基于MEMS侧面输出的压力传感器设计

冯飞 续睿玲 秦丽

摘 要：为了解决应用正面压力传感器测量光纤打弯导致光损耗增加的问题，提出了一种应用侧面输出的压力传感器设计方案。对45°的斜面光纤和法珀压力传感器中MEMS工艺键合的敏感单元进行激光焊接，制成了基于MEMS侧面输出的压力传感器。搭建了侧面输出的MEMS压力传感器的测试装置，通过光谱仪对检测信号进行了解调，并对所得数据进行了分析计算。结果表明，传感器的腔长与所加的压力呈现线性关系，其灵敏度为3.048 μm/MPa。应用侧面输出压力传感器更有利于管道壁面压力的测量，光信号更容易转换成电信号，减少了光的模式之间的干扰，有助于减少光的损耗。所得结果对狭窄空间和恶劣环境下的管道测量工作提供了更多选择，对实现管道内壁压力的精确测量具有一定的借鉴价值。

关键词：传感器技术;侧面输出;光纤法珀;MEMS;光损耗

中图分类号：TB21   文献标识码：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世纪70年代初开始，光纤传感器伴随着光纤传感和光纤通信等技术的成熟飞速发展[1]。与基于电学传感原理的传统传感器不同，光纤传感器是通过转换电信号进行传输的[2]。因此，传统的传感器会受到使用环境的限制，例如：环境中大气湿度太高，可能会引起电路板的短路，尤其是高温和易燃易爆的大气环境条件下，极可能引起火灾事故。光纤传感器则是把光信号转换为电信号，受环境因素制约较小。目前，光纤传感器已经广泛应用于航天、航空行业，医疗行业，能源工业以及制造业等科研领域[3]。

光纤传感器件的本征型光纤法珀干涉腔结构均由LEE等[4]和MURPHY等[5]成功制作而成，在光学各类传感器中，光纤法珀传感器已经占领了主要地位。从应用的角度讲，光纤法珀传感器可以用于测量压力、应变、振动以及温度等指标[6]。由于法珀干涉腔的结构可以选择不同参数的材料，所以光纤法珀传感器适用的范围非常大。例如：超高温超高压等超高承受能力的大气环境以及强化学腐蚀和强电磁干扰等超级恶劣的环境。目前，广泛应用于智能材料传感器与大型建筑结构和生物医疗健康监测等领域。例如，大庆油田油井压力和温度的实时监测，核试验爆炸的声波测量[7]，大型电力设备温度电击穿的监测，桥梁和水坝安全稳定性的健康监测，化工工业的压力、温度和液位测量等。

1 设计方案

微型侧面输出光纤压力传感器具有体积小，灵敏度高，抗电磁干扰强以及光纤导光/探测便利等特性。这种传感器通常具有外部法布里-珀罗干涉仪光纤端面，由1个45°的光纤，1个压力传感膜片以及用于保持隔膜的壳体结构组成，如图1所示。将光纤研磨成45°，然后在这个截面上镀膜，形成高介反膜，保证光能够全反射，入射光与反射光垂直，进入传感器在法珀干涉腔表面来回反射，一部分返回，再经过高介反膜全反射被光谱仪接收。膜片受到压力后，腔长发生了变化，经45°光纤的高介反膜全反射，最后由光谱仪接收解调，实现压力传感。光纤端面和反射膜形成一个FP腔，用于感应外部压力。由于FP腔与光学元件共用光轴光纤，其配置称为同轴配置。各种微型同轴FP传感器已有报道[8-10]，并应用于许多领域，包括生物医学[11]，空气动力学[12]，以及其他工业行业[13]。

2 光纤法珀压力传感器的原理

2.1 光纤F-P干涉原理

法珀干涉仪是一种典型的多光束干涉仪，当一束光倾斜射入一对平行面板时，光会在平行面板之间发生多次反射和折射。平行面板的折射率相同，2束或多束相同频率的光之间会发生干涉，形成多光束干涉，其干涉的过程如图2所示。

光从折射率为n0的平行面板中以倾斜角度为θ1的入射角射入，平行面板间的距离为d，平行面板间是大气层，中间气体物质的折射率为n，入射光进入平行面板后，发生折射进入大气物质，折射角为θ2，并且在平行面板之间的物质中经过多次反射和折射，其中任意2束光程差相同频率的光都会发生干涉。

2.2 光纤F-P干涉仪

从光强分布来看，任意2条相邻的反射光或入射光之间的光程差为

δ=4πλ0ndcos θi，（1）

式中：n为玻璃板间的折射率;λ0为光在真空中的波长;d为玻璃板厚度;θi为折射角。

令r为光从介质进入玻璃板时能量的反射比，t为光从介质进入玻璃板时能量的透射比，r′为光从玻璃板进入介质时能量的反射比，t′为光从玻璃板进入介质时能量的透射比。可得：

tt′=T，（2）

式中T为法珀干涉仪光学上（下）表面的透射率。

r2=r′2=R，（3）

式中R为法珀干涉仪光学上（下）表面的反射率。

由光路可逆可以得出r′=-r，整个过程中表面没有对光的吸收，则法珀干涉仪光学表面的反射率R和透射率T之间的关系为R+T=1。

反射光的强度为

IR=4Rsin2δ2（1-R）2+4Rsin2δ2I0 。（4）

透射光的强度为

It=T2（1-R）2+4Rsin2δ2I0 。（5）

当反射光和透射光之间的距离不变而且符合相干条件时，反射率越大，反射的光线强度越小，法珀干涉仪光学下表面基本没吸收，这时透射光的强度可以写为

It=（1-R）2（1-R）2+4Rsin2δ2I0。（6）

如果定义K=4R（1-R）2，则可以将式（5）写为

Ir=Ksin2δ21+Ksin2δ2I0。（7）

同样地，式（6）也可以变为

It=11+Ksin2δ2I0 。（8）

由式（7）和式（8）得到反射光和透射光的关系为

Ir+It=1。（9）

這些都是光在没有吸收的条件下得到的，法珀干涉仪光学上（下）表面的反射光和透射光总和不变，但不能等同于反射率和透射率，因为反射率和透射率是单一表面上的。

由多光束干涉原理可以得到反射光强IR与反射率R、入射光强I0的关系为

IR=2R（1-cos x）1+R2-2Rcos xI0 。（10）

光反射时的相位变化为X，且X与折射率n0和入射波长λ的关系为

X=4πλn0d。（11）

同样可以得到透射光强IT公式：

IT=（1-R）21+R2-2Rcos xI0。（12）

光程差δ与光反射相位变化X的关系为

δ=4πλnhcos θi+2X 。（13）

3 侧面输出的MEMS压力传感器实验

3.1 实验平台的搭建

笔者设计的侧面输出的MEMS压力传感器测试装置如图3所示。

该装置主要由计算机、光谱仪、加压罐等组成。在测试过程中，将压力传感器放在气压罐中密封，施加一定的压力，引起膜片形变，同时，光谱仪记录传感器输出的波形，可以计算和解调出腔长的变化，最终获得增加的压力。将所加的压力减掉，得到减压时的波形图，同时，可以得到腔长的变化量。

通过打压机给膜片加压，可以看出从解调仪解调出的波形图在不断左移，减压时波形在不断右移。由于显示的是气压罐内的瞬时压力，在加压或减压时记录的并不是稳定压力，因此存在一定的误差。如图4所示，压力增大时，光谱图向左移动。打压机打压时，在压力罐中压入空气后，气体的压力对硅敏感膜片进行挤压产生硅膜片的中心形变，同时减小法珀干涉腔的腔长大小，腔长变小后，光程差变小，故而光谱图向左移动。

3.2 实验结果分析

应用Origin软件将图4波形中的数据绘制成膜片加压后的波形，如图5所示。

分析图5可知，加压后光谱图的峰值向左移动了12 nm，从波形中可以读出较为准确的ω1，ω2读数，根据式（14）进行计算，得到结果如表1所示。

d1=ω1ω22（ω2-ω1）。（14）

从图6中可以看出腔长与所加的压力呈线性关系，但由于压力表不精准，打压机存在灰尘，气压罐中压强没稳定就读数等多种因素，结果存在一定的误差。笔者做了多次重复性实验，可以看出腔长和压力还是呈线性关系，而且斜率与每次实验的腔长压力关系曲线斜率很接近。根据实验数据得出传感器的灵敏度为3.048 μm/MPa。

4 结 语

笔者研究了光纤多光束干涉原理和法珀压力传感器原理，用Matlab和Comsol软件对薄膜片进行仿真，并设计出相应的尺寸，利用MEMS工艺制成膜片，设计出光纤侧面输出信号方案，最终做出实物，并确定利用哪种方案做出的传感器更精确。利用相关仪器组建了实验平台进行测试和数据分析。

笔者所设计的基于MEMS侧面输出压力传感器结构简单，容易实现，具有可靠性好、抗电磁干扰强、抗腐蚀性强、测量精度高、灵敏度高、动态范围大、线性度好等优点。采用微机械加工的结构化，可以减小传感器的尺寸，使其生产更经济，更易于实现批量化生产。

尽管该传感器可以应用于管道内壁压力的测量，实现了侧面输出，减少了光纤弯曲损耗。同时，该结构存在着不足：使用AB胶的固化时间太长，受AB胶固化热膨胀的影响。光纤端面和膜片表面接触处容易松动，不能紧密相贴，从而影响波形观察;纯手工粘贴光纤和膜片，形成的波形不光滑，波形中有多个波叠加，对解调产生影响。

今后需要对该结构进行熔接机机械焊接代替膠水粘贴，用夹具代替手工操作，同时向光纤传感器微小型方向进行深入研究。

参考文献/References：

[1] 廖延彪.我国光纤传感技术现状和展望[J].光电子技术与信息，2003，16（5）：1-6.

LIAO Yanbiao.The promotion of OFS to the development of industry[J].Optoelectronic Technology and Information，2003，16 （5）：1-6.

[2] MARQUES C A F，WEBB D J，ANDRE P. Polymer optical fiber sensors in human life safety[J]. Optical Fiber Technology，2017，36：144-154.

[3] 毕卫红.光纤应变传感器的研究现状与发展[J].激光与电子学进展，1999，12：78-81.

BI Weihong.Present status and development of research on optical fiber strain sensors[J].Laser and Electronics Progress，1999，12：78-81.

[4] LEE Y，BERRY C M，GONZALEZ-MUL E.The importance of being humble：A meta-analysis and incremental validity analysis of the relationship between honesty-humility and job performance[J].Journal of Applied Psychology，2019，104（12）：1535-1546.

[5] MURPHY B R，DOOHAN F M，HODKINSON T R. A fungalendophyte consortium counterbalances the negative effects of reduced nitrogen input on barley yield[J].In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant，2018，51（sup1）：57-58.

[6] JANIK M，MYSLIWIEX A，KOBA M，et al. Sensitivity pattern of femtosecond lasermicromachined and plasma-processed in-fiber Mach-Zehnder interferometers，as applied to small-scale refractive index sensing[J].IEEE Sensors Journal，2017，17（11）：3316-3322.

[7] JONES C M，DAI B，PRICE J，et al. A new multivariate optical computing microelement and miniature sensor for spectroscopic chemical sensing in harsh environments：Design，fabrication，and testing[J]. Sensors，2019，19（3）：701-709.

[8] PROCHAZKA L，MEIER A H，VIGGIANI A，et al.Optically interrogated MEMS pressure sensor array[J].Experiments in Fluids，2017，52（4）：1003-1015.

[9] SAID M H，TOUNSI F，RUFER L，et al.Sensitivity and performances analysis of a dynamic pressure narrow-band electrodynamic micro-sensor[J].International Journal of Acoustics and Vibrations，2020，25（1）：17-26.

[10]FALLER L M，LENZHOFER M，HIRSCHL C，et al.Characterization of a robust 3D-and inkjet-printed capacitive position sensor for a spectrometer application[J].Sensors，2019，19（3）：443.

[11]ZHAO Jiahao，HAN Jun，XING Yanhui，et al. Fabrication and application of flexible ALN piezoelectric film[J]. Semiconductor Science and Technology，2020，35（3）：1-6.

[12]KUMAR S S，TANWAR A，PANT B D. Development of barometric pressure sensor for micro air vehicle application：Proceedings of IWPSD 2017[J].The Physics of Semiconductor Devices，2019：845-847.

[13]WONG K P，KIM H T，WANG An，et al.High-speed interrogation of multiplexed fiber Bragg grating sensors for monitoring dynamic strain responses during a flexible plate impact on a water surface[J]. Smart Materials and Structures，2020，29（12）：125-132.

收稿日期：2020-12-10;修回日期：2021-01-05;責任编辑：张 军

第一作者简介：冯 飞（1991—），男，山西太原人，博士研究生，主要从事分布式传感器、光纤法珀高温压力传感器、斐索解调算法等方面的研究。

通讯作者：秦 丽教授。E-mail：qinli@nuc.edu.cn

冯飞，续睿玲，秦丽.基于MEMS侧面输出的压力传感器设计[J].河北工业科技，2021，38（2）：91-96.

FENG Fei，XU Ruiling，QIN Li. Design of pressure sensor based on MEMS side output[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2021，38（2）：91-96.