MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现曹群;贾平岗;熊继军;张海瑞;洪应平;房国成【摘要】基于外界压力引起敏感膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感的原理，提出了一种MEMS光纤法珀压力传感器的设计，建立了传感器敏感膜片的挠度变化与膜厚、半径及施加压力的关系理论模型，并在此基础上进行了膜片的MATLAB二维数值仿真和Comsol Multiphysics三维数值仿真，并完成了FP压力敏感头的制作，进而设计了能够应用于光纤传感的解调方法，搭建了光纤传感的压力测试系统并进行了相关实验，利用所设计的解调方法对实验数据进行处理，进而对压力传感器的性能及特性进行了测试和验证。
实验结果表明，传感器测试曲线线性度良好，与数值仿真结果基本一致，在100 kPa的量程范围内其灵敏度可达62.3 nm/kPa，温度敏感系数为0.023μm/℃，测量精度3.93%，且最小压强分辨率为1.29 kPa，证实了该MEMS光纤法珀压力传感系统具有一定的可行性。
%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 b etween 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 fibersensing 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 0.023μm/℃,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.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】8页(P1141-1148)【关键词】光纤传感;法珀腔;MEMS工艺;解调方法;MATLAB;Comsol Multiphysics【作者】曹群;贾平岗;熊继军;张海瑞;洪应平;房国成【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP212作为各类控制装置及系统信息获取与传输的核心器件，压力传感器及其相关技术的迅速发展，使得各个领域的自动化程度越来越高。
与传统的电学压力传感器相比，光纤压力传感器具有抗干扰能力强、动态测试范围宽、高分辨率、体积小且易于多路复用或分路感应等优点，因而在航空、航天、电子等领域中都得到了广泛使用［1-2］。
同时，随着以微电子、微机械加工与封装技术巧妙结合的MEMS技术不断发展，利用MEMS技术制造的光纤压力传感器以其重量轻、功能强，具有频带宽和灵敏度高的特性，并且与集成电路工艺兼容能够批量生产，更是成为了当下研究和开发的热点［3-5］。
其中，光纤法珀传感器具备结构简单紧凑、受环境波动影响不大、对感应信号衰落不敏感、分辨率高和灵敏度高等优点，已广泛应用于各种物理、化学和生物医学参数的检测及对于压力、温度、流速等的实时系统监测。
常用的解调方法有强度解调和相位解调两种，其中，强度解调法容易实现，所需成本低，但由于多采用波长固定的单色光源，其光强容易受光源波动的影响，因而传感精度比较低。
相位解调法主要分为条纹计数法、傅里叶变换法、离散腔长变换法及菲索干涉仪法［6-8］，条纹计数法利用光纤法珀传感器的输出干涉条纹和相位的关系来获取传感器的腔长，不会受到光源波动的影响，可以提高传感系统整体的测量精度与稳定性。
因此，针对光纤法珀压力传感器的原理，设计了一种MEMS光纤法珀压力传感器，提出了一种基于MOI-sm125光纤光栅解调仪的光纤法珀压力传感器的解调原理及方法，建立了MEMS光纤法珀传感系统的理论模型并完成了关键部位的MEMS工艺制作，进行了相应的数值仿真模拟及实验测试，并对测试数据进行了分析。
光纤F-P压力传感器的具体结构如图1所示。
传感器主要包括传感头、石英玻璃管和单模光纤三大部分，其中传感头由硅敏感膜片、玻璃基座和金属反射膜层三部分组成。
该传感头利用MEMS工艺制成，通过石英玻璃管辅助准直与光纤粘接构成F-P压力传感器的主体。
光源发出的入射光通过光纤耦合进入传感器内，其中，硅膜片表面涂覆的金属层作为法珀腔的一个反射面，石英管中内插光纤的端面作为另一个反射面，光线在F-P腔体的上下表面来回反射，形成多光束干涉，部分反射光沿着原路返回，相遇后再次发生干涉。
干涉信号与腔长L有关，当膜片受到外界压力时会沿着轴向产生形变，导致法珀腔腔长变化，从而引起干涉信号发生变化。
通过测量干涉信号的变化则可推导出腔长变化，最终进行解调得到压力信息变化数值，实现压力传感。
在小挠度情况下，根据弹性力学原理，硅敏感膜片受到压力后变形情况如式（1）：式中：ω为硅敏感膜片挠度；p为敏感膜片所受压力；μ为泊松比；E为硅的杨氏模量；h为敏感膜片厚度；R0为膜片半径；r为膜片任意部位的半径。
对应灵敏度表达式为：可见压强测量灵敏度与敏感膜的有效半径的4次方成正比，与膜片厚度的3次方成反比，在膜片材料选定后，压强测量灵敏度由膜片的厚度和半径大小决定。
薄膜半径越大，厚度越小，膜片灵敏度越高。
光线进入光纤后垂直入射到法珀腔中，在腔内来回多次反射形成干涉。
若要保证敏感膜片受到外界施加压力发生形变后仍符合法珀腔的理论模型，那么膜片中心区域的移动必须在实验误差范围内看作是平动，从而敏感膜中心区域的上下移动就可表征法珀腔深度的变化。
由于所设计的为圆形敏感膜片，因此选取受压后经过中心点的一个横截面为研究对象（如图2所示）。
任何物体在一个平面内的运动都可以由平动加转动组成，如果横截面的每一小的曲线段在一个平面内没有转动或者转动非常小，那么也就证明每一小的曲线段在这个平面的运动只有平动即膜片中心区域的上下移动是平动［9］。
为了得到图2中每个小曲线段的斜率的绝对值，首先将式（1）中的ω对距离硅膜中心点的位置r求导：式中，|ω′|指的是图2所示膜片在截面中的每一点上切线的斜率的绝对值，表示了截面中膜片每一点转动角的大小。
再将ω′对r求导得：若表示硅横膈膜中心处的偏移大小，由式（4）可知，当时，取得最大值，，即硅膜截面上的每个小的曲线段最大转动角为。
由于扫描光波长λ0范围为1510 nm～1590 nm，为了保证横膈膜的形变量与光纤传输回来的干涉光强成一一对应关系，ω0必须小于λ04，腔体半径R0为1.3 mm，因此在本MEMS结构中的取值小于10-3，膜片中心区域横截面上每一曲线段的转动角小于10-3，截面中膜片径向偏移量的相对于轴向位移是可以忽略不记的，即证明了硅横膈膜受到压力时，光纤所对应硅膜片的中心区域发生的形变可近似为平动。
敏感膜片的厚度和半径是传感器设计与制作中的主要参数，其参数值选取的不同将直接影响到传感器的性能。
当外界施加压力一定时，干涉光强的大小主要由膜片厚度决定，而敏感膜片的半径又在很大程度上决定了传感器的压力测试量程。
首先，利用MATLAB软件对光纤传感的理论模型进行仿真分析［10］，分别固定膜片半径、膜片厚度及外界压力值，得到了传感器中各个物理量与膜片挠度变化的关系曲线。
图3是不同半径下的膜片挠度变化与膜厚的关系曲线。
设定杨氏模量E=1.9×1011，泊松比μ=0.278，压力值P=100 kPa，从图中可以明显地看出，随着膜片厚度从40 μm增加到55 μm的过程中，膜片挠度变化量呈逐渐递减的趋势，即随着膜厚的增加，膜片的形变量越来越不明显。