導讀：近年來，微機電係統(MEMS)技術的發展，為光纖傳感領域注入新活力，將其與光纖結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、性能優易穩定等特點。

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
，微機電係統(MEMS)技術的發展，為光纖傳感領域注入新活力，將其與光纖結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
、性能優易穩定等特點。傳統解調方法一般可通過快速傅裏葉變換結合譜峰追跡法解調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，具體表現為：短duan腔qiang長chang有you利li於yu提ti高gao壓ya力li靈ling敏min度du


，但dan是shi在zai經jing過guo快kuai速su傅fu裏li葉ye變bian換huan後hou
，存cun在zai頻pin譜pu分fen量liang混hun疊die問wen題ti，不bu利li於yu後hou續xu信xin號hao的de提ti取qu和he解jie調tiao。本ben研yan究jiu為wei實shi現xian在zai短duan真zhen空kong腔qiang長chang情qing況kuang下xia的de高gao靈ling敏min度du壓ya力li測ce量liang
，從congVernier效應的角度出發

，提出利用MEMS技術生產的全矽法珀芯片的矽腔和矽/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。

封麵圖：矽/真空混合腔反射光譜以及基於內外腔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(fa)珀(po)複(fu)合(he)微(wei)腔(qiang)幹(gan)涉(she)光(guang)譜(pu)中(zhong)
，不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)餘(yu)弦(xian)信(xin)號(hao)代(dai)表(biao)不(bu)同(tong)微(wei)腔(qiang)的(de)幹(gan)涉(she)信(xin)息(xi)，無(wu)法(fa)直(zhi)接(jie)從(cong)複(fu)合(he)譜(pu)中(zhong)提(ti)取(qu)單(dan)個(ge)微(wei)腔(qiang)的(de)幹(gan)涉(she)譜(pu)進(jin)行(xing)獨(du)立(li)解(jie)調(tiao)。在(zai)課(ke)題(ti)組(zu)之(zhi)前(qian)的(de)研(yan)究(jiu)中(zhong)
，使(shi)用(yong)傅(fu)裏(li)葉(ye)變(bian)換(huan)將(jiang)複(fu)合(he)微(wei)腔(qiang)的(de)幹(gan)涉(she)頻(pin)率(lv)分(fen)離(li)，根(gen)據(ju)複(fu)合(he)微(wei)腔(qiang)頻(pin)率(lv)譜(pu)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)量(liang)特(te)征(zheng)
，構(gou)造(zao)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)，經(jing)過(guo)傅(fu)裏(li)葉(ye)逆(ni)變(bian)換(huan)濾(lv)除(chu)掉(diao)其(qi)他(ta)頻(pin)率(lv)分(fen)量(liang)，隻(zhi)得(de)到(dao)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)微(wei)腔(qiang)對(dui)應(ying)的(de)獨(du)立(li)幹(gan)涉(she)光(guang)譜(pu)
，再(zai)通(tong)過(guo)單(dan)峰(feng)追(zhui)跡(ji)法(fa)可(ke)以(yi)追(zhui)跡(ji)譜(pu)峰(feng)波(bo)長(chang)漂(piao)移(yi)量(liang)。但(dan)是(shi)
，當(dang)法(fa)珀(po)腔(qiang)長(chang)較(jiao)短(duan)時(shi)，上(shang)述(shu)方(fang)法(fa)不(bu)再(zai)適(shi)用(yong)。原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)，在(zai)全(quan)光(guang)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)，較(jiao)短(duan)腔(qiang)長(chang)的(de)真(zhen)空(kong)腔(qiang)經(jing)過(guo)傅(fu)裏(li)葉(ye)變(bian)換(huan)後(hou)得(de)到(dao)的(de)低(di)頻(pin)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)於(yu)直(zhi)流(liu)基(ji)頻(pin)，不(bu)利(li)於(yu)構(gou)造(zao)帶(dai)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)
，導(dao)致(zhi)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)存(cun)在(zai)偏(pian)差(cha)。基(ji)於(yu)此(ci)
，考(kao)慮(lv)了(le)內(nei)外(wai)腔(qiang)Vernier效應，設計全矽法珀壓力傳感器，其中矽腔作為內腔，矽/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
，實現了高靈敏壓力測量。

03 創新研究

3.1 內外腔Vernier效應理論分析

真空腔壓力靈敏度為：

矽/真空混合腔的壓力靈敏度為：

其中，m表示幹涉級次，L2表示真空腔腔長
，n2表示真空腔折射率，L1表示矽腔腔長，n2表示矽腔折射率。

在該全矽法珀傳感結構中，矽腔和矽/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的壓力範圍和1500~1600 nm的波長範圍內進行仿真測試，得到在真空腔長為30 μm的壓力靈敏度和溫度靈敏度結果(圖2)。

圖2 (a)壓力範圍為10~300 kPa

，波長範圍為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 全矽壓力傳感器的製作與驗證

該全矽傳感器芯片由兩層矽晶圓組成，選用單晶矽厚度為70 μm的 SOI 晶圓片和一片厚度為500 μm雙麵拋光的單晶矽晶圓片作為原材料
，晶圓片的大小均為 4 英寸
，晶向均為<100>。為了降低界麵結合強度對膜片變形重複性的影響，在SOI晶圓表麵進行刻蝕，刻蝕深度為30 μm，頂部矽膜片的厚度為40 μm。如圖3所示

，為所製備的傳感器以及其反射光譜信息。真空腔的低頻信號過於接近直接分量基頻
，不利於其高效提取濾波。基於內外腔Vernier效應的包絡峰追蹤方法適用於短真空腔，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) 傅裏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係和-1.028 nm/kPa的壓力靈敏度
，如圖4(a)所suo示shi。對dui短duan法fa珀po腔qiang長chang情qing況kuang下xia的de反fan射she譜pu包bao絡luo線xian進jin行xing跟gen蹤zong，解jie決jue了le在zai經jing過guo快kuai速su傅fu裏li葉ye變bian換huan之zhi後hou
，真zhen空kong腔qiang長chang的de低di頻pin信xin號hao非fei常chang接jie近jin於yu直zhi流liu分fen量liang而er不bu能neng準zhun確que解jie調tiao的de問wen題ti。

在110 kPa下驗證傳感器的溫度靈敏度。在0-80℃範圍內，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/℃。congmouzhongyiyishangshuo，zheshizhengchangde。kaolvzhenkongqiangneicanyuqiyaderepengzhangxiaoyinghuidaozhizhenkongqiangchangduchuxianyixiangbudaodebianhua，zhezaililunfenxizhongbeihulve。yinci
，keyigaijinMEMS傳感器的製作工藝

，降低殘餘氣體壓力的影響，實現較低的溫度靈敏度。

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技術製備的全矽法珀傳感器創新性地實現了內外腔Vernier效應，通過追蹤反射譜的包絡演化，實現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ji術shu實shi現xian的de傳chuan感gan器qi具ju有you良liang好hao的de一yi致zhi性xing，可ke批pi量liang生sheng產chan，為wei實shi現xian產chan品pin工gong業ye化hua奠dian定ding了le基ji礎chu。由you此ci可ke見jian，該gai傳chuan感gan器qi在zai高gao靈ling敏min度du壓ya力li測ce量liang中zhong具ju有you廣guang闊kuo的de應ying用yong前qian景jing和he潛qian力li。

（來源：中電網，作者：代小爽 王雙）

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