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，微機電系統（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里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：短腔長有利于提高壓力靈敏度，但是在經過快速傅里葉變換后，存在頻譜分量混疊問題，不利于后續信號的提取和解調。本研究為實現在短真空腔長情況下的高靈敏度壓力測量，從Vernier效應的角度出發，提出利用MEMS技術生產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。
封面圖：硅/真空混合腔反射光譜以及基于內外腔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
法珀復合微腔干涉光譜中，不同頻率的余弦信號代表不同微腔的干涉信息，無法直接從復合譜中提取單個微腔的干涉譜進行獨立解調。在課題組之前的研究中，使用傅里葉變換將復合微腔的干涉頻率分離，根據復合微腔頻率譜的頻率分量特征，構造帶通濾波器，經過傅里葉逆變換濾除掉其他頻率分量，只得到其中一個微腔對應的獨立干涉光譜，再通過單峰追跡法可以追跡譜峰波長漂移量。但是，當法珀腔長較短時，上述方法不再適用。原因在于，在全光譜范圍內，較短腔長的真空腔經過傅里葉變換后得到的低頻信號非常接近于直流基頻，不利于構造帶通濾波器，導致實驗結果存在偏差。基于此，考慮了內外腔Vernier效應，設計全硅法珀壓力傳感器，其中硅腔作為內腔，硅/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：
硅/真空混合腔的壓力靈敏度為：
其中，m表示干涉級次，L2表示真空腔腔長，n2表示真空腔折射率，L1表示硅腔腔長，n2表示硅腔折射率。
在該全硅法珀傳感結構中，硅腔和硅/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的壓力范圍和1500~1600 nm的波長范圍內進行仿真測試，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）壓力范圍為10~300 kPa，波長范圍為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 全硅壓力傳感器的制作與驗證
該全硅傳感器芯片由兩層硅晶圓組成，選用單晶硅厚度為70 μm的 SOI 晶圓片和一片厚度為500 μm雙面拋光的單晶硅晶圓片作為原材料，晶圓片的大小均為 4 英寸，晶向均為<100>。為了降低界面結合強度對膜片變形重復性的影響，在SOI晶圓表面進行刻蝕，刻蝕深度為30 μm，頂部硅膜片的厚度為40 μm。如圖3所示，為所制備的傳感器以及其反射光譜信息。真空腔的低頻信號過于接近直接分量基頻，不利于其高效提取濾波。基于內外腔Vernier效應的包絡峰追蹤方法適用于短真空腔，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） 傅里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系和-1.028 nm/kPa的壓力靈敏度，如圖4（a）所示。對短法珀腔長情況下的反射譜包絡線進行跟蹤，解決了在經過快速傅里葉變換之后，真空腔長的低頻信號非常接近于直流分量而不能準確解調的問題。
在110 kPa下驗證傳感器的溫度靈敏度。在0-80℃范圍內，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/℃。從某種意義上說，這是正常的。考慮真空腔內殘余氣壓的熱膨脹效應會導致真空腔長度出現意想不到的變化，這在理論分析中被忽略。因此，可以改進MEMS傳感器的制作工藝，降低殘余氣體壓力的影響，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技術制備的全硅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技術實現的傳感器具有良好的一致性，可批量生產，為實現產品工業化奠定了基礎。由此可見，該傳感器在高靈敏度壓力測量中具有廣闊的應用前景和潛力。
05 作者簡介
王雙（論文通訊作者）副教授/博士生導師王雙，天津大學副教授，博士生導師，現任天津市光學學會秘書長，天津市國際科技合作基地“光纖光子學國際聯合研究中心”副主任。長期從事光學傳感與信號解調、光電檢測技術領域的科學研究與技術開發，研究成果作為核心技術2016年獲國家技術發明二等獎。在相關研究領域，以第一/通訊作者共發表論文30余篇；以第一發明人申請/授權國家發明專利10余項。主持多項國家級項目，包括：國家自然科學基金面上項目、國家自然科學重點項目課題、國家重點研發計劃重大科學儀器設備開發重點專項子任務等。
代小爽（論文第一作者）博士研究生代小爽，2021年在哈爾濱理工大學光學工程專業獲碩士學位，現于天津大學光學工程專業攻讀博士學位。目前研究方向為光纖法珀壓力傳感器。
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