第30卷第12期2022年6月
Vol.30No.12
Jun.2022光学精密工程
Optics and Precision Engineering
及性能测试方法
王驰，陈伟，孙建美*，郑园成，陈斐璐
（上海大学精密机械工程系，上海200444）
摘要：研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器，以及基于扫频OCT（Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上，设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺，搭建基于SS-OCT的声振测量系统，通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、 声压灵敏度和系统稳定性测量实验，进行传感器的性能测试与标定。结果显示，所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50Hz~4.5kHz，在频率为300Hz时传感器声压灵敏度21.63nm/Pa，信噪比（SNR）为44.1dB，线性度为98.97%，重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行，而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。
关键词：超小GRIN光纤镜头；MEMS；光纤声传感器；SS-OCT
中图分类号：TH741文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20223012.1406
MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens
WANG Chi，CHEN Wei，SUN Jianmei*，ZHENG Yuancheng，CHEN Feilu （Department of Precision Mechanical Engineering，Shanghai University，Shanghai200444，China）*Corresponding author，E-mail：jianmeisun@shu.edu
Abstract：Research is conducted on a micro-electromechanical system（MEMS）fiber optic acoustic sen⁃sor by combining an MEMS diaphragm and ultra-small graded-index（GRIN）fiber optic lens，and a per⁃formance test method of the MEMS fiber optic acoustic sensor based on the s
wept-source optical coher⁃ence tomography（SS-OCT）demodulation system is investigated.The fabrication process of the MEMS optical fiber acoustic sensor combining the MEMS diaphragm and ultra-small GRIN optical fiber lens is de⁃signed and studied on the basis of modeling and analysis，and an acoustic and vibration measurement sys⁃tem based on SS-OCT is constructed.The performance test and calibration of the sensor are performed by conducting measurement experiments of a single-frequency acoustic signal，a mixed-frequency acoustic sig⁃nal，frequency response，sound pressure sensitivity，and system stability.The results show that the fre⁃quency response range of the studied MEMS fiber optic acoustic sensor sample is50Hz-4.5kHz.At a fre⁃quency of300Hz，the sound pressure sensitivity of the sensor is21.63nm/Pa，signal-to-noise ratio is 44.1dB，linearity is98.97%，and repeatability standard deviation is0.003.The studied MEMS optical 文章编号1004-924X（2022）12-1406-12
收稿日期：2022-02-21；修订日期：2022-03-12.
基金项目：国家自然科学基金项目（No.62175144）；上海市科技创新行动计划资助项目（No.20142200100）
贞操权第12期王驰，等：基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法
fiber acoustic sensor is shown to be feasible，and its sensing performance can be effectively measured by us⁃ing the SS-OCT demodulation system.
Key words：ultra-small GRIN fiber lens；MEMS；optical fiber acoustic sensor；SS-OCT
1引言
光纤声传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，在油井防爆、狭长管道气体泄漏检测和高频变压器异响检测等特殊领域有着广阔的应用前景。近年来国内外研究人员在光纤声传感器研究方法和应用方面展开了大量研究。2009年，王永杰等［1］研制了一种基于Michelson 干涉仪的光纤声传感器，用于直升机的探测；2011年，Wang等［2］研制了基于膜片式非本征法布里-珀罗干涉仪（EFPI）光纤声传感器的光声光谱仪，用于乙炔等气体检测；2012年，Sun等［3］研究了一种多模+单膜+多模结构的光强耦合结构的光纤声传感器，用于声波的隔体探测；2014年，天津大学的赵鹏、刘铁根等［4］利用D型毛细管研制了用于水升华器检测的超小尺寸光学声振动传感器，并在此基础上，研发了4通道EFPI声振动传感系统［5］；同年，安徽大学的Xu等［6］研制了一种基于纳米银膜的光纤声传感器，动态压力灵敏度达到160nm/Pa；2018年，Li等［7］研发一种基于铝聚酰亚胺膜片的耐高温光纤声压传感器，并采用了结合Mach-Zenhnder和Sagnac干涉仪的混合解调结构。
光学相干层析（Optical Coherence Tomogra⁃phy，OCT）是一种结合低相干干涉仪和共焦显微技术的
光学层析成像技术。OCT系统的核心是一台Michelson干涉仪，具有高的空间分辨率和灵敏度，可用于微位移、微振动的测量，福州大学的钟舜聪等对此做了大量研究［8-10］，但其研究的OCT系统样品臂为空间离散型，体积大，无法用于微深孔探测。作者课题组在研究超小自聚焦（GRIN）光纤镜头多年工作的基础上［11-13］，将其集成到光纤型扫频OCT系统的样品臂上并搭建了光纤扫频OCT（Swept Source Optical Coher⁃ence Tomography，SS-OCT）测振系统［14］，以纳米位移台为待测目标进行了振动实验测量，验证了该集成化光纤型SS-OCT测振系统的可行性。
将微机电（MEMS）技术与光纤传感技术相结合的MEMS光纤传感器是近年发展起来的新型传感检测技术［15-19］，采用MEMS工艺可以加工出厚度为纳米级别、性能优异的敏感膜片，对于膜片式光纤声传感器的进一步微型化与灵敏化有着巨大研究前景。本文在课题组前期研究超小GRIN光纤镜头和SS-OCT测振技术的基础上，将超小GRIN光纤镜头与MEMS膜片结合构成新型MEMS光纤声传感器，并与光纤型SS-OCT解调技术有机集成，研究基于光纤型SS-OCT解调系统的MEMS光纤声传感器及其性能测试方法。通过对MEMS光纤声传感器进行建模和数值分析，设计并研制基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器样品，搭建基于光纤型SS-OCT解调技术的传感器性能检测系统，进行实验测试以验证传感器及性能测试方法的有效性。
2MEMS光纤声传感器的建模与数值分析
本文研究的MEMS光纤声传感器的模型结构如图1所示。设计的MEMS敏感膜片采用“金薄膜+二氧化硅层+氮化硅层”的复合薄膜结构，直径为1.6mm，厚度为3.3μm。传统的单二氧化硅层薄膜易产生压应力， 多次使用后薄膜表
图1传感器结构示意图
Fig.1Schematic diagram of the sensor structure
1407
第30卷
光学精密工程
面容易起皱并影响传感器的测量精度。氮化硅材料具有强度高、硬度大、尺寸稳定等优点，易产生拉应力，杨氏模量远高于二氧化硅，是一种性能优异的非氧化陶瓷材料。采用二氧化硅与氮化硅双层复合结构不仅保证了薄膜的平整性和强度，而且可大幅度提高薄膜传感器多次使用后的测量精度，通过对薄膜表面溅射金进一步增强MEMS 薄膜表面反射光的能力。光纤陶瓷插芯用于固定超小GRIN 光纤镜头，并且易于用来调节与MEMS 薄膜间的距离。
超小GRIN 光纤镜头模型如图2所示，是由单模光纤（SMF ）、无芯光纤（NCF ）、自聚焦光纤（GRIN ）依次熔接而成。单模光纤与样品臂尾纤熔融连接，具有传光作用；无芯光纤是一种折射率均匀的光纤，光束在其中自由传输可起到克服单模光纤模场直径小的作用；GRIN 光纤是一种折射率渐变光纤，具有自聚焦作用，对来自无芯光纤的光束聚焦输出。超小GRIN 光纤镜头具有聚焦性能好、体积小、易于集成化等优势，可在实现传感器小型化的同时，提高传感器的光学干涉信号强度，进而提高传感器的灵敏度。
MEMS 薄膜的力学模型可以看作是材料匀质、线性、各向同性的弹性体圆形薄膜，在外圆周完全固定的边界条件下表面承受均匀分布的压力P ，当薄膜的中心位移量较小时（通常指位移量小于薄膜厚度的30%）膜片中心挠度与压力关系可近似为线性方程［20］：
Δd =
3r 4(1-ν2)16Eh 3
P ，
（1）
其中：r 为薄膜半径，ν为泊松比，E 为杨氏模量，h 为薄膜厚度，P 为外界压力。
测量灵敏度Y 为：
Y =Δd P =3r 4(1-ν2)
16Eh 3
.
（2）
可见传感器的压强灵敏度与敏感膜片的半
径4次方成正比，与膜片厚度的3次方成反比，在膜片材料选定后，压强测量灵敏度由膜片厚度和半径大小决定。
对于二氧化硅材料，E 为70GPa ，ν为0.17，h 1为3μm 。对于氮化硅材料，E 为250GPa ，ν为0.23，h 2为0.3μm 。r 取800μm ，施加1Pa 的压力，用Comsol 仿真软件进行复合薄膜的压力分析，结果如图3所示，图中不同颜代表不同形变量。imac
图4为薄膜组件沿x 轴向的压力形变量与位置关系图。根据图3和图4，圆薄膜中心形变
量
图2
超小GRIN 光纤镜头模型
Fig.2
Model of ultra -small GRIN fiber
probe
图3
MEMS 膜片压力仿真结果
Fig.3
Pressure stimulation results of the MEMS sensi⁃tive
membrane
图4薄膜形变量与位置关系图
Fig.4
Relationship between form and position
1408
第12期
王驰，等：基于超小GRIN 光纤镜头的MEMS 光纤声传感器及性能测试方法
最大，数值为0.01994μm ，即薄膜的压力灵敏度为19.94nm/Pa 。
3MEMS 光纤声传感器的制作
超小GRIN 光纤镜头是MEMS 光纤声传感
器的关键器件，采用文献［11］的研制系统和方法进行样品制作，其具体熔接切割步骤如图5所示，先将单模光纤熔接上无芯光纤；然后以第一个熔点A 为起点，切割一定长度的无芯光纤；最后再熔接GRIN 光纤，以第二个熔点B 为起点切割一定长度的GRIN 光纤。
MEMS 薄膜衬底选用4英寸双面抛光硅晶片，硅晶片是微纳加工中常用的一种衬底材料，微纳加工工艺成熟，一张4英寸的硅晶片可以一次性加工多张薄膜组件，加工成的多尺寸薄膜如图6所示。考虑到
光学元器件对材料性能的极致要求，MEMS 薄膜组件二氧化硅层采用热氧化二氧化硅，生成的二氧化硅层比较致密，无需进行
高温退火，而且氧化层生成速度较慢从而容易控制二氧化硅层厚度。利用氮化硅和二氧化硅的复合结构以提高传感器薄膜性能，利用陶瓷插芯调整超小GRIN 光纤镜头与MEMS 薄膜之间的距离。
MEMS 光纤声传感器的具体制作流程如图7所示，具体步骤为：（1）准备底材料为双面抛光的4英寸、厚度为0.5mm 的硅晶片（图7（a ））；（2）晶片两面热氧化以生成厚度3μm 的二氧化硅层（图7（b ））；（3）去除掉底部二氧化硅层并在正面用等离子体增强型化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition ，PECVD ）技术生成300nm 的氮化硅层（图7（c ））；（4）在底面硅层旋转涂覆正光刻胶膜（PR ），掩膜板曝光成两端特征，采用深反应离子刻蚀（Deep Reac⁃tive Ion Etching ，DRIE ）对硅层进行刻蚀直至二氧化硅停止层（图7（d ））；（5）用氧等离子刻蚀，对光刻胶进行干法剥离，在内层溅射上一层厚度约
为30nm 的金膜（图7（e ））；（6）在光学显微镜下将超小GRIN 光纤镜头插入陶瓷插芯中，保持出射端面与陶瓷插芯齐平，用光固化树脂对陶瓷插芯与光纤进行固定并完成封装（图7（f ））。
制作封装的MEMS 光纤声传感器头部如图8所示，选用的MEMS 膜片直径为1.6mm ，镜头
端面与膜片距离为500μm ，传感器头部长度为10mm ，直径为2mm
。
图5
超小GRIN 光纤镜头的研制
Fig.5
Development process of ultra -small GRIN optical
fiber
lens
图6MEMS 薄膜照片
Fig.6
Photos of the MEMS541舰
film
图7
传感器制作流程
Fig.7
Manufacturing steps of the sensor
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第30卷
去氧胆酸光学精密工程
4
MEMS 光纤声传感器的性能检
测方法
利用上述方法研制的MEMS 光纤声传感器
样品，构建如图9所示的基于SS -OCT 解调系统的MEMS 光纤声传感器性能检测方法模型。从扫频光源发出的光经分束器传输至样品臂和参考臂，在样品臂中光束经超小GRIN 光纤镜头进行聚焦输出，当外界声音信号传递到膜片上时，MEMS 膜片发生振动，携带声音振动信息的反射光耦合进入超小GRIN 光纤镜头并传输至光纤耦合器。在参考臂中，由平面反射镜返回的光耦合进准直器也传输至光纤耦合器。样品光和参考光在光纤耦合器中干涉，依次经光电平衡探测器和高速数字采集卡，在计算机中进行显示与分析处理。
在扫频OCT 中，利用平衡光电探测器和数
据预处理技术，滤除原始干涉信号中的直流项和自相关项，对有效干涉信号进行等波数采集提取，余下的有效光电流干涉信号为：I V (k ，t )=2I 0(k )r R
∑n =1
N
r
S n
(k )cos [k ·Δn (t )]，（3）
其中：I 0（k
）为入射光强度，r R 为平面镜反射率，r S n （k ）为样品第n 层的反射率，与入射光有关，Δn （t ）为样品第n 层返回光与参考光的光程差。根据维纳-辛钦（Wiener -Khinchin ）定理：一个信号的功率谱密度就是该信号的自相关函数的傅里叶变
换，对此干涉光谱数据进行傅里叶变换，即可实现从波数空间到深度空间的转换［19］。其傅里叶变换表达式如下：
FT -1[I V (k ，t )]=FT -1[W (k ，t )]⊗
ìíîüýþ
12
∑
n =1
N
[S (z n )+S (-z n )]，
（4）
其中：W （k ，t ）是光源的功率谱函数，S （z n ）是样品深度为z n 的位置返回光的幅值，S （-z n ）是S （z n ）的共轭项。
曾泽生MEMS 薄膜反射光与参考光的光程差为Δ（t ），调整参考光路使此时薄膜位于零光程差处，薄膜振动情况下，其绝对振动位移Δd 会发生变化，Δ（t ）=2n Δd 。n 为腔内介质的折射率（空气中n =1），所以得到有效干涉光强表达式为：
I V (k ，t )=2I 0(k )r R r S (k )cos [k ·2Δd ].（5）
directdraw当信号发生器发射一个固定频率与振幅的正弦声音信号时，声波波动引起大气压强的变化，声压随时间做稳态的简谐振荡变化，瞬时声压表达式为：
P =P a cos (2πft +θ)，
（6）
其中P a 为振幅即是峰值声压。将式（1）、（6）带入（5）中可得：
I V (k ，t )=2I 0(k )r R r S (k )·
cos ìíîüýþ
2k 3r 4(1-ν2)16Eh 3
[P a
cos (2πft +θ)].（7）
由式（7）可得，固定信号发生器发射正弦声波引起薄膜激励振动，每个时间点各自对应着一个干涉信号。根据维纳-辛钦定理，将这个干涉信号进行傅里叶变换，即可实现波数空间到深度
空间的转换，就能得到相应时间点的位置信息。记录一段时间的干涉信号，将对应时间点的位置信息连成曲线便是薄膜的振动位移曲线。对
薄
图8传感器头部图
Fig.8
Image of the sensor
head
图9基于SS -OCT 解调系统的传感器性能检测模型Fig.9
Sensor performance detection model based on SS -OCT demodulation system
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