２０２１年１月２５日第５卷第２期
现代信息科技
Modern Information Technology
Jan.2021 Vol.5 No.2
35
2021.1
收稿日期：2020-12-15
解涛1，杨志1，2，王文军1，3，吴宇4，刘涛4
（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051；2.专用集成电路重点实验室，河北 石家庄 050051；3.北京麦特达电子技术开发有限公司，北京 100080；4.电子科技大学 信息与通信工程学院，四川 成都 611731）摘 要：针对非本征F-P 干涉仪式光纤声压传感器中的声压敏感薄膜性能提升，
设计并制备了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构。对不同声压敏感薄膜感知声压的性能进行测试。结果表明：声压敏感薄膜的厚度越薄，其声压灵敏度越大，对比400 nm 厚度和1 000 nm 厚度的声压敏感薄膜，发现在相同声压的声波作用下，前者的输出电压比后者大一个数量级。此外，增加增敏环数可以有效地释放应力，降低薄膜的刚性，使得声压传感器的性能有所提升。 关键词：微光电子机械系统；F-P 干涉；光纤传感；声压传感器；增敏结构中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：2096-4706（2021）02-0035-03
瓶花木
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ ｉｎ ＥＦＰＩ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
XIE Tao 1，YANG Zhi 1，2，WANG Wenjun 1，3，WU Yu 4，LIU Tao 4
（1.The 13th Research Institute of CETC ，Shijiazhuang 050051，China ；2.Science and Technology on ASIC Laboratory ，Shijiazhuang
050051，China ；3.Beijing Maiteda Research & Development Company ，Beijing 100080，China ；4.School of Information and
Communication Engineering ，University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 611731，China ）
Abstract ：In order to improve the performance of acoustic pressure sensitive film in extrinsic F-P interferometric fiber optic
acoustic pressure sensor ，the structures of acoustic pressure sensitive films with different thickness and different number of sensitizing rings were designed and fabricated. The performance of different sound pressure sensitive films was tested. The results showed that the thinner the thickness of the sound pressure sensitive film was ，the greater the sound pressure sensitivity was. Compared with the sound pressure sensitive film with 400 nm thickness and 1 000 nm thickness ，it was found that the output voltage of the former is one order of magnitude larger than that of the latter under the same sound pressure. In addition ，increasing the number of sensitizing rings could effectively relieve the stress ，reduce the rigidity of the film and improve the performance of the sound pressure sensor.
Keywords ：MOEMS ；F-P interference ；optical fiber sensing ；acoustic pressure sensor ；sensitization configuration
气瓶推车>稳压二极管封装
0 引 言
基于非本征法珀干涉仪（Extrinsic Fabry-Perot Interfero- meter ，EFPI ）式光纤声压传感器需要构建两个反射面来形成F-P 干涉，膜片式的敏感结构由于其方便制备，灵敏度高等特点常常与光纤端面构成F-P 干涉腔。外界声压信号作用在敏感膜片上，发生微小的形变，这会引起F-P 干涉腔腔长的变化，从而引起干涉光谱的波动，通过检测光谱波动来检测还原外界声波的相关信息。敏感膜片的制备方式很多，其中MEMS 加工工艺以其加工精度高、设计灵活、一致性高、易批量化生产等显著优势成为研究的热点。MEMS 加工工艺是以硅材料作为基础材料，所以加工的膜片敏感结构材料多数为硅、氮化硅或者氧化硅等。在MEMS 加工工艺中，氧化硅薄膜通常采用热氧化和化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition ，CVD ）的方法制备成膜，氮化硅薄膜也可以利用CVD 工艺制作，而硅膜多数是采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法制备得到，因此上述这些材料由于其多种兼容的制备工艺方法被广泛用作敏感膜
片材料[1-3]。目前对膜片式声敏结构相关增敏设计的EFPI 光纤声压传感器报道不多[4-8]。2006年，Guo 等人通过制备多层薄膜复合结构得到基于F-P 干涉的光纤压力传感器，并将其用于血压监测领域[4]。宫奎等人采用MEMS 先进加工工艺，制备了二氧化硅敏感结构同时引入了“波纹”结构，发现“波纹”结构的加入有效地释放了薄膜应力，消除了薄膜应力造成的敏感结构皱褶，可以广泛地应用在基于二氧化硅敏感结构的传感器中[8]。考虑到MEMS 加工工艺对材料的限制和工艺的兼容性，增敏结构多
桥梁应力检测以硅、氧化硅和氮化硅材料为主。
1 EFPI 式光纤声压传感器的基本原理
EFPI 式光纤声压传感器的基本原理是采用光作为声波信息的传输媒介，用光检测出由声波信号引起敏感结构的微小形变，在通过光电转化将声波信号还原成电学信号，从而实现感知声波的功能，其还原过程经历了由声波到机械振动，再到光，最后转化为电参数。本文应用光纤端面和敏感结构作为2个反射面，形成F-P 干涉。
参考双光束干涉了理论模型，对于本文中涉及的EFPI 式声压传感器，其干涉得到的光强可表示为：
DOI:10.19850/jki.2096-4706.2021.02.009
声波敏感薄膜F-P干涉腔
光纤槽
（a）聚焦到表面
（b）聚焦到敏感结构
2 MOEMS敏感结构的实物图
光纤声压传感器的性能测试
声波性能测试原理示意图如图3所示
光源作为光纤声波传感器的入射光源
声波敏感结构和光电探测器连接起来
经过声波敏感结构的反射后重新耦合进光纤最后经过光电探测器转化为电学信号。得到的电学信号经过数据采集卡转化为数字信号，传输到计算机
解调运算，还原声波信息。在测试过程中
声波敏感结构
声波敏感结构
F-P 干涉腔
通气孔
降温母粒光电探测器
环形器
光纤
光源数据采集卡
图3 声压传感器的测试原理示意图
0环
1环
3环
led光源模组
0.070.060.05
0.040.030.020.010.00-0.01-0.02-0.03-0.04-0.05
时间（s ）
0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 （b ）1 000 nm 厚敏感结构
光纤声压传感器时域响应曲线
Sensors and Actuators A ：Physical ，1993，39（3）：191-2003] KÜHNEl W ，HESS G. A silicon condenser microphone with structured back plate and silicon nitride membrane [J].Sensors and Actuators A ：Physical ，1992，30（3）：251-258.
4] GUO D G ，PO S N C ，HOCK F T E ，et al. Design and
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