基于多孔式敏感膜片的MEMS 光纤珐珀传感器及其局部放电检测

司文荣，傅晨钊，卜 剑，倪鹤立，李浩勇，王谢君，鞠登峰，虞益挺*

（1. 国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；2. 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安710072；3. 全球能源互联网研究院有限公司，北京102209）

1 引 言

光纤珐珀传感器具有尺寸小、质量轻、精度高、耐高温及抗电磁干扰能力强等优势，已成功应用于压力、温度、声波等物理量的测量中，在工业与军事领域具有广泛的应用前景［1］。珐珀腔是传感器实现精准测量的关键，膜片式光纤珐珀传感器使用光纤端面与膜片作为珐珀腔的两个反射面，外界压力作用到膜片上使膜片发生形变从而改变珐珀腔的腔长，通过对腔长的解调实现对外界信息的检测，通常选取硅、银或有机聚合物等材料制造高性能的膜片［2-3］。近年来，随着微机电 系 统 （Micro-electromechanical System，MEMS）技术的迅速发展，作为珐珀腔反射镜一端的膜片可以变得更薄、加工精度更高、成本更低，受迫形变范围更大，灵敏度也更高［4-7］。

局部放电是高压电力设备中经常出现的绝缘失效现象，强烈的局部放电会使得电力绝缘设施的强度剧烈下降，长期放电往往会产生绝缘击穿，导致绝缘设施损坏，产生极大的损失与危害，因此局部放电的检测对于高压电力设备十分重要。局部放电往往伴随着声、光、辐射等现象，如会产生20~300 kHz 的微弱超声波信号。通常的信号检测是将超声信号转化为较显著的其他物理量来描述放电状况。膜片式光纤珐珀超声传感器是采集局部放电发出的超声信号，根据膜片受迫产生的形变，将声信号转化为光信号，从而可以通过光电探测器得到电压信号，理论上可以避免电磁干扰的影响，并且在精度与灵敏度方面也高于许多其他类型的传感器。因此，光纤珐珀超声传感器在局部放电检测中有着较为广泛的应用潜力，如用于局部放电检测的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating，FBG）传感器［8］、光纤迈克尔逊干涉（Fiber Michelson Interference，FMI）传感器［9］、外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器［10］及用于温度检测的端面腐蚀的双法布里-珀罗光纤温度传感器［11］。上述光纤传感器中，FBG 传感器通过测量光谱分析仪中的波长偏移从而检测局部放电，可以应用到一些较低频段的超声检测；FMI 传感器的检测频率可达150 kHz，适用于近距离检测；外置油腔耦合局放超声非本征光纤法布里-珀罗传感器通过设计油腔内部安装方法拓展了其应用场景。但是，一些成本较高或制造过程复杂，如以黄金作为膜片材料、带宽可达 150 kHz 的光纤珐珀传感器［5］，或者仅能在电力设备外部安装使用，如传统的压电式超声传感器，实际的局部放电检测难度较大。另外，高压电力设备中的局部放电经常处于变压油等液体中，因此光纤珐珀超声传感器在液体中对局部放电的检测与定位也是一个研究难点［12-15］。

本文设计了一种多孔式超声检测用敏感膜片，并利用 MEMS 工艺在 SOI（Silicon-On-Insula⁃tor）硅片的顶层硅上完成了所设计敏感膜片的高保真、低成本制造。直接利用光纤跳线的端面与敏感膜片的表面作为珐珀腔的两个反射镜面，完成了光纤珐珀腔的构建。最后，通过在油中搭建实验平台测量了传感器的距离衰减、方向性以及静态压力响应特性。该传感器在液体中可以稳定工作，对脉冲放电枪模拟的局部放电有着良好的响应，在电力设备的局部放电检测中具有良好的应用前景。

2 传感器设计与制造

2.1 工作原理

基于珐珀干涉（Fabry-Perot Interference，FPI）原理的非本征珐珀干涉（Extrinsic Fabry-Pe⁃rot interference，EFPI）传感器以光纤作为信号传输载体，利用光的干涉原理来检测局部放电产生的超声波信号。这种方法靠光信号进行传输，可以避免周围环境的电磁干扰。EFPI 传感器可以深入到电力设备内部的绝缘介质中（比如变压器绝缘油），来检测局部放电发出的微弱超声波信号，灵敏度高，不受高压电磁场的影响，而且结构简单、安装方便，是一种有效的内置式电力设备局部放电在线监测或带电检测用传感耦合技术。

光纤珐珀超声传感系统的组成如图1 所示。波长为1 550 nm 的激光光源（北京中讯光谱科技有限公司，COSC-DFB-C-20）发出的光经单模光纤与光纤环形器进入传感器探头，被膜片反射后又经光纤环形器进入光电探测器被转化为电信号，最终被示波器（美国泰克Tektronix，MDO3024）采集显示。当局部放电释放出的超声波激励敏感膜片时，珐珀腔腔长因敏感膜片的形变而改变，进而导致反射光的光强随之改变，通过采集处理光强的变化实现超声信号的探测。

图1 光纤珐珀超声传感系统Fig. 1 Fiber optic Fabry-Perot ultrasonic sensing system

2.2 传感器膜片设计

在设计敏感膜片时，需要根据实际应用场景设备膜片的固有频率。固有频率为：

其中：a为振型系数，ρ为膜片材料的密度，R，h分别为膜片的厚度与半径，E，μ分别是膜材料的弹性模量和泊松比。由于材料的密度、振型系数、弹性模量与泊松比通常是不变的，因此用等效系数α来代替表示。从式（1）可以看出，膜片的固有频率与膜片厚度成正比，与半径的平方成反比。

当传感器接收到超声信号时，膜片因为受到声压的激励而发生中心形变，其形变公式为：

其中：p是局部放电对膜片造成的声压，使用常数β作为等效系数代替公式中恒定的量。如式（2）所示，膜片受迫产生形变的程度与受到的压力、半径的四次方成正比，与厚度的三次方成反比。当形变量小于厚度的30%时，属于小挠度弯曲，这种情况下，膜片的形变量与其所受到的压力近似呈线性关系。传统的圆形膜片光纤珐珀传感器探头如图2 所示，它在温度变化较大时，珐珀腔内外压力不平衡，膜片会因此发生形变，从而干扰检测超声信号，使得圆形膜片传感器无法工作。本文在圆形膜片的外围增加多个对称式通气孔，在不改变膜片半径与厚度的情况下，有效避免了不平衡气压对测试结果的影响。这种多孔式结构的光纤珐珀传感器对温度的灵敏度较低，相比圆形膜片光纤珐珀传感器更适用于局部放电的检测。

图2 膜片式光纤珐珀传感器探头示意图Fig.2 Schematic diagram diaphragm based fiber optic Fabry-Perot sensor probe

传统圆形膜片在外界温度变化时，内外温度不平衡，膜片会发生形变，出现检测误差，图3 所示为传统圆形膜片因不同内外温差产生的气压差而发生的形变。本文所研制的多孔式敏感膜片的内外气压几乎一致，可以有效避免这个情况；另外，膜片受温度影响本身也会产生一定形变。仿真计算表明，在相同温度下，多孔式敏感膜片比传统圆形膜片的形变小，且随着温度的升高，两者之间的形变差距越来越大，如图4 所示。

图3 温差造成的气压差导致的圆形膜片形变Fig.3 Deformation of round diaphragm caused by pres⁃sure difference due to temperature

图4 温差导致的膜片形变Fig.4 Deformation caused by temperature difference

使用有限元仿真软件COMSOL 分析通气孔半径对敏感膜片固有频率的影响，以2 μm 为步长，仿真得到孔半径从 2 μm 到 30 μm 的多孔式敏感膜片的固有频率，结果如图5 所示。随着通气孔半径的增加，其固有频率在孔半径2 μm 到30 μm 的区间内近似抛物线式降低。最终从工艺精度与固有频率两方面考虑，加工时将通气孔的半径设置为20 μm。

图5 不同孔半径的多孔式敏感膜片的固有频率仿真结果Fig.5 Simulation results of natural frequency of porous sensing diaphragm with different hole radii

2.3 膜片加工与制造

在探头的装配中，为了使光纤与膜片最中央对准并且不会损伤到膜片本身，特意在MEMS膜片制造工艺中进行分步刻蚀得到阶梯状结构膜片。如图6（a）所示，采用SOI 硅片，顶层为5 μm 厚的硅层，中间为 1 μm 厚的二氧化硅层，底层是500 μm 厚的硅。加工前对SOI 硅片进行清洗，去除表面的氧化物，得到洁净的硅片。首先在顶层硅上刻蚀出通气孔，底层硅上刻蚀出一定厚度的大孔，再以二氧化硅为截止层，在大孔的基础上刻蚀得到小孔，保证不会出现过刻蚀情况，对敏感膜片造成影响。然后使用氢氟酸（HF）去除二氧化硅层，最后镀金膜，即可得到阶梯状结构，其工艺流程如图6 所示。

图6 中阶梯状膜片的大孔直径为2.5 mm，与直径为2.5 mm 的单模光纤刚好嵌合，便于装配的同时有利于光纤端面的定位；顶层硅表面镀了一层金膜，金膜具有良好的化学稳定性，将金镀层与光纤端面作为珐珀腔的两个反射端面。图7 为敏感膜片样件及其扫描电镜图。

图6 多孔式敏感膜片MEMS 工艺制作流程Fig. 6 MEMS technology production process of porous sensing diaphragm

图7 多孔式敏感膜片样件及其扫描电镜图Fig.7 Porous sensing diaphragm sample and its scanning electron microscope image

2.4 传感器探头装配

由于油液进入珐珀腔后会使传感器失效，因此需要进行保护性封装。这里主要使用定制的3D 打印外壳，将传感器探头固定在外壳里，在膜片与外界接触处粘贴防水透声膜（亚源泰科技有限公司，微孔滤膜）。由于防水透声膜过于单薄，很容易损坏，因此在透声膜外使用3D 打印制作的透声外壳进行防护。另外，光纤与密封外壳的连接处存在空隙，使用环氧胶（米占科技有限公司，1102 德国树脂AB胶）做密封处理。

对于膜片与光纤的连接固定，常用的方法有环氧胶黏合、阳极键合与激光热熔等方式［16］。其中，阳极键合虽然有键合强度高、密封性好等优点，但是过于苛刻的实现条件与对材料的要求使阳极键合无法实现大规模生产，且造价昂贵；激光热熔一般指CO2激光热熔法，适用于光纤的固定，在热熔过程中需要对连接部分进行热处理，操作复杂并且通常专门针对石英材料，有一定的局限性。本文采用环氧胶黏合方式，简单方便，价格便宜。普通环氧胶固化后耐热在110 ℃左右（局部放电中产生的温度最高约为90 ℃），且固化过程中无明显异味，黏结力强，密封性也满足要求，因此可以应用在检测局部放电的传感器探头制作中。

由于敏感膜片的厚度只有5 μm，体积非常小，因此在利用光纤端面与膜片形成珐珀腔时，需要较高的装配精度，既要保证膜片与光纤之间连接牢固，珐珀腔维持在理想长度；又要防止膜片被破坏，因此本研究在珐珀腔的装配时使用高精度位移平台进行调控。首先，使用3D 打印的夹持装置将光纤尾端与膜片对准固定，通过光谱仪（北京波威科技有限公司，I-MON USB）获得的光谱图如图8 所示。根据光谱图计算出珐珀腔腔长，然后通过精密位移平台调节光纤位置，直至获得最优的反射光强与所需腔长，最后进行胶封。图9 所示为传感器探头及其样品。

图8 光纤珐珀传感器反射光谱Fig.8 Reflection spectrum of fiber optic Fabry-Perot sensor

图9 多孔式敏感膜片传感器探头Fig.9 Porous sensing diaphragm sensor probe

3 实验与结果分析

3.1 实验设置

实验采用可以发射出固定频率和幅值超声波信号的函数发生器作为声源，向传感器探头发射标准正弦超声波信号。在实验容器中以密度为400 kg/m3的变压器油作为液体介质，封装的环氧胶黏合与防水透声膜可以密封与保护传感器探头，油液不会进入到珐珀腔而导致传感器失效。函数发生器驱动的声源可以在液体中发射稳定的标准超声波信号，便于传感器的性能测试。

传感器的距离衰减与静态压力性能测试装置如图10 所示。整个探测系统的其余部分保持不变，探头分别放置于装满油液的塑料管与玻璃烧杯中，塑料管上标有刻度方便调节探头与声源之间的距离；静态压力测试中，使用无外壳封装的探头，调节杆可以控制探头在液体中的深度，通过密度公式（3）来计算某一位置时的静态压力。

图10 局部放电检测实验装置示意图Fig.10 Schematic diagram of partial discharge detection experimental setup

其中：ρ为液体密度，h为探头端面浸在液体中的深度，g为重力加速度。

3.2 传感器静态压力性能测试

传感器静态压力性能指直接对传感器施加特定大小的压力时，传感器输出信号随压力增加的波动变化。在测量静态压力时，需要将传感器探头直接浸入液体中，膜片与液体直接接触。实验在0~400 μm 内进行，将测量步长设置为50 μm，同一个深度多次测量取平均值。

在小挠度弯曲情况下，膜片中心形变与压力呈线性关系，则腔长与压力是一一对应关系。如图11 所示，在测量范围内，传感器得到的电压辐值变化与传感器在液体中的深度呈线性关系，即与感受到的静态压力呈线性关系，灵敏度达到1.25 V/Pa，并可以长时间稳定工作。

图11 多孔式敏感膜片EFPI 传感器液体中的静态压力响应Fig. 11 Static pressure response of porous sensing dia⁃phragm EFPI sensors in liquids

3.3 传感器距离衰减与方向响应性能测试

传感器距离衰减指传感器输出信号随探测距离变化产生的波动变化；方向响应指输出信号随探头与声源之间夹角变化产生的波动变化。距离衰减测试实验中，研究多孔结构式EFPI 传感器在液体中1 m 以内的距离衰减，始终将传感器探头与声源置于同一水平线上，通过函数发生器产生在传感器固有频率附近的超声信号，将探头与声源分别放置在不同刻度处，以10 cm 为步长，测试探头与声源从对准到1 m 处的信号幅度。将探头与声源无间隙对准时，使用函数发生器生成标准正弦波超声信号，示波器上显示出标准正弦曲线，对测量所得数据进行快速傅里叶变换，即可将时频曲线转化为所需要的幅频曲线。

图12 展示了时频曲线与转化后的幅频曲线。观察幅频曲线可以发现：在接收到给定频率的信号后，信号幅值远高于噪声幅值，传感器具有良好的信噪比。

图12 多孔式敏感膜片EFPI 传感器在液体中对于标准正弦波信号的幅频响应曲线Fig.12 Amplitude-frequency response curve of porous sensing diaphragm EFPI sensor in liquid for stan⁃dard sine wave signal

另外，使用脉冲放电枪在距离传感器探头1 m 处模拟局部放电产生超声信号，得到的放电响应曲线如图13 所示。从图中可以发现，该传感器对局部放电产生的超声信号具有良好的检测能力。

图13 多孔式敏感膜片EFPI 传感器对脉冲放电枪放电的响应曲线Fig.13 Response curve of porous sensing diaphragm EF⁃PI sensor for discharge released by pulse dis⁃charge gun

对不同距离处测量得到的幅值结果如图14所示，拟合后发现在0~20 cm 内电压幅值与距离可看作线性相关，20 cm 以后幅值随着距离呈指数形式衰减，拟合得到的指数函数为：

图14 多孔式敏感膜片EFPI 传感器在液体中依据探测距离的信号变化Fig.14 Porous sensing diaphragm EFPI sensor in liquid based on signal change of detection distance

与空气中的探测结果［4］相比，得到的电压幅值有所减弱，电压幅值与距离的相关性与空气中基本一致，因此提升传感器性能可从放大接收到的信号方面考虑。

测量传感器的方向响应时，将探头固定于液体中，通过移动声源来改变声源与探头之间的夹角和位置，测量从0°~180°的方向响应，测量角度步长为30°，90°为声源正对探头位置。

实验结果如图15 所示，当探头与声源正对时响应幅度最大，在侧面幅度相应减小；改变两者之间的距离，可以得到相同的结果，因此在液体中EFPI 传感器对不同方向上的信号识别能力较强。使用单个探头结合方向响应结果可大致确定液体中局部放电与探头的夹角方向，如需定位，可使用多个探头以三角定位法大致确定局部放电的位置。

图15 多孔式敏感膜片EFPI 传感器在液体中5，10 cm距离时的方向响应Fig. 15 Directional response of porous sensing dia⁃phragm EFPI sensor at distances of 5 and 10 cm in liquid

通过传感器的距离衰减与方向响应测试可以发现：输出信号在距离增加时主要以指数形式衰减，在一定范围内呈线性衰减，因此测量时可以通过信号衰减形式判断出放电位置与探头之间的大致距离；且在声源正对探头时输出的信号幅值最大，向两侧偏移时逐渐减小，实际应用过程中需要通过调整探头方向获得最佳信号输出。

4 结 论

面向光纤珐珀超声传感器的多孔式敏感膜片不仅有效避免了完整膜片内外压的不平衡，而且有着同尺寸下几乎不弱于圆形完整膜片的固有频率，对信号测量无显著影响。利用MEMS工艺可制造出仅有5 μm 厚的敏感膜片，敏感膜片上的通气孔可以使内外气压保持平衡。另外，在装配时使用环氧胶黏合方式，并利用3D 打印技术进行保护封装，操作简单，价格低廉。性能测试表明，研制的传感器在液体中具有较好的距离衰减与方向性响应。静态压力测试结果表明：膜片在静压力的作用下，灵敏度可达1.25 V/Pa，在局部放电检测领域有着较大的应用潜力。