導讀：近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，為光纖傳感領域注入新活力，將其與光纖結(jié)合為高靈敏度壓力測量提供可能。光纖MEMS法珀傳感器具有高一致性、可大批量生產(chǎn)、性能優(yōu)易穩(wěn)定等特點。
撰稿 天津大學 博士研究生代小爽(論文第一作者)& 王雙(通訊作者)
01 導讀
近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，為光纖傳感領域注入新活力，將其與光纖結(jié)合為高靈敏度壓力測量提供可能。光纖MEMS法珀傳感器具有高一致性、可大批量生產(chǎn)、性能優(yōu)易穩(wěn)定等特點。傳統(tǒng)解調(diào)方法一般可通過快速傅里葉變換結(jié)合譜峰追跡法解調(diào)得到不同壓力下的精確光程差 (OPDs)，但此方法對法珀腔的長度有嚴格要求，具體表現(xiàn)為：短腔長有利于提高壓力靈敏度，但是在經(jīng)過快速傅里葉變換后，存在頻譜分量混疊問題，不利于后續(xù)信號的提取和解調(diào)。本研究為實現(xiàn)在短真空腔長情況下的高靈敏度壓力測量，從Vernier效應的角度出發(fā)，提出利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的全硅法珀芯片的硅腔和硅/真空混合腔二者光程差匹配，通過追蹤光譜包絡的演化來實現(xiàn)高靈敏度的壓力傳感。該研究成果以“High-sensiTIve MEMS Fabry-Perot pressure sensor employing an internal-external cavity Vernier effect”為題發(fā)表在光學期刊OpTIcs Express上，第一作者為天津大學博士研究生代小爽，通訊作者為王雙副教授。
封面圖：硅/真空混合腔反射光譜以及基于內(nèi)外腔Vernier效應的反射包絡光譜。
圖源: OpTIcs Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 3)
02 研究背景
法珀復合微腔干涉光譜中，不同頻率的余弦信號代表不同微腔的干涉信息，無法直接從復合譜中提取單個微腔的干涉譜進行獨立解調(diào)。在課題組之前的研究中，使用傅里葉變換將復合微腔的干涉頻率分離，根據(jù)復合微腔頻率譜的頻率分量特征，構(gòu)造帶通濾波器，經(jīng)過傅里葉逆變換濾除掉其他頻率分量，只得到其中一個微腔對應的獨立干涉光譜，再通過單峰追跡法可以追跡譜峰波長漂移量。但是，當法珀腔長較短時，上述方法不再適用。原因在于，在全光譜范圍內(nèi)，較短腔長的真空腔經(jīng)過傅里葉變換后得到的低頻信號非常接近于直流基頻，不利于構(gòu)造帶通濾波器，導致實驗結(jié)果存在偏差?；诖?，考慮了內(nèi)外腔Vernier效應，設計全硅法珀壓力傳感器，其中硅腔作為內(nèi)腔，硅/真空混合腔作為外腔進行光程差匹配，通過跟蹤反射譜的包絡演化，避免了頻域濾波方法的不足，實現(xiàn)了高靈敏壓力測量。
03 創(chuàng)新研究
3.1 內(nèi)外腔Vernier效應理論分析
真空腔壓力靈敏度為：
硅/真空混合腔的壓力靈敏度為：
其中，m表示干涉級次，L2表示真空腔腔長，n2表示真空腔折射率，L1表示硅腔腔長，n2表示硅腔折射率。
在該全硅法珀傳感結(jié)構(gòu)中，硅腔和硅/真空混合腔二者光程差匹配。放大因子為：
反射光譜包絡的靈敏度則為：
對設計的傳感器在10~300 kPa的壓力范圍和1500~1600 nm的波長范圍內(nèi)進行仿真測試，得到在真空腔長為30 μm的壓力靈敏度和溫度靈敏度結(jié)果(圖2)。
圖2 (a)壓力范圍為10~300 kPa，波長范圍為1500~1600 nm下的壓力靈敏度;(b) 中心波長1550 nm處的溫度靈敏度。
圖源: OpTIcs Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 4)3.2 全硅壓力傳感器的制作與驗證
該全硅傳感器芯片由兩層硅晶圓組成，選用單晶硅厚度為70 μm的 SOI 晶圓片和一片厚度為500 μm雙面拋光的單晶硅晶圓片作為原材料，晶圓片的大小均為 4 英寸，晶向均為<100>。為了降低界面結(jié)合強度對膜片變形重復性的影響，在SOI晶圓表面進行刻蝕，刻蝕深度為30 μm，頂部硅膜片的厚度為40 μm。如圖3所示，為所制備的傳感器以及其反射光譜信息。真空腔的低頻信號過于接近直接分量基頻，不利于其高效提取濾波?；趦?nèi)外腔Vernier效應的包絡峰追蹤方法適用于短真空腔，以提高壓力靈敏度。
圖3 (a)傳感器芯片;(b) MEMS壓力傳感器;(c) 傳感器的反射光譜;(d) 傅里葉變換振幅頻率曲線。
圖源: Optics Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 5)3.3 高靈敏度壓力測量
通過追蹤反射譜的包絡峰值，可以得到壓力值與峰值波長良好的線性關(guān)系和-1.028 nm/kPa的壓力靈敏度，如圖4(a)所示。對短法珀腔長情況下的反射譜包絡線進行跟蹤，解決了在經(jīng)過快速傅里葉變換之后，真空腔長的低頻信號非常接近于直流分量而不能準確解調(diào)的問題。
在110 kPa下驗證傳感器的溫度靈敏度。在0-80℃范圍內(nèi)，反射譜的包絡峰值演化如圖4(b)所示，溫度靈敏度為0.041 nm/℃。從某種意義上說，這是正常的?？紤]真空腔內(nèi)殘余氣壓的熱膨脹效應會導致真空腔長度出現(xiàn)意想不到的變化，這在理論分析中被忽略。因此，可以改進MEMS傳感器的制作工藝，降低殘余氣體壓力的影響，實現(xiàn)較低的溫度靈敏度。
圖4 (a) 反射光譜包絡峰波長隨壓力的變化;(b) 反射光譜包絡峰波長隨溫度的變化。圖源: Optics Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Figs. 8 and 9)
04 應用與展望
綜上所述，本工作采用MEMS技術(shù)制備的全硅法珀傳感器創(chuàng)新性地實現(xiàn)了內(nèi)外腔Vernier效應，通過追蹤反射譜的包絡演化，實現(xiàn)了高靈敏的壓力測量，重要的是，有效避免了在短法珀腔長情況下頻域濾波方法的不足。MEMS技術(shù)實現(xiàn)的傳感器具有良好的一致性，可批量生產(chǎn)，為實現(xiàn)產(chǎn)品工業(yè)化奠定了基礎。由此可見，該傳感器在高靈敏度壓力測量中具有廣闊的應用前景和潛力。
（來源：中電網(wǎng)，作者：代小爽 王雙）
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