣可以得到透射光強(qiáng)IT公式：

IT=（1-R）21+R2-2Rcos xI0。（12）

光程差δ與光反射相位變化X的關(guān)系為

δ=4πλnhcos θi+2X 。（13）

3 側(cè)面輸出的MEMS壓力傳感器實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

筆者設(shè)計(jì)的側(cè)面輸出的MEMS壓力傳感器測(cè)試裝置如圖3所示。

該裝置主要由計(jì)算機(jī)、光譜儀、加壓罐等組成。在測(cè)試過(guò)程中，將壓力傳感器放在氣壓罐中密封，施加一定的壓力，引起膜片形變，同時(shí)，光譜儀記錄傳感器輸出的波形，可以計(jì)算和解調(diào)出腔長(zhǎng)的變化，最終獲得增加的壓力。將所加的壓力減掉，得到減壓時(shí)的波形圖，同時(shí)，可以得到腔長(zhǎng)的變化量。

通過(guò)打壓機(jī)給膜片加壓，可以看出從解調(diào)儀解調(diào)出的波形圖在不斷左移，減壓時(shí)波形在不斷右移。由于顯示的是氣壓罐內(nèi)的瞬時(shí)壓力，在加壓或減壓時(shí)記錄的并不是穩(wěn)定壓力，因此存在一定的誤差。如圖4所示，壓力增大時(shí)，光譜圖向左移動(dòng)。打壓機(jī)打壓時(shí)，在壓力罐中壓入空氣后，氣體的壓力對(duì)硅敏感膜片進(jìn)行擠壓產(chǎn)生硅膜片的中心形變，同時(shí)減小法珀干涉腔的腔長(zhǎng)大小，腔長(zhǎng)變小后，光程差變小，故而光譜圖向左移動(dòng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用Origin軟件將圖4波形中的數(shù)據(jù)繪制成膜片加壓后的波形，如圖5所示。

分析圖5可知，加壓后光譜圖的峰值向左移動(dòng)了12 nm，從波形中可以讀出較為準(zhǔn)確的ω1，ω2讀數(shù)，根據(jù)式（14）進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如表1所示。

d1=ω1ω22（ω2-ω1）。（14）

從圖6中可以看出腔長(zhǎng)與所加的壓力呈線性關(guān)系，但由于壓力表不精準(zhǔn)，打壓機(jī)存在灰塵，氣壓罐中壓強(qiáng)沒(méi)穩(wěn)定就讀數(shù)等多種因素，結(jié)果存在一定的誤差。筆者做了多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可以看出腔長(zhǎng)和壓力還是呈線性關(guān)系，而且斜率與每次實(shí)驗(yàn)的腔長(zhǎng)壓力關(guān)系曲線斜率很接近。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出傳感器的靈敏度為3.048 μm/MPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者研究了光纖多光束干涉原理和法珀壓力傳感器原理，用Matlab和Comsol軟件對(duì)薄膜片進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的尺寸，利用MEMS工藝制成膜片，設(shè)計(jì)出光纖側(cè)面輸出信號(hào)方案，最終做出實(shí)物，并確定利用哪種方案做出的傳感器更精確。利用相關(guān)儀器組建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。

筆者所設(shè)計(jì)的基于MEMS側(cè)面輸出壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，具有可靠性好、抗電磁干擾強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、測(cè)量精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好等優(yōu)點(diǎn)。采用微機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)化，可以減小傳感器的尺寸，使其生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)，更易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

盡管該傳感器可以應(yīng)用于管道內(nèi)壁壓力的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了側(cè)面輸出，減少了光纖彎曲損耗。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)存在著不足：使用AB膠的固化時(shí)間太長(zhǎng)，受AB膠固化熱膨脹的影響。光纖端面和膜片表面接觸處容易松動(dòng)，不能緊密相貼，從而影響波形觀察;純手工粘貼光纖和膜片，形成的波形不光滑，波形中有多個(gè)波疊加，對(duì)解調(diào)產(chǎn)生影響。

今后需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔接機(jī)機(jī)械焊接代替膠水粘貼，用夾具代替手工操作，同時(shí)向光纖傳感器微小型方向進(jìn)行深入研究。

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收稿日期：2020-12-10;修回日期：2021-01-05;責(zé)任編輯：張 軍

第一作者簡(jiǎn)介：馮 飛（1991—），男，山西太原人，博士研究生，主要從事分布式傳感器、光纖法珀高溫壓力傳感器、斐索解調(diào)算法等方面的研究。

通訊作者：秦 麗教授。E-mail：qinli@nuc.edu.cn

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