MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計及解調(diào)方法實現(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)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計及解調(diào)方法實現(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)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

基于外界壓力引起敏感膜片形變導(dǎo)致腔長變化來實現(xiàn)壓力信號傳感的原理，提出了一種MEMS光纖法珀壓力傳感器的設(shè)計，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，進而設(shè)計了能夠應(yīng)用于光纖傳感的解調(diào)方法，搭建了光纖傳感的壓力測試系統(tǒng)并進行了相關(guān)實驗，利用所設(shè)計的解調(diào)方法對實驗數(shù)據(jù)進行處理，進而對壓力傳感器的性能及特性進行了測試和驗證。實驗結(jié)果表明，傳感器測試曲線線性度良好，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62.3 nm/kPa，溫度敏感系數(shù)為0.023 μm/℃，測量精度3.93%，且最小壓強分辨率為1.29 kPa，證實了該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?，壓力傳感器及其相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各個領(lǐng)域的自動化程度越來越高。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、動態(tài)測試范圍寬、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，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，隨著以微電子、微機械加工與封裝技術(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，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)，更是成為了當下研究和開發(fā)的熱點［3-5］。其中，光纖法珀傳感器具備結(jié)構(gòu)簡單緊湊、受環(huán)境波動影響不大、對感應(yīng)信號衰落不敏感、分辨率高和靈敏度高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各種物理、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的檢測及對于壓力、溫度、流速等的實時系統(tǒng)監(jiān)測。常用的解調(diào)方法有強度解調(diào)和相位解調(diào)兩種，其中，強度解調(diào)法容易實現(xiàn)，所需成本低，但由于多采用波長固定的單色光源，其光強容易受光源波動的影響，因而傳感精度比較低。相位解調(diào)法主要分為條紋計數(shù)法、傅里葉變換法、離散腔長變換法及菲索干涉儀法［6-8］，條紋計數(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，不會受到光源波動的影響，可以提高傳感系統(tǒng)整體的測量精度與穩(wěn)定性。因此，針對光纖法珀壓力傳感器的原理，設(shè)計了一種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，進行了相應(yīng)的數(shù)值仿真模擬及實驗測試，并對測試數(shù)據(jù)進行了分析。

1 傳感器的設(shè)計及基本原理

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反射面，石英管中內(nèi)插光纖的端面作為另一個反射面，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。干涉信號與腔長L有關(guān)，當膜片受到外界壓力時會沿著軸向產(chǎn)生形變，導(dǎo)致法珀腔腔長變化，從而引起干涉信號發(fā)生變化。通過測量干涉信號的變化則可推導(dǎo)出腔長變化，最終進行解調(diào)得到壓力信息變化數(shù)值，實現(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。

對應(yīng)靈敏度表達式為：

可見壓強測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，壓強測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)域的移動必須在實驗誤差范圍內(nèi)看作是平動，從而敏感膜中心區(qū)域的上下移動就可表征法珀腔深度的變化。由于所設(shè)計的為圓形敏感膜片，因此選取受壓后經(jīng)過中心點的一個橫截面為研究對象（如圖2所示）。

圖2 敏感膜片受壓后變形的截面圖

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

式中，|ω′|指的是圖2所示膜片在截面中的每一點上切線的斜率的絕對值，表示了截面中膜片每一點轉(zhuǎn)動角的大小。再將ω′對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。當外界施加壓力一定時，干涉光強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試量程。首先，利用MATLAB軟件對光纖傳感的理論模型進行仿真分析［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，即隨著膜厚的增加，膜片的形變量越來越不明顯。同時，分別對膜片半徑R取0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm的6種情況進行計算，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，膜片的形變越明顯。

圖4是膜片厚度不同時，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，可以看出當壓力在0～100 kPa之間連續(xù)變化時，膜片的撓度變化量逐漸增大，同時，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?shù)脑黾幽て霃?，同時減小膜片厚度，只有設(shè)計出合適的尺寸并確定恰當?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)與實時變化，選用Comsol Multiphysics軟件對膜片進行三維仿真分析。膜片中心部分的偏移同時表征了法珀腔腔體長度的變化，進而可以轉(zhuǎn)化得到壓力信息，實現(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，晶向為＜100＞。制作前經(jīng)過標準的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的硅片并達到所需的膜片厚度，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。利用劃片機進行劃片處理，分成單個的敏感單元，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

在解調(diào)系統(tǒng)的搭建過程中，利用光譜儀實現(xiàn)光譜接收，計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。實際操作中，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，包含了絕對波長參考，避免了外部波長校準的環(huán)節(jié)，提高了測量的精準性。同時，它還有很大的動態(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個通道，其熱穩(wěn)定性及長期穩(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，一個周期內(nèi)大約采集16 000個點，每個點所包含的數(shù)據(jù)信息量之和高達30 k字，若僅憑人工篩選數(shù)據(jù)尋找有效值，會耗費很長的時間與精力，若直接對收集到的數(shù)據(jù)進行線性擬合或峰值檢測等處理又會大大降低處理的速度及有效率，因而必須對采集數(shù)據(jù)進行恰當?shù)奶幚?，通過減小數(shù)據(jù)總量來保證信號提取的精度。在MOI-sm125智能光纖光柵解調(diào)儀中，雖然內(nèi)置了峰值探測算法，但每個形狀的中心波長具有至少3 dB～5 dB的對稱反差。為了實現(xiàn)更通用且更準確的峰值探測，我們不采用內(nèi)在的峰值探測算法，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)采集到計算機中進行后續(xù)編程處理。

本文在條紋計數(shù)法及多峰檢測算法的基礎(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)運算量的同時保證提取的數(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)計的算法中，首先對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行提取，然后進行數(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對周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點進行局部極值點的尋找，利用公式計算出法珀腔腔長并根據(jù)格拉布斯準則剔除粗大誤差，保證計算所得的全部腔長的有效性，最后對腔長求平均值，做出腔長變化與壓力的關(guān)系曲線。

①濾波處理

通過對ENLIGHT軟件保存的光譜數(shù)據(jù)進行二次繪圖可發(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，因此首先需要對光譜數(shù)據(jù)進行濾波處理，得到相對平滑的曲線以便于后期處理。調(diào)用MATLAB自帶的Smooth函數(shù)，通過移動平均法對數(shù)據(jù)進行平滑處理。圖9中藍色部分為原始光譜信號，紅色部分為濾波后光譜信號，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 濾波對比圖

②極值判斷

在之前的一些處理方法中，常常對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行分組處理。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)，按坐標的大小順序分別放入不同的數(shù)組中，然后逐個進行峰值檢測；另外一種方法是先設(shè)定閾值，然后利用for語句循環(huán)實現(xiàn)動態(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［11］。盡管上述兩種方法使用比較普遍，但第一種方法耗時較長，且當外界條件參數(shù)不同時采用固定點數(shù)進行分組會極大地降低求解精度，第二種方法雖然對于數(shù)據(jù)的分配更為合理，但在實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?；谏鲜鼋?jīng)驗，本次設(shè)計中直接進行局部極值點的尋找，調(diào)用MATLAB的Findpeaks函數(shù)，逐個查找向量中的波峰，即某一個元素比相鄰兩個元素的值都大，然后按照每列的搜索順序標出波峰的值和相對應(yīng)的橫坐標位置。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也能很好的運行，不會出現(xiàn)漏點誤判的情況，具有良好的通用性。

③粗大誤差剔除

當所有數(shù)據(jù)完成極值的提取，獲得波長范圍內(nèi)產(chǎn)生干涉的所有波長之后，對相鄰的波長進行計算得到法珀腔腔長。在傳統(tǒng)的解調(diào)過程中，往往只選用雙峰檢測法，即選取相鄰的兩干涉條紋波峰的位置λ2和λ1，利用腔長公式（5）進行計算：

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

式中，k為兩干涉波長級次之差。通過算法改進，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，改進算法對系統(tǒng)誤差的抑制效果會更加明顯。

但在實驗過程中，由于外界擾動等因素，同一個波長范圍內(nèi)有時會出現(xiàn)兩個距離非常近的極值點，如果利用該組數(shù)據(jù)進行計算會得到一個極大的腔長數(shù)值，造成整體數(shù)據(jù)的偏差。因此，需要對該錯誤結(jié)果進行數(shù)據(jù)剔除。在常用的幾種判別標準中，格拉布斯準則對于數(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則為判別數(shù)據(jù)包含粗差準則。在判別過程中，首先選定危險率（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。為使表達形式更加簡單，可得出準則：當滿足：，則判定該測得值含有粗差，應(yīng)予以剔除。若某次判斷所測數(shù)列值中有壞值，可剔除該值后重新計算xˉ，v，s等，在此依據(jù)判別準則判斷剩余數(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比中不難看出，當某個腔長值相對偏值較大時，可以在數(shù)據(jù)剔除過程中將其去掉，避免其對整體計算的影響，使得最終計算結(jié)果更為準確。基于格拉布斯準則完成粗大誤差數(shù)據(jù)剔除后，對保留下來的全部腔長值進行均值運算，得到平均腔長后作出法珀腔腔長隨壓力變化的關(guān)系曲線。

圖10 粗大誤差剔除對比圖

5 系統(tǒng)測試

為了對解調(diào)方法的有效性進行客觀的評判，設(shè)計了如圖11所示的光纖壓力傳感相關(guān)測試及解調(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），計算機及溫度/壓力復(fù)合測試設(shè)備構(gòu)成。實驗測試時，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，用光譜儀實時記錄光纖FP傳感器的輸出光譜變化，利用計算機采集數(shù)據(jù)并根據(jù)所設(shè)計的解調(diào)方法計算出相應(yīng)的應(yīng)變值，得到法珀腔腔長與壓力的變化關(guān)系曲線。

圖11 測試系統(tǒng)裝置圖

在實際測試中，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存在一定的時間延遲及條紋波動，因此需要待壓力穩(wěn)定后，再開始記錄解調(diào)系統(tǒng)輸出的波長信息。當數(shù)據(jù)保存后，利用設(shè)計好的解調(diào)方法進行數(shù)據(jù)讀取與運算，得到的測試曲線如圖12所示。

圖12 腔長-壓力測試圖

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)，腔長變化約為6.23 μm，測試曲線線性度良好，在100 kPa的量程內(nèi)其靈敏度可以達到62.3 nm/kPa。

傳感頭制作過程中，玻璃基座與硅片鍵合會使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傳感器腔長隨溫度漂移。為檢驗該傳感器的溫度-壓強交叉敏感性，在大氣壓下，將傳感頭放入烘箱中進行溫度測試。實驗表明，大氣壓下，腔長在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-壓強交叉敏感為0.37 kPa/℃，即10℃的溫度變化導(dǎo)致壓強的測量誤差為滿量程的3.7%。在室溫和常壓下，對傳感頭的靜態(tài)腔長分辨率進行了測試，采用兩倍的標準差作為傳感器的壓強測量分辨率，計算得到該壓力傳感器的腔長變化分辨率為8.05 nm，相應(yīng)的所能測量最小壓強變化為1.29 kPa。通過多次實驗測量，可以得到其平均標準偏差σˉ=1.31 kPa，傳感器的測量精度可表示為：

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

圖13 溫度敏感測量

6 結(jié)論

設(shè)計并制作了一種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，搭建了測試系統(tǒng)并進行了相關(guān)實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行了處理。測試結(jié)果表明，在0～100 kPa的壓力測量范圍內(nèi)，實驗曲線的線性度良好，其靈敏度可以達到62.3 nm/kPa，溫度敏感系數(shù)為0.023μm/℃。同時，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單且制作方便，測量分辨率可達1.29 kPa，證實了該MEMS光纖法珀壓力傳感系統(tǒng)具有一定的可行性，在后續(xù)的工作中將對傳感器的性能做進一步的改善與提高。

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［11］張?zhí)斓?，賀鋒濤，周強，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.運用格拉布斯準則原理確定公路定額測定中不合理數(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，主要研究方向為光纖壓力傳感，cxqnuc@ 126.com；

賈平崗（1982-），男，陜西人，博士，講師，主要研究方向為光纖傳感技術(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，主要研究方向為傳感器技術(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

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

2015-05-14 修改日期：2015-06-23