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基于凸台膜的MEMS光纤压力传感器
摘要:提出了一种基于凸台膜的MEMS光纤压力传感器。基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理阐述了传感器的工作原理。仿真验证了凸台膜的力学模型和信号平均效应，证明凸台膜在平行度上优于平面膜，可以减小信号平均效应。实验结果表明，台面结构传感器具有良好的线性度和灵敏度。
1.引言
近年来，利用MEMS技术，提出并制作了多种基于法布里-珀罗干涉的MEMS光纤传感器。与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、抗恶劣环境和复用能力强等优点。目前通常采用平面膜来形成F-P腔，例如在玻璃衬底上粘接一个硅膜片，并在玻璃衬底上刻蚀一个空腔。这些F-P腔压力传感器的一个主要缺陷是：在受到外部压力时，由于周边固定，膜片的非平面偏转导致器件性能下降。迄今为止已经提出了两种替代技术来解决这个问题。其中一种将反射镜的非平面度降到最小的方法是最大限度地增加动镜与固定镜的面积比，从而使传感元件的大小最大化。另一种可供选择的平面度增强技术是在偏转膜片上形成波纹。
为了提高膜片的平面度，本文设计并制作了一种带有凸台膜的光纤传感器。分析有限元模型(FEM)仿真结果表明，台面结构可以达到平面度增强的效果，因此可以大大降低台面结构压力传感器的信号平均效应。对传感器进行基于傅里叶变换的相位解调。实验结果表明，该传感器具有较好的线性度和良好的性能。
2.理论分析
2.1机械分析
图1.MEMS光纤压力传感器示意图
如图1所示，这种F-P腔压力传感元件包括两个主要部件:用作动镜的凸台膜和用作固定镜的光纤，F-P腔动镜和固定镜之间有气隙。光从光纤引入到传感器中。一部分入射光直接被光纤端面反射，另一部分进入传感器并由空气-硅界面反射。反射光会互相干扰。当压力作用到硅膜片上时，由于硅膜片的偏转，F-P腔深度将发生改变。F-P腔内的光程差变化导致传感器的相位发生变化。通过测量反射光谱的偏移，可以很容易地知道外加压力。
凸台膜的截面结构如图2所示。考虑圆形膜片半径为a，厚度为h1时，台面半径为b，厚度为h2。E是杨氏模量，v是泊松比，P是外加压力。由于圆形膜片的结构中断，膜片的厚度发生了突变。这些微分方程如下:
图2.凸台膜的截面结构
（1）
（2）
（3）
由上式可知
（4）
（5）
其中是从0到b的挠度，是从b到a的挠度，r是从任意点到圆心的距离。
膜片的最大挠度如下:
（6）
我们选择a=1650um，b=500um，h2=120um，杨氏模量E=160GPa，泊松比v=0.22。压力测量范围从0到2MPa。凸台膜的变形是用ANSYS模拟的，如图3所示。
图3.凸台膜的变形
图4通过ANSYS模拟了两层膜的变形情况。水平轴表示直径方向，纵轴表示挠度。通过对两个图形的比较，我们发现台面结构中心位置的挠度比平面结构的挠度平坦。因此，可以产生更有效的偏转，并能满足对高平行性的要求。
。
图4（a） 图4（b）
图4.凸台膜与平面膜的比较.图4（a）凸台膜形变情况.图4（b）平面膜形变情况
2.2信号平均效应
由于膜片在半径方向上的偏转不完全相同，对应位置的反射率也不完全相同。我们用求和法求得了给定间隙的F-P腔的平均反射率。具体的方法是将半径r划分为阶跃单元，同一半径圆环内的反射率相同，然后将各圆环的反射率求和得到实际反射率。加权平均响应为：
（7）
其中R（g）表示F-P腔的反射率，A（g）表示面积，g=r/阶数。F-P腔的实际反射率为:。
图5.常规平面结构和台面结构F-P腔的SAE评估
图5显示了采用传统平面膜和所提出的凸台膜时，膜片中心处反射率与外加压力的关系。很明显，带有平面膜的F-P腔的反射率不是完全规则的正弦变化，并且有衰减的趋势，这是由偏转膜片的不均匀偏转引起的信号平均效应。然而，可以清楚地看到，使用台面结构可以大大减少信号平均效应。
- 制作方法
在本论文中，我们采用表面和体积MEMS技术来制作传感元件。
图6显示了制造的工艺步骤。
图6.制作方法
（1）在硅片两侧生长二氧化硅层，然后使用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积氮化硅(图6(a))。
（2）采用反应离子刻蚀(RIE)和光刻技术去除和，并在上侧选择性地开一个由厚光刻胶保护的窗口(图6(b))。
（3）在形成台面时，采用化学各向异性腐蚀的方法对硅进行刻蚀(图6(c))。
（4）用RIE蚀刻去除上侧和下侧的和(图6(d))。
（5）凸台膜通过阳极键结合到玻璃环上(图6(e))。
图7显示了由RIE和各向异性蚀刻硅制作的凸台的SEM照片。
图7.凸台膜的SEM照片 图8.传感器样品
最后，采用环氧法将制作好的结构粘接在光纤板法兰上。因为法兰的螺钉不能承受2MPa的压力，为了防止漏油，用环氧胶粘贴在板法兰的四个螺钉上。然后，在板法兰上插入一个光纤塞，形成F-P腔。玻璃环内径为3.3mm，玻璃环外径为5.3mm，膜片厚度约180m。板法兰是整个法兰的一半，直径为6毫米。传感器的样品如图8所示。
- 传感器的测量
图9显示了传感器的测量系统。光学传感分析仪(MIO-720)用于传感器的实时解调。用于照射传感器的扫描激光器提供在1510到1590纳米之间的输出波长。入射光和反射光的光谱同时被扫描，数据通过网络传输到计算机。
图9.传感器的测量系统
图10显示了平面膜和凸台膜的压力与反射率曲线。对于平面膜的情况(图10(a))，随着外加压力的增加，光学响应的信号平均效应占主导地位，这是由偏转膜片的不均匀偏转引起的，因而降低了解调的精度。
图10（a） 图10（b）
图10.压力与反射率关系（a）平面膜（b）凸台膜
图11显示了传感器腔体与压力变化关系的实验结果。拟合线L=217.3024-1.7112*P，线性度为0.9%，灵敏度(即腔体/压力的变化)为1.707um/MPa。图12显示了传感器的重复性，其中1，2，3，4分别表示了两天间上午和下午的结果。结果表明，该传感器具有良好的重复性和性能。
图11.实验结果图 图12.传感器的重复性
- 结论
设计、制作了一种新型的台面结构膜片式压力传感器，并对其进行了性能测试。介绍了该传感器的工作原理。通过理论分析和实验测试对器件的性能进行了评价。结果显示平面度增强的膜片结构大大降低了凸台膜压力传感器的信号平均效应。由于提出的F-P腔采用MEMS技术，可以大批量生产，并可用于石油化工等易燃易爆场合。
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