MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計(jì)及解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)*

曹 群，賈平崗*，熊繼軍，張海瑞，洪應(yīng)平，房國成

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計(jì)及解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)*

曹 群1，2，賈平崗1，2*，熊繼軍1，2，張海瑞1，2，洪應(yīng)平1，2，房國成1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

基于外界壓力引起敏感膜片形變導(dǎo)致腔長(zhǎng)變化來實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)傳感的原理，提出了一種MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計(jì)，建立了傳感器敏感膜片的撓度變化與膜厚、半徑及施加壓力的關(guān)系理論模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了膜片的MATLAB二維數(shù)值仿真和Comsol Multiphysics三維數(shù)值仿真，并完成了FP壓力敏感頭的制作，進(jìn)而設(shè)計(jì)了能夠應(yīng)用于光纖傳感的解調(diào)方法，搭建了光纖傳感的壓力測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，利用所設(shè)計(jì)的解調(diào)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而對(duì)壓力傳感器的性能及特性進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器測(cè)試曲線線性度良好，與數(shù)值仿真結(jié)果基本一致，在100 kPa的量程范圍內(nèi)其靈敏度可達(dá)62.3 nm/kPa，溫度敏感系數(shù)為0.023 μm/℃，測(cè)量精度3.93%，且最小壓強(qiáng)分辨率為1.29 kPa，證實(shí)了該MEMS光纖法珀壓力傳感系統(tǒng)具有一定的可行性。

光纖傳感；法珀腔；MEMS工藝；解調(diào)方法；MATLAB；Comsol Multiphysics

作為各類控制裝置及系統(tǒng)信息獲取與傳輸?shù)暮诵钠骷瑝毫鞲衅骷捌湎嚓P(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來越高。與傳統(tǒng)的電學(xué)壓力傳感器相比，光纖壓力傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍寬、高分辨率、體積小且易于多路復(fù)用或分路感應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天、電子等領(lǐng)域中都得到了廣泛使用［1-2］。同時(shí)，隨著以微電子、微機(jī)械加工與封裝技術(shù)巧妙結(jié)合的MEMS技術(shù)不斷發(fā)展，利用MEMS技術(shù)制造的光纖壓力傳感器以其重量輕、功能強(qiáng)，具有頻帶寬和靈敏度高的特性，并且與集成電路工藝兼容能夠批量生產(chǎn)，更是成為了當(dāng)下研究和開發(fā)的熱點(diǎn)［3-5］。其中，光纖法珀傳感器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、受環(huán)境波動(dòng)影響不大、對(duì)感應(yīng)信號(hào)衰落不敏感、分辨率高和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的檢測(cè)及對(duì)于壓力、溫度、流速等的實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。常用的解調(diào)方法有強(qiáng)度解調(diào)和相位解調(diào)兩種，其中，強(qiáng)度解調(diào)法容易實(shí)現(xiàn)，所需成本低，但由于多采用波長(zhǎng)固定的單色光源，其光強(qiáng)容易受光源波動(dòng)的影響，因而傳感精度比較低。相位解調(diào)法主要分為條紋計(jì)數(shù)法、傅里葉變換法、離散腔長(zhǎng)變換法及菲索干涉儀法［6-8］，條紋計(jì)數(shù)法利用光纖法珀傳感器的輸出干涉條紋和相位的關(guān)系來獲取傳感器的腔長(zhǎng)，不會(huì)受到光源波動(dòng)的影響，可以提高傳感系統(tǒng)整體的測(cè)量精度與穩(wěn)定性。因此，針對(duì)光纖法珀壓力傳感器的原理，設(shè)計(jì)了一種MEMS光纖法珀壓力傳感器，提出了一種基于MOI-sm125光纖光柵解調(diào)儀的光纖法珀壓力傳感器的解調(diào)原理及方法，建立了MEMS光纖法珀傳感系統(tǒng)的理論模型并完成了關(guān)鍵部位的MEMS工藝制作，進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值仿真模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 傳感器的設(shè)計(jì)及基本原理

光纖F-P壓力傳感器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖法珀壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器主要包括傳感頭、石英玻璃管和單模光纖三大部分，其中傳感頭由硅敏感膜片、玻璃基座和金屬反射膜層三部分組成。該傳感頭利用MEMS工藝制成，通過石英玻璃管輔助準(zhǔn)直與光纖粘接構(gòu)成F-P壓力傳感器的主體。光源發(fā)出的入射光通過光纖耦合進(jìn)入傳感器內(nèi)，其中，硅膜片表面涂覆的金屬層作為法珀腔的一個(gè)反射面，石英管中內(nèi)插光纖的端面作為另一個(gè)反射面，光線在F-P腔體的上下表面來回反射，形成多光束干涉，部分反射光沿著原路返回，相遇后再次發(fā)生干涉。干涉信號(hào)與腔長(zhǎng)L有關(guān)，當(dāng)膜片受到外界壓力時(shí)會(huì)沿著軸向產(chǎn)生形變，導(dǎo)致法珀腔腔長(zhǎng)變化，從而引起干涉信號(hào)發(fā)生變化。通過測(cè)量干涉信號(hào)的變化則可推導(dǎo)出腔長(zhǎng)變化，最終進(jìn)行解調(diào)得到壓力信息變化數(shù)值，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。

在小撓度情況下，根據(jù)彈性力學(xué)原理，硅敏感膜片受到壓力后變形情況如式（1）：

式中：ω為硅敏感膜片撓度；p為敏感膜片所受壓力；μ為泊松比；E為硅的楊氏模量；h為敏感膜片厚度；R0為膜片半徑；r為膜片任意部位的半徑。

對(duì)應(yīng)靈敏度表達(dá)式為：

可見壓強(qiáng)測(cè)量靈敏度與敏感膜的有效半徑的4次方成正比，與膜片厚度的3次方成反比，在膜片材料選定后，壓強(qiáng)測(cè)量靈敏度由膜片的厚度和半徑大小決定。薄膜半徑越大，厚度越小，膜片靈敏度越高。

光線進(jìn)入光纖后垂直入射到法珀腔中，在腔內(nèi)來回多次反射形成干涉。若要保證敏感膜片受到外界施加壓力發(fā)生形變后仍符合法珀腔的理論模型，那么膜片中心區(qū)域的移動(dòng)必須在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)看作是平動(dòng)，從而敏感膜中心區(qū)域的上下移動(dòng)就可表征法珀腔深度的變化。由于所設(shè)計(jì)的為圓形敏感膜片，因此選取受壓后經(jīng)過中心點(diǎn)的一個(gè)橫截面為研究對(duì)象（如圖2所示）。

圖2 敏感膜片受壓后變形的截面圖

任何物體在一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)都可以由平動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)組成，如果橫截面的每一小的曲線段在一個(gè)平面內(nèi)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)非常小，那么也就證明每一小的曲線段在這個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)只有平動(dòng)即膜片中心區(qū)域的上下移動(dòng)是平動(dòng)［9］。為了得到圖2中每個(gè)小曲線段的斜率的絕對(duì)值，首先將式（1）中的ω對(duì)距離硅膜中心點(diǎn)的位置r求導(dǎo)：

式中，|ω′|指的是圖2所示膜片在截面中的每一點(diǎn)上切線的斜率的絕對(duì)值，表示了截面中膜片每一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角的大小。再將ω′對(duì)r求導(dǎo)得：

2 數(shù)值模擬仿真

敏感膜片的厚度和半徑是傳感器設(shè)計(jì)與制作中的主要參數(shù)，其參數(shù)值選取的不同將直接影響到傳感器的性能。當(dāng)外界施加壓力一定時(shí)，干涉光強(qiáng)的大小主要由膜片厚度決定，而敏感膜片的半徑又在很大程度上決定了傳感器的壓力測(cè)試量程。首先，利用MATLAB軟件對(duì)光纖傳感的理論模型進(jìn)行仿真分析［10］，分別固定膜片半徑、膜片厚度及外界壓力值，得到了傳感器中各個(gè)物理量與膜片撓度變化的關(guān)系曲線。

圖3是不同半徑下的膜片撓度變化與膜厚的關(guān)系曲線。

圖3 不同半徑下，撓度變化與膜厚的關(guān)系曲線

設(shè)定楊氏模量E=1.9×1011，泊松比μ=0.278，壓力值P=100 kPa，從圖中可以明顯地看出，隨著膜片厚度從40 μm增加到55 μm的過程中，膜片撓度變化量呈逐漸遞減的趨勢(shì)，即隨著膜厚的增加，膜片的形變量越來越不明顯。同時(shí)，分別對(duì)膜片半徑R取0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm的6種情況進(jìn)行計(jì)算，可以知道撓度變化量隨著膜片半徑的增大而增大，即半徑越大，膜片的形變?cè)矫黠@。

圖4是膜片厚度不同時(shí)，撓度隨壓力的變化曲線。圖中至上而下，膜片厚度分別取30 μm、35 μm、40 μm、45 μm、50 μm、55 μm、60 μm，膜片半徑R為1.3 mm，可以看出當(dāng)壓力在0～100 kPa之間連續(xù)變化時(shí)，膜片的撓度變化量逐漸增大，同時(shí)，隨著膜片越來越薄，其形變也愈加明顯。

圖4 不同膜厚下，撓度變化與壓力的關(guān)系曲線

圖5為靈敏度與膜片半徑及膜片厚度的三維變化曲線。敏感膜片的靈敏度與膜片的半徑成正比關(guān)系，而與膜片厚度成反比關(guān)系，即若要取得較高的膜片靈敏度，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾幽て霃剑瑫r(shí)減小膜片厚度，只有設(shè)計(jì)出合適的尺寸并確定恰當(dāng)?shù)膮?shù)，才能得到良好的傳感器性能。

圖5 靈敏度與膜片半徑及厚度的三維關(guān)系圖

為了更加直觀的觀察敏感膜片在受到均勻分布的外部壓力后產(chǎn)生形變的狀態(tài)與實(shí)時(shí)變化，選用Comsol Multiphysics軟件對(duì)膜片進(jìn)行三維仿真分析。膜片中心部分的偏移同時(shí)表征了法珀腔腔體長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化得到壓力信息，實(shí)現(xiàn)壓力傳感。根據(jù)式（1）可模擬得到如圖6所示的硅敏感膜片受到不同壓力后產(chǎn)生的形變情況。

圖6 膜片撓度分布（單位：μm）

3 傳感器制作

圖7 制作工藝流程圖

光纖法珀壓力傳感頭的MEMS制作工藝流程如圖7所示。該傳感器制作采用4英寸的硅片作為襯底，初始厚度300 μm，晶向?yàn)椋?00＞。制作前經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗流程（如圖7（a）所示），硅片表面涂覆光刻膠作為掩膜，進(jìn)行第一次光刻，形成正面圖形（如圖7（b）所示）；在硅片表面濺射金屬膜層，用于增強(qiáng)膜片反射率（如圖7（c）所示）；剝離與光刻膠粘連的多余金屬（如圖7（d）所示）；二次光刻，硅片背面涂光刻膠，曝光形成圓腔圖案（如圖7（e）所示）；干法刻蝕未被光刻膠保護(hù)的硅片并達(dá)到所需的膜片厚度，在硅片背面形成深腔（如圖7（f）所示）；去膠（如圖7（g）所示）；最后，將敏感膜片與玻璃基座進(jìn)行陽極鍵合（如圖7（h）所示）。最終，所形成的硅敏感膜片厚度為40 μm，半徑1.3 mm。利用劃片機(jī)進(jìn)行劃片處理，分成單個(gè)的敏感單元，傳感頭外部形狀為方形，中間帶有直徑1 mm的通孔，最終將單模光纖伸入尺寸相匹配的石英玻璃管，然后再將玻璃管插入到通孔中實(shí)現(xiàn)固接，確保腔體處于密封環(huán)境。

4 數(shù)據(jù)采集及解調(diào)方法設(shè)計(jì)

在解調(diào)系統(tǒng)的搭建過程中，利用光譜儀實(shí)現(xiàn)光譜接收，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。實(shí)際操作中，選用基于光纖法珀濾波器技術(shù)的MOI-sm125光纖光柵解調(diào)儀，該儀器具有內(nèi)置大功率掃描激光源，包含了絕對(duì)波長(zhǎng)參考，避免了外部波長(zhǎng)校準(zhǔn)的環(huán)節(jié)，提高了測(cè)量的精準(zhǔn)性。同時(shí)，它還有很大的動(dòng)態(tài)范圍，在1 Hz的掃描速率下引起的噪聲基底大約為60 dBm，共配置4個(gè)通道，其熱穩(wěn)定性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好。該光纖光柵解調(diào)儀可掃描的光譜范圍為1510 nm-1590 nm，采樣間隔位5 pm，采樣頻率為2 Hz時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)大約采集16 000個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)所包含的數(shù)據(jù)信息量之和高達(dá)30 k字，若僅憑人工篩選數(shù)據(jù)尋找有效值，會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間與精力，若直接對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合或峰值檢測(cè)等處理又會(huì)大大降低處理的速度及有效率，因而必須對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚ㄟ^減小數(shù)據(jù)總量來保證信號(hào)提取的精度。在MOI-sm125智能光纖光柵解調(diào)儀中，雖然內(nèi)置了峰值探測(cè)算法，但每個(gè)形狀的中心波長(zhǎng)具有至少3 dB～5 dB的對(duì)稱反差。為了實(shí)現(xiàn)更通用且更準(zhǔn)確的峰值探測(cè)，我們不采用內(nèi)在的峰值探測(cè)算法，而是將智能光纖光柵解調(diào)儀中各通道的光譜數(shù)據(jù)自行提取出來，通過數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)編程處理。

本文在條紋計(jì)數(shù)法及多峰檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，提出了一種更為精確的數(shù)據(jù)處理方法，目的是在減少解調(diào)過程中光譜數(shù)據(jù)運(yùn)算量的同時(shí)保證提取的數(shù)據(jù)可靠性，從而提高系統(tǒng)的有效性。該算法主要由濾波處理、極值判斷和粗大誤差剔除三部分構(gòu)成，其具體流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖

在設(shè)計(jì)的算法中，首先對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理即利用Smooth函數(shù)濾波，接著利用MATLAB自帶函數(shù)Findpeaks對(duì)周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行局部極值點(diǎn)的尋找，利用公式計(jì)算出法珀腔腔長(zhǎng)并根據(jù)格拉布斯準(zhǔn)則剔除粗大誤差，保證計(jì)算所得的全部腔長(zhǎng)的有效性，最后對(duì)腔長(zhǎng)求平均值，做出腔長(zhǎng)變化與壓力的關(guān)系曲線。

①濾波處理

通過對(duì)ENLIGHT軟件保存的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行二次繪圖可發(fā)現(xiàn)，在光譜波形中存在許多毛刺，使得整體曲線存在較多的擾動(dòng)，因此首先需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，得到相對(duì)平滑的曲線以便于后期處理。調(diào)用MATLAB自帶的Smooth函數(shù)，通過移動(dòng)平均法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。圖9中藍(lán)色部分為原始光譜信號(hào)，紅色部分為濾波后光譜信號(hào)，可以看出經(jīng)過濾波后的圖形并沒有產(chǎn)生偏移與失真，可以得到平滑的曲線，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供方便。

圖9 濾波對(duì)比圖

②極值判斷

在之前的一些處理方法中，常常對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理。一種方法是根據(jù)數(shù)據(jù)周期設(shè)置固定的分組，在單位數(shù)組內(nèi)連續(xù)大于零的數(shù)值作為波峰數(shù)據(jù)，按坐標(biāo)的大小順序分別放入不同的數(shù)組中，然后逐個(gè)進(jìn)行峰值檢測(cè)；另外一種方法是先設(shè)定閾值，然后利用for語句循環(huán)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)窗口的分域，循環(huán)過程中每遇到連續(xù)的非零數(shù)據(jù)就存入數(shù)組中，完成峰值檢測(cè)后，數(shù)組置零并滑向下一組數(shù)值，直至完成所有波峰的峰值檢測(cè)［11］。盡管上述兩種方法使用比較普遍，但第一種方法耗時(shí)較長(zhǎng)，且當(dāng)外界條件參數(shù)不同時(shí)采用固定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行分組會(huì)極大地降低求解精度，第二種方法雖然對(duì)于數(shù)據(jù)的分配更為合理，但在實(shí)際處理過程中容易將非波峰數(shù)據(jù)誤判，需要后續(xù)的二次處理，使得整體處理的過程復(fù)雜化。基于上述經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)中直接進(jìn)行局部極值點(diǎn)的尋找，調(diào)用MATLAB的Findpeaks函數(shù)，逐個(gè)查找向量中的波峰，即某一個(gè)元素比相鄰兩個(gè)元素的值都大，然后按照每列的搜索順序標(biāo)出波峰的值和相對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)位置。該方法不僅銜接緊密連貫，能夠?qū)ふ业剿械墓庾V數(shù)據(jù)峰值，而且在光譜周期不完全相同時(shí)也能很好的運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)漏點(diǎn)誤判的情況，具有良好的通用性。

③粗大誤差剔除

當(dāng)所有數(shù)據(jù)完成極值的提取，獲得波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生干涉的所有波長(zhǎng)之后，對(duì)相鄰的波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算得到法珀腔腔長(zhǎng)。在傳統(tǒng)的解調(diào)過程中，往往只選用雙峰檢測(cè)法，即選取相鄰的兩干涉條紋波峰的位置λ2和λ1，利用腔長(zhǎng)公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

但是對(duì)于只采用兩個(gè)主波峰（雙峰法）計(jì)算出來的應(yīng)變值，誤差將直接加在兩個(gè)波峰上，考慮到可充分利用所有的波峰信息，因此將傳統(tǒng)的雙峰算法改進(jìn)為多峰算法，公式為：

式中，k為兩干涉波長(zhǎng)級(jí)次之差。通過算法改進(jìn)，同等條件下應(yīng)變的誤差減小為原來的1/k，且隨著應(yīng)變的增加，波峰數(shù)的增多，改進(jìn)算法對(duì)系統(tǒng)誤差的抑制效果會(huì)更加明顯。

但在實(shí)驗(yàn)過程中，由于外界擾動(dòng)等因素，同一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)距離非常近的極值點(diǎn)，如果利用該組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算會(huì)得到一個(gè)極大的腔長(zhǎng)數(shù)值，造成整體數(shù)據(jù)的偏差。因此，需要對(duì)該錯(cuò)誤結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除。在常用的幾種判別標(biāo)準(zhǔn)中，格拉布斯準(zhǔn)則對(duì)于數(shù)據(jù)的數(shù)量n要求不大，在判斷的可靠性方面性能較優(yōu)［12］。因此，本文選擇格拉布斯準(zhǔn)則為判別數(shù)據(jù)包含粗差準(zhǔn)則。在判別過程中，首先選定危險(xiǎn)率（異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤判的幾率）α，若xn為可疑數(shù)據(jù)，則根據(jù)計(jì)算T值，其中，根據(jù)n及α，查表得到T0（n，α）值；如果T≥T0（n，α），則所懷疑的數(shù)據(jù)是異常數(shù)據(jù)，應(yīng)予剔除。如果T＜T0（n，α），則所懷疑的數(shù)據(jù)不是異常數(shù)據(jù)，不能剔除。為使表達(dá)形式更加簡(jiǎn)單，可得出準(zhǔn)則：當(dāng)滿足：，則判定該測(cè)得值含有粗差，應(yīng)予以剔除。若某次判斷所測(cè)數(shù)列值中有壞值，可剔除該值后重新計(jì)算xˉ，v，s等，在此依據(jù)判別準(zhǔn)則判斷剩余數(shù)值中是否含有壞值，直到全部剔除完為止。

從圖10中粗大誤差剔除前后的對(duì)比中不難看出，當(dāng)某個(gè)腔長(zhǎng)值相對(duì)偏值較大時(shí)，可以在數(shù)據(jù)剔除過程中將其去掉，避免其對(duì)整體計(jì)算的影響，使得最終計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。基于格拉布斯準(zhǔn)則完成粗大誤差數(shù)據(jù)剔除后，對(duì)保留下來的全部腔長(zhǎng)值進(jìn)行均值運(yùn)算，得到平均腔長(zhǎng)后作出法珀腔腔長(zhǎng)隨壓力變化的關(guān)系曲線。

圖10 粗大誤差剔除對(duì)比圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了對(duì)解調(diào)方法的有效性進(jìn)行客觀的評(píng)判，設(shè)計(jì)了如圖11所示的光纖壓力傳感相關(guān)測(cè)試及解調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光纖法珀壓力傳感元件，光纖光柵解調(diào)儀（MOI-sm125），計(jì)算機(jī)及溫度/壓力復(fù)合測(cè)試設(shè)備構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將傳感器放置在密封的真空壓力室中，緩慢增壓引起敏感膜片產(chǎn)生形變。與此同時(shí)，用光譜儀實(shí)時(shí)記錄光纖FP傳感器的輸出光譜變化，利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)并根據(jù)所設(shè)計(jì)的解調(diào)方法計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變值，得到法珀腔腔長(zhǎng)與壓力的變化關(guān)系曲線。

圖11 測(cè)試系統(tǒng)裝置圖

在實(shí)際測(cè)試中，選取的壓力范圍為0～100 kPa，間隔為10 kPa，升壓過程中光譜信息會(huì)存在一定的時(shí)間延遲及條紋波動(dòng)，因此需要待壓力穩(wěn)定后，再開始記錄解調(diào)系統(tǒng)輸出的波長(zhǎng)信息。當(dāng)數(shù)據(jù)保存后，利用設(shè)計(jì)好的解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與運(yùn)算，得到的測(cè)試曲線如圖12所示。

圖12 腔長(zhǎng)-壓力測(cè)試圖

從圖12可以觀察到，隨著外界施加壓力值逐漸增加，光纖琺珀腔的腔長(zhǎng)逐漸變短，即敏感硅膜片受到壓力后沿軸向發(fā)生形變，在100 kPa的變化范圍內(nèi)，腔長(zhǎng)變化約為6.23 μm，測(cè)試曲線線性度良好，在100 kPa的量程內(nèi)其靈敏度可以達(dá)到62.3 nm/kPa。

傳感頭制作過程中，玻璃基座與硅片鍵合會(huì)使FP腔內(nèi)封存一定量的空氣，另外石英玻璃管本身也存在熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致F-P傳感器腔長(zhǎng)隨溫度漂移。為檢驗(yàn)該傳感器的溫度-壓強(qiáng)交叉敏感性，在大氣壓下，將傳感頭放入烘箱中進(jìn)行溫度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，大氣壓下，腔長(zhǎng)在20℃～130℃的范圍內(nèi)溫度敏感系數(shù)為0.023 μm/℃，如圖13所示。相應(yīng)于溫度-壓強(qiáng)交叉敏感為0.37 kPa/℃，即10℃的溫度變化導(dǎo)致壓強(qiáng)的測(cè)量誤差為滿量程的3.7%。在室溫和常壓下，對(duì)傳感頭的靜態(tài)腔長(zhǎng)分辨率進(jìn)行了測(cè)試，采用兩倍的標(biāo)準(zhǔn)差作為傳感器的壓強(qiáng)測(cè)量分辨率，計(jì)算得到該壓力傳感器的腔長(zhǎng)變化分辨率為8.05 nm，相應(yīng)的所能測(cè)量最小壓強(qiáng)變化為1.29 kPa。通過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可以得到其平均標(biāo)準(zhǔn)偏差σˉ=1.31 kPa，傳感器的測(cè)量精度可表示為：

式中，YFS代表滿量程100 kPa，可以計(jì)算出該傳感器的精度可達(dá)3.93%。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的解調(diào)方法能夠較為準(zhǔn)確的解調(diào)出光纖法珀壓力傳感器的輸出信號(hào)。

圖13 溫度敏感測(cè)量

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制作了一種MEMS光纖法珀壓力傳感器，建立了敏感膜片撓度變化的理論模型，并實(shí)現(xiàn)了其二維和三維條件下的數(shù)值仿真。在相位解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，提出了能夠應(yīng)用于光纖傳感系統(tǒng)的解調(diào)方法，搭建了測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。測(cè)試結(jié)果表明，在0～100 kPa的壓力測(cè)量范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)曲線的線性度良好，其靈敏度可以達(dá)到62.3 nm/kPa，溫度敏感系數(shù)為0.023μm/℃。同時(shí)，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制作方便，測(cè)量分辨率可達(dá)1.29 kPa，證實(shí)了該MEMS光纖法珀壓力傳感系統(tǒng)具有一定的可行性，在后續(xù)的工作中將對(duì)傳感器的性能做進(jìn)一步的改善與提高。

［1］Ngajikin N H，Ling L Y，Ismail N I，et al.CMOS-MEMS Integration in Micro Fabry Perot Pressure Sensor Fabrication［J］.Jurnal Teknologi，2013，64（3）：83-87.

［2］Li M，Wang M，Li H.Optical MEMS Pressure Sensor Based on Fabry-Perot Interferometry［J］.Optics Express，2006，14（4）：1497-1504.

［3］Dai L，Wang M，Cai D，et al.Optical Fiber Fabry-Pérot Pressure Sensor Based on a Polymer Structure［J］.Photonics Technology Letters，IEEE，2013，25（24）：2505-2508.

［4］Yu Q，Zhou X.Pressure Sensor Based on the Fiber-Optic Extrinsic Fabry-Perot Interferometer［J］.Photonic Sensors，2011，1（1）：72-83.

［5］Lai C W，Yur J P，Liao C C，et al.Study on Optical Fiber Pressure Sensors with Temperature-Insensitivity Based on Fabry-Pérot Interferometry［J］.Recent Patents on Signal Processing，2011，1（1）：48-54.

［6］江小峰，林春，謝海鶴，等.MEMS FP干涉型壓力傳感器［J］.紅外與激光工程，2014，43（7）：2257-2262.

［7］王代華，劉書信，袁剛，等.并聯(lián)復(fù)用光纖法-珀加速度傳感器及解調(diào)方法的研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：1776-1782.

［8］葛益嫻，王鳴，閆海濤，等.基于相位解調(diào)的光纖MEMS壓力傳感器［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2008，14（2）：472-475.

［9］李學(xué)金，張百剛，姚建銓，等.一種光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)理論分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，17（1）：133-135.

［10］陳緒興，王鳴，戎華，等.基于波長(zhǎng)解調(diào)的Fabry-Perot型光纖MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（5）：1875-1877.

［11］張?zhí)斓兀R鋒濤，周強(qiáng)，等.光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的尋峰算法研究［J］.激光技術(shù)，2013，37（1）：36-39.

［12］張巖.運(yùn)用格拉布斯準(zhǔn)則原理確定公路定額測(cè)定中不合理數(shù)據(jù)［J］.科協(xié)論壇：下半月，2009（2）：99-100.

曹 群（1990-），女，吉林人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w壓力傳感，cxqnuc@ 126.com；

賈平崗（1982-），男，陜西人，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)，高溫壓力傳感技術(shù)，MEMS傳感器技術(shù)研究，pgjia@nuc.edu.cn；

熊繼軍（1971-），男，湖北人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、微納器件與系統(tǒng)研究，xiongjijun@nuc.edu.cn。

Design of MEMS Optical Fiber Pressure Sensor and Demodulation Method Implementation*

CAO Qun1，2，JIA Pinggang1，2*，XIONG Jijun1，2，ZHANG Hairui1，2，HONG Yingping1，2，F(xiàn)ANG Guocheng1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A kind of MEMS optical fiber Fabry-Perot pressure sensor was proposed based on the pressure sensing principle which due to the change of cavity length caused by the deformation of sensitive diaphragm when pressure applied.The sensor’s theoretical model between sensitive diaphragm deflection variation with film thickness，radius and loading pressure was established.On the basis，the two-dimensional simulation using MATLAB and three-dimensional numerical simulation by Comsol Multiphysics software was performed and the processing fabrication of FP pressure sensing part was realized as well.Thus the demodulation method which can be applied to the optical fiber sensing was designed and related experiments were taken on after the implementation of optical fiber sensing pressure testing system.By employing the designed demodulation method，the sensor’s performance and characteristics can be tested and verified.The experimental results indicate that the linearity of sensor’s measured curve is good and broadly consistent with the results of numerical simulation，the sensitivity under 100 kPa is about 62.3 nm/kPa with a temperature sensitivity coefficient of 0.023 μm/℃，the measured resolution and precision are 1.29 kPa and 3.93%respectively that confirmed the method of MEMS optical fiber pressure sensing system performs a potential possibility.

optical fiber sensing；Fabry-Perot cavity；MEMS processing；demodulation method；MATLAB；Comsol Multiphysics

TP212

A

1004-1699（2015）08-1141-08

??2560；2575D；2575F；4190

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.008

項(xiàng)目來源：國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51425505）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51405454）

2015-05-14 修改日期：2015-06-23