采用MEMS技术制备的全硅法珀传感器

作者：代小爽 王双

撰稿  天津大学 博士研究生代小爽(论文第一作者)& 王双(通讯作者)

01 导读

近年来，微机电系统(MEMS)技术的发展，为光纤传感领域注入新活力，将其与光纤结合为高灵敏度压力测量提供可能。光纤MEMS法珀传感器具有高一致性、可大批量生产、性能优易稳定等特点。传统解调方法一般可通过快速傅里叶变换结合谱峰追迹法解调得到不同压力下的精确光程差 (OPDs)，但此方法对法珀腔的长度有严格要求，具体表现为：短腔长有利于提高压力灵敏度，但是在经过快速傅里叶变换后，存在频谱分量混叠问题，不利于后续信号的提取和解调。本研究为实现在短真空腔长情况下的高灵敏度压力测量，从Vernier效应的角度出发，提出利用MEMS技术生产的全硅法珀芯片的硅腔和硅/真空混合腔二者光程差匹配，通过追踪光谱包络的演化来实现高灵敏度的压力传感。该研究成果以“High-sensiTIve MEMS Fabry-Perot pressure sensor employing an internal-external cavity Vernier effect”为题发表在光学期刊OpTIcs Express上，第一作者为天津大学博士研究生代小爽，通讯作者为王双副教授。

封面图：硅/真空混合腔反射光谱以及基于内外腔Vernier效应的反射包络光谱。
图源: OpTIcs Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 3)

02 研究背景

法珀复合微腔干涉光谱中，不同频率的余弦信号代表不同微腔的干涉信息，无法直接从复合谱中提取单个微腔的干涉谱进行独立解调。在课题组之前的研究中，使用傅里叶变换将复合微腔的干涉频率分离，根据复合微腔频率谱的频率分量特征，构造带通滤波器，经过傅里叶逆变换滤除掉其他频率分量，只得到其中一个微腔对应的独立干涉光谱，再通过单峰追迹法可以追迹谱峰波长漂移量。但是，当法珀腔长较短时，上述方法不再适用。原因在于，在全光谱范围内，较短腔长的真空腔经过傅里叶变换后得到的低频信号非常接近于直流基频，不利于构造带通滤波器，导致实验结果存在偏差。基于此，考虑了内外腔Vernier效应，设计全硅法珀压力传感器，其中硅腔作为内腔，硅/真空混合腔作为外腔进行光程差匹配，通过跟踪反射谱的包络演化，避免了频域滤波方法的不足，实现了高灵敏压力测量。

03 创新研究

3.1 内外腔Vernier效应理论分析

真空腔压力灵敏度为：



硅/真空混合腔的压力灵敏度为：



其中，m表示干涉级次，L2表示真空腔腔长，n2表示真空腔折射率，L1表示硅腔腔长，n2表示硅腔折射率。

在该全硅法珀传感结构中，硅腔和硅/真空混合腔二者光程差匹配。放大因子为：



反射光谱包络的灵敏度则为：



对设计的传感器在10~300 kPa的压力范围和1500~1600 nm的波长范围内进行仿真测试，得到在真空腔长为30 μm的压力灵敏度和温度灵敏度结果(图2)。

图2 (a)压力范围为10~300 kPa，波长范围为1500~1600 nm下的压力灵敏度;(b) 中心波长1550 nm处的温度灵敏度。
图源: OpTIcs Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 4)3.2 全硅压力传感器的制作与验证

该全硅传感器芯片由两层硅晶圆组成，选用单晶硅厚度为70 μm的 SOI 晶圆片和一片厚度为500 μm双面抛光的单晶硅晶圆片作为原材料，晶圆片的大小均为 4 英寸，晶向均为<100>。为了降低界面结合强度对膜片变形重复性的影响，在SOI晶圆表面进行刻蚀，刻蚀深度为30 μm，顶部硅膜片的厚度为40 μm。如图3所示，为所制备的传感器以及其反射光谱信息。真空腔的低频信号过于接近直接分量基频，不利于其高效提取滤波。基于内外腔Vernier效应的包络峰追踪方法适用于短真空腔，以提高压力灵敏度。

图3 (a)传感器芯片;(b) MEMS压力传感器;(c) 传感器的反射光谱;(d) 傅里叶变换振幅频率曲线。
图源: Optics Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Fig. 5)3.3 高灵敏度压力测量

通过追踪反射谱的包络峰值，可以得到压力值与峰值波长良好的线性关系和-1.028 nm/kPa的压力灵敏度，如图4(a)所示。对短法珀腔长情况下的反射谱包络线进行跟踪，解决了在经过快速傅里叶变换之后，真空腔长的低频信号非常接近于直流分量而不能准确解调的问题。

在110 kPa下验证传感器的温度灵敏度。在0-80℃范围内，反射谱的包络峰值演化如图4(b)所示，温度灵敏度为0.041 nm/℃。从某种意义上说，这是正常的。考虑真空腔内残余气压的热膨胀效应会导致真空腔长度出现意想不到的变化，这在理论分析中被忽略。因此，可以改进MEMS传感器的制作工艺，降低残余气体压力的影响，实现较低的温度灵敏度。

图4 (a) 反射光谱包络峰波长随压力的变化;(b) 反射光谱包络峰波长随温度的变化。图源: Optics Express (2022).https://doi.org/10.1364/OE.469369 (Figs. 8 and 9)

04 应用与展望

综上所述，本工作采用MEMS技术制备的全硅法珀传感器创新性地实现了内外腔Vernier效应，通过追踪反射谱的包络演化，实现了高灵敏的压力测量，重要的是，有效避免了在短法珀腔长情况下频域滤波方法的不足。MEMS技术实现的传感器具有良好的一致性，可批量生产，为实现产品工业化奠定了基础。由此可见，该传感器在高灵敏度压力测量中具有广阔的应用前景和潜力。

05 作者简介

王双(论文通讯作者)副教授/博士生导师王双，天津大学副教授，博士生导师，现任天津市光学学会秘书长，天津市国际科技合作基地“光纤光子学国际联合研究中心”副主任。长期从事光学传感与信号解调、光电检测技术领域的科学研究与技术开发，研究成果作为核心技术2016年获国家技术发明二等奖。在相关研究领域，以第一/通讯作者共发表论文30余篇;以第一发明人申请/授权国家发明专利10余项。主持多项国家级项目，包括：国家自然科学基金面上项目、国家自然科学重点项目课题、国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项子任务等。

代小爽(论文第一作者)博士研究生代小爽，2021年在哈尔滨理工大学光学工程专业获硕士学位，现于天津大学光学工程专业攻读博士学位。目前研究方向为光纤法珀压力传感器。