基于多孔式敏感膜片的MEMS 光纖琺珀傳感器及其局部放電檢測

司文榮，傅晨釗，卜 劍，倪鶴立，李浩勇，王謝君，鞠登峰，虞益挺*

（1. 國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2. 西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室，陜西西安710072；3. 全球能源互聯網研究院有限公司，北京102209）

1 引 言

光纖琺珀傳感器具有尺寸小、質量輕、精度高、耐高溫及抗電磁干擾能力強等優勢，已成功應用于壓力、溫度、聲波等物理量的測量中，在工業與軍事領域具有廣泛的應用前景［1］。琺珀腔是傳感器實現精準測量的關鍵，膜片式光纖琺珀傳感器使用光纖端面與膜片作為琺珀腔的兩個反射面，外界壓力作用到膜片上使膜片發生形變從而改變琺珀腔的腔長，通過對腔長的解調實現對外界信息的檢測，通常選取硅、銀或有機聚合物等材料制造高性能的膜片［2-3］。近年來，隨著微機電 系 統 （Micro-electromechanical System，MEMS）技術的迅速發展，作為琺珀腔反射鏡一端的膜片可以變得更薄、加工精度更高、成本更低，受迫形變范圍更大，靈敏度也更高［4-7］。

局部放電是高壓電力設備中經常出現的絕緣失效現象，強烈的局部放電會使得電力絕緣設施的強度劇烈下降，長期放電往往會產生絕緣擊穿，導致絕緣設施損壞，產生極大的損失與危害，因此局部放電的檢測對于高壓電力設備十分重要。局部放電往往伴隨著聲、光、輻射等現象，如會產生20~300 kHz 的微弱超聲波信號。通常的信號檢測是將超聲信號轉化為較顯著的其他物理量來描述放電狀況。膜片式光纖琺珀超聲傳感器是采集局部放電發出的超聲信號，根據膜片受迫產生的形變，將聲信號轉化為光信號，從而可以通過光電探測器得到電壓信號，理論上可以避免電磁干擾的影響，并且在精度與靈敏度方面也高于許多其他類型的傳感器。因此，光纖琺珀超聲傳感器在局部放電檢測中有著較為廣泛的應用潛力，如用于局部放電檢測的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，FBG）傳感器［8］、光纖邁克爾遜干涉（Fiber Michelson Interference，FMI）傳感器［9］、外置油腔耦合局放超聲非本征光纖法布里-珀羅傳感器［10］及用于溫度檢測的端面腐蝕的雙法布里-珀羅光纖溫度傳感器［11］。上述光纖傳感器中，FBG 傳感器通過測量光譜分析儀中的波長偏移從而檢測局部放電，可以應用到一些較低頻段的超聲檢測；FMI 傳感器的檢測頻率可達150 kHz，適用于近距離檢測；外置油腔耦合局放超聲非本征光纖法布里-珀羅傳感器通過設計油腔內部安裝方法拓展了其應用場景。但是，一些成本較高或制造過程復雜，如以黃金作為膜片材料、帶寬可達 150 kHz 的光纖琺珀傳感器［5］，或者僅能在電力設備外部安裝使用，如傳統的壓電式超聲傳感器，實際的局部放電檢測難度較大。另外，高壓電力設備中的局部放電經常處于變壓油等液體中，因此光纖琺珀超聲傳感器在液體中對局部放電的檢測與定位也是一個研究難點［12-15］。

本文設計了一種多孔式超聲檢測用敏感膜片，并利用 MEMS 工藝在 SOI（Silicon-On-Insula?tor）硅片的頂層硅上完成了所設計敏感膜片的高保真、低成本制造。直接利用光纖跳線的端面與敏感膜片的表面作為琺珀腔的兩個反射鏡面，完成了光纖琺珀腔的構建。最后，通過在油中搭建實驗平臺測量了傳感器的距離衰減、方向性以及靜態壓力響應特性。該傳感器在液體中可以穩定工作，對脈沖放電槍模擬的局部放電有著良好的響應，在電力設備的局部放電檢測中具有良好的應用前景。

2 傳感器設計與制造

2.1 工作原理

基于琺珀干涉（Fabry-Perot Interference，FPI）原理的非本征琺珀干涉（Extrinsic Fabry-Pe?rot interference，EFPI）傳感器以光纖作為信號傳輸載體，利用光的干涉原理來檢測局部放電產生的超聲波信號。這種方法靠光信號進行傳輸，可以避免周圍環境的電磁干擾。EFPI 傳感器可以深入到電力設備內部的絕緣介質中（比如變壓器絕緣油），來檢測局部放電發出的微弱超聲波信號，靈敏度高，不受高壓電磁場的影響，而且結構簡單、安裝方便，是一種有效的內置式電力設備局部放電在線監測或帶電檢測用傳感耦合技術。

光纖琺珀超聲傳感系統的組成如圖1 所示。波長為1 550 nm 的激光光源（北京中訊光譜科技有限公司，COSC-DFB-C-20）發出的光經單模光纖與光纖環形器進入傳感器探頭，被膜片反射后又經光纖環形器進入光電探測器被轉化為電信號，最終被示波器（美國泰克Tektronix，MDO3024）采集顯示。當局部放電釋放出的超聲波激勵敏感膜片時，琺珀腔腔長因敏感膜片的形變而改變，進而導致反射光的光強隨之改變，通過采集處理光強的變化實現超聲信號的探測。

圖1 光纖琺珀超聲傳感系統Fig. 1 Fiber optic Fabry-Perot ultrasonic sensing system

2.2 傳感器膜片設計

在設計敏感膜片時，需要根據實際應用場景設備膜片的固有頻率。固有頻率為：

其中：a為振型系數，ρ為膜片材料的密度，R，h分別為膜片的厚度與半徑，E，μ分別是膜材料的彈性模量和泊松比。由于材料的密度、振型系數、彈性模量與泊松比通常是不變的，因此用等效系數α來代替表示。從式（1）可以看出，膜片的固有頻率與膜片厚度成正比，與半徑的平方成反比。

當傳感器接收到超聲信號時，膜片因為受到聲壓的激勵而發生中心形變，其形變公式為：

其中：p是局部放電對膜片造成的聲壓，使用常數β作為等效系數代替公式中恒定的量。如式（2）所示，膜片受迫產生形變的程度與受到的壓力、半徑的四次方成正比，與厚度的三次方成反比。當形變量小于厚度的30%時，屬于小撓度彎曲，這種情況下，膜片的形變量與其所受到的壓力近似呈線性關系。傳統的圓形膜片光纖琺珀傳感器探頭如圖2 所示，它在溫度變化較大時，琺珀腔內外壓力不平衡，膜片會因此發生形變，從而干擾檢測超聲信號，使得圓形膜片傳感器無法工作。本文在圓形膜片的外圍增加多個對稱式通氣孔，在不改變膜片半徑與厚度的情況下，有效避免了不平衡氣壓對測試結果的影響。這種多孔式結構的光纖琺珀傳感器對溫度的靈敏度較低，相比圓形膜片光纖琺珀傳感器更適用于局部放電的檢測。

圖2 膜片式光纖琺珀傳感器探頭示意圖Fig.2 Schematic diagram diaphragm based fiber optic Fabry-Perot sensor probe

傳統圓形膜片在外界溫度變化時，內外溫度不平衡，膜片會發生形變，出現檢測誤差，圖3 所示為傳統圓形膜片因不同內外溫差產生的氣壓差而發生的形變。本文所研制的多孔式敏感膜片的內外氣壓幾乎一致，可以有效避免這個情況；另外，膜片受溫度影響本身也會產生一定形變。仿真計算表明，在相同溫度下，多孔式敏感膜片比傳統圓形膜片的形變小，且隨著溫度的升高，兩者之間的形變差距越來越大，如圖4 所示。

圖3 溫差造成的氣壓差導致的圓形膜片形變Fig.3 Deformation of round diaphragm caused by pres?sure difference due to temperature

圖4 溫差導致的膜片形變Fig.4 Deformation caused by temperature difference

使用有限元仿真軟件COMSOL 分析通氣孔半徑對敏感膜片固有頻率的影響，以2 μm 為步長，仿真得到孔半徑從 2 μm 到 30 μm 的多孔式敏感膜片的固有頻率，結果如圖5 所示。隨著通氣孔半徑的增加，其固有頻率在孔半徑2 μm 到30 μm 的區間內近似拋物線式降低。最終從工藝精度與固有頻率兩方面考慮，加工時將通氣孔的半徑設置為20 μm。

圖5 不同孔半徑的多孔式敏感膜片的固有頻率仿真結果Fig.5 Simulation results of natural frequency of porous sensing diaphragm with different hole radii

2.3 膜片加工與制造

在探頭的裝配中，為了使光纖與膜片最中央對準并且不會損傷到膜片本身，特意在MEMS膜片制造工藝中進行分步刻蝕得到階梯狀結構膜片。如圖6（a）所示，采用SOI 硅片，頂層為5 μm 厚的硅層，中間為 1 μm 厚的二氧化硅層，底層是500 μm 厚的硅。加工前對SOI 硅片進行清洗，去除表面的氧化物，得到潔凈的硅片。首先在頂層硅上刻蝕出通氣孔，底層硅上刻蝕出一定厚度的大孔，再以二氧化硅為截止層，在大孔的基礎上刻蝕得到小孔，保證不會出現過刻蝕情況，對敏感膜片造成影響。然后使用氫氟酸（HF）去除二氧化硅層，最后鍍金膜，即可得到階梯狀結構，其工藝流程如圖6 所示。

圖6 中階梯狀膜片的大孔直徑為2.5 mm，與直徑為2.5 mm 的單模光纖剛好嵌合，便于裝配的同時有利于光纖端面的定位；頂層硅表面鍍了一層金膜，金膜具有良好的化學穩定性，將金鍍層與光纖端面作為琺珀腔的兩個反射端面。圖7 為敏感膜片樣件及其掃描電鏡圖。

圖6 多孔式敏感膜片MEMS 工藝制作流程Fig. 6 MEMS technology production process of porous sensing diaphragm

圖7 多孔式敏感膜片樣件及其掃描電鏡圖Fig.7 Porous sensing diaphragm sample and its scanning electron microscope image

2.4 傳感器探頭裝配

由于油液進入琺珀腔后會使傳感器失效，因此需要進行保護性封裝。這里主要使用定制的3D 打印外殼，將傳感器探頭固定在外殼里，在膜片與外界接觸處粘貼防水透聲膜（亞源泰科技有限公司，微孔濾膜）。由于防水透聲膜過于單薄，很容易損壞，因此在透聲膜外使用3D 打印制作的透聲外殼進行防護。另外，光纖與密封外殼的連接處存在空隙，使用環氧膠（米占科技有限公司，1102 德國樹脂AB膠）做密封處理。

對于膜片與光纖的連接固定，常用的方法有環氧膠黏合、陽極鍵合與激光熱熔等方式［16］。其中，陽極鍵合雖然有鍵合強度高、密封性好等優點，但是過于苛刻的實現條件與對材料的要求使陽極鍵合無法實現大規模生產，且造價昂貴；激光熱熔一般指CO2激光熱熔法，適用于光纖的固定，在熱熔過程中需要對連接部分進行熱處理，操作復雜并且通常專門針對石英材料，有一定的局限性。本文采用環氧膠黏合方式，簡單方便，價格便宜。普通環氧膠固化后耐熱在110 ℃左右（局部放電中產生的溫度最高約為90 ℃），且固化過程中無明顯異味，黏結力強，密封性也滿足要求，因此可以應用在檢測局部放電的傳感器探頭制作中。

由于敏感膜片的厚度只有5 μm，體積非常小，因此在利用光纖端面與膜片形成琺珀腔時，需要較高的裝配精度，既要保證膜片與光纖之間連接牢固，琺珀腔維持在理想長度；又要防止膜片被破壞，因此本研究在琺珀腔的裝配時使用高精度位移平臺進行調控。首先，使用3D 打印的夾持裝置將光纖尾端與膜片對準固定，通過光譜儀（北京波威科技有限公司，I-MON USB）獲得的光譜圖如圖8 所示。根據光譜圖計算出琺珀腔腔長，然后通過精密位移平臺調節光纖位置，直至獲得最優的反射光強與所需腔長，最后進行膠封。圖9 所示為傳感器探頭及其樣品。

圖8 光纖琺珀傳感器反射光譜Fig.8 Reflection spectrum of fiber optic Fabry-Perot sensor

圖9 多孔式敏感膜片傳感器探頭Fig.9 Porous sensing diaphragm sensor probe

3 實驗與結果分析

3.1 實驗設置

實驗采用可以發射出固定頻率和幅值超聲波信號的函數發生器作為聲源，向傳感器探頭發射標準正弦超聲波信號。在實驗容器中以密度為400 kg/m3的變壓器油作為液體介質，封裝的環氧膠黏合與防水透聲膜可以密封與保護傳感器探頭，油液不會進入到琺珀腔而導致傳感器失效。函數發生器驅動的聲源可以在液體中發射穩定的標準超聲波信號，便于傳感器的性能測試。

傳感器的距離衰減與靜態壓力性能測試裝置如圖10 所示。整個探測系統的其余部分保持不變，探頭分別放置于裝滿油液的塑料管與玻璃燒杯中，塑料管上標有刻度方便調節探頭與聲源之間的距離；靜態壓力測試中，使用無外殼封裝的探頭，調節桿可以控制探頭在液體中的深度，通過密度公式（3）來計算某一位置時的靜態壓力。

圖10 局部放電檢測實驗裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of partial discharge detection experimental setup

其中：ρ為液體密度，h為探頭端面浸在液體中的深度，g為重力加速度。

3.2 傳感器靜態壓力性能測試

傳感器靜態壓力性能指直接對傳感器施加特定大小的壓力時，傳感器輸出信號隨壓力增加的波動變化。在測量靜態壓力時，需要將傳感器探頭直接浸入液體中，膜片與液體直接接觸。實驗在0~400 μm 內進行，將測量步長設置為50 μm，同一個深度多次測量取平均值。

在小撓度彎曲情況下，膜片中心形變與壓力呈線性關系，則腔長與壓力是一一對應關系。如圖11 所示，在測量范圍內，傳感器得到的電壓輻值變化與傳感器在液體中的深度呈線性關系，即與感受到的靜態壓力呈線性關系，靈敏度達到1.25 V/Pa，并可以長時間穩定工作。

圖11 多孔式敏感膜片EFPI 傳感器液體中的靜態壓力響應Fig. 11 Static pressure response of porous sensing dia?phragm EFPI sensors in liquids

3.3 傳感器距離衰減與方向響應性能測試

傳感器距離衰減指傳感器輸出信號隨探測距離變化產生的波動變化；方向響應指輸出信號隨探頭與聲源之間夾角變化產生的波動變化。距離衰減測試實驗中，研究多孔結構式EFPI 傳感器在液體中1 m 以內的距離衰減，始終將傳感器探頭與聲源置于同一水平線上，通過函數發生器產生在傳感器固有頻率附近的超聲信號，將探頭與聲源分別放置在不同刻度處，以10 cm 為步長，測試探頭與聲源從對準到1 m 處的信號幅度。將探頭與聲源無間隙對準時，使用函數發生器生成標準正弦波超聲信號，示波器上顯示出標準正弦曲線，對測量所得數據進行快速傅里葉變換，即可將時頻曲線轉化為所需要的幅頻曲線。

圖12 展示了時頻曲線與轉化后的幅頻曲線。觀察幅頻曲線可以發現：在接收到給定頻率的信號后，信號幅值遠高于噪聲幅值，傳感器具有良好的信噪比。

圖12 多孔式敏感膜片EFPI 傳感器在液體中對于標準正弦波信號的幅頻響應曲線Fig.12 Amplitude-frequency response curve of porous sensing diaphragm EFPI sensor in liquid for stan?dard sine wave signal

另外，使用脈沖放電槍在距離傳感器探頭1 m 處模擬局部放電產生超聲信號，得到的放電響應曲線如圖13 所示。從圖中可以發現，該傳感器對局部放電產生的超聲信號具有良好的檢測能力。

圖13 多孔式敏感膜片EFPI 傳感器對脈沖放電槍放電的響應曲線Fig.13 Response curve of porous sensing diaphragm EF?PI sensor for discharge released by pulse dis?charge gun

對不同距離處測量得到的幅值結果如圖14所示，擬合后發現在0~20 cm 內電壓幅值與距離可看作線性相關，20 cm 以后幅值隨著距離呈指數形式衰減，擬合得到的指數函數為：

圖14 多孔式敏感膜片EFPI 傳感器在液體中依據探測距離的信號變化Fig.14 Porous sensing diaphragm EFPI sensor in liquid based on signal change of detection distance

與空氣中的探測結果［4］相比，得到的電壓幅值有所減弱，電壓幅值與距離的相關性與空氣中基本一致，因此提升傳感器性能可從放大接收到的信號方面考慮。

測量傳感器的方向響應時，將探頭固定于液體中，通過移動聲源來改變聲源與探頭之間的夾角和位置，測量從0°~180°的方向響應，測量角度步長為30°，90°為聲源正對探頭位置。

實驗結果如圖15 所示，當探頭與聲源正對時響應幅度最大，在側面幅度相應減小；改變兩者之間的距離，可以得到相同的結果，因此在液體中EFPI 傳感器對不同方向上的信號識別能力較強。使用單個探頭結合方向響應結果可大致確定液體中局部放電與探頭的夾角方向，如需定位，可使用多個探頭以三角定位法大致確定局部放電的位置。

圖15 多孔式敏感膜片EFPI 傳感器在液體中5，10 cm距離時的方向響應Fig. 15 Directional response of porous sensing dia?phragm EFPI sensor at distances of 5 and 10 cm in liquid

通過傳感器的距離衰減與方向響應測試可以發現：輸出信號在距離增加時主要以指數形式衰減，在一定范圍內呈線性衰減，因此測量時可以通過信號衰減形式判斷出放電位置與探頭之間的大致距離；且在聲源正對探頭時輸出的信號幅值最大，向兩側偏移時逐漸減小，實際應用過程中需要通過調整探頭方向獲得最佳信號輸出。

4 結 論

面向光纖琺珀超聲傳感器的多孔式敏感膜片不僅有效避免了完整膜片內外壓的不平衡，而且有著同尺寸下幾乎不弱于圓形完整膜片的固有頻率，對信號測量無顯著影響。利用MEMS工藝可制造出僅有5 μm 厚的敏感膜片，敏感膜片上的通氣孔可以使內外氣壓保持平衡。另外，在裝配時使用環氧膠黏合方式，并利用3D 打印技術進行保護封裝，操作簡單，價格低廉。性能測試表明，研制的傳感器在液體中具有較好的距離衰減與方向性響應。靜態壓力測試結果表明：膜片在靜壓力的作用下，靈敏度可達1.25 V/Pa，在局部放電檢測領域有著較大的應用潛力。