1、基于超小GRIN光纖鏡頭的MEMS光纖聲傳感器及性能測試方法光纖聲傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等特點(diǎn)，在油井防爆、狹長管道氣體泄漏檢測和高頻變壓器異響檢測等特殊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來國內(nèi)外研究人員在光纖聲傳感器研究方法和應(yīng)用方面展開了大量研究。2022年，王永杰等1研制了一種基于Michelson干涉儀的光纖聲傳感器，用于直升機(jī)的探測；2022年，Wang等2研制了基于膜片式非本征法布里-珀羅干涉儀（EFPI）光纖聲傳感器的光聲光譜儀，用于乙炔等氣體檢測；2022年，Sun等3研究了一種多模+單膜+多模結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)的光纖聲傳感器，用于聲波的隔體探測；2022年，天津大學(xué)

2、的趙鵬、劉鐵根等4利用D型毛細(xì)管研制了用于水升華器檢測的超小尺寸光學(xué)聲振動傳感器，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了4通道EFPI聲振動傳感系統(tǒng)5；同年，安徽大學(xué)的Xu等6研制了一種基于納米銀膜的光纖聲傳感器，動態(tài)壓力靈敏度達(dá)到160 nm/Pa；2022年，Li等7研發(fā)一種基于鋁聚酰亞胺膜片的耐高溫光纖聲壓傳感器，并采用了結(jié)合Mach-Zenhnder和Sagnac干涉儀的混合解調(diào)結(jié)構(gòu)。光學(xué)相干層析（Optical Coherence Tomography， OCT）是一種結(jié)合低相干干涉儀和共焦顯微技術(shù)的光學(xué)層析成像技術(shù)。OCT系統(tǒng)的核心是一臺Michelson干涉儀，具有高的空間分辨率和靈敏度，可用于微

3、位移、微振動的測量，福州大學(xué)的鐘舜聰?shù)葘Υ俗隽舜罅垦芯?-10，但其研究的OCT系統(tǒng)樣品臂為空間離散型，體積大，無法用于微深孔探測。課題組在研究超小自聚焦（GRIN）光纖鏡頭多年工作的基礎(chǔ)上11-13，將其集成到光纖型掃頻OCT系統(tǒng)的樣品臂上并搭建了光纖掃頻OCT（Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）測振系統(tǒng)14，以納米位移臺為待測目標(biāo)進(jìn)行了振動實(shí)驗(yàn)測量，驗(yàn)證了該集成化光纖型SS-OCT測振系統(tǒng)的可行性。將微機(jī)電（MEMS）技術(shù)與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合的MEMS光纖傳感器是近年發(fā)展起來的新型傳感檢測技術(shù)15-19，采用MEMS工藝可以加

4、工出厚度為納米級別、性能優(yōu)異的敏感膜片，對于膜片式光纖聲傳感器的進(jìn)一步微型化與靈敏化有著巨大研究前景。本文在課題組前期研究超小GRIN光纖鏡頭和SS-OCT測振技術(shù)的基礎(chǔ)上，將超小GRIN光纖鏡頭與MEMS膜片結(jié)合構(gòu)成新型MEMS光纖聲傳感器，并與光纖型SS-OCT解調(diào)技術(shù)有機(jī)集成，研究基于光纖型SS-OCT解調(diào)系統(tǒng)的MEMS光纖聲傳感器及其性能測試方法。通過對MEMS光纖聲傳感器進(jìn)行建模和數(shù)值分析，設(shè)計(jì)并研制基于超小GRIN光纖鏡頭的MEMS光纖聲傳感器樣品，搭建基于光纖型SS-OCT解調(diào)技術(shù)的傳感器性能檢測系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試以驗(yàn)證傳感器及性能測試方法的有效性。2 MEMS光纖聲傳感器的建模

5、與數(shù)值分析本文研究的MEMS光纖聲傳感器的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)的MEMS敏感膜片采用“金薄膜+二氧化硅層+氮化硅層”的復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，直徑為1.6 mm，厚度為3.3 m。傳統(tǒng)的單二氧化硅層薄膜易產(chǎn)生壓應(yīng)力，多次使用后薄膜表面容易起皺并影響傳感器的測量精度。氮化硅材料具有強(qiáng)度高、硬度大、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，易產(chǎn)生拉應(yīng)力，楊氏模量遠(yuǎn)高于二氧化硅，是一種性能優(yōu)異的非氧化陶瓷材料。采用二氧化硅與氮化硅雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅保證了薄膜的平整性和強(qiáng)度，而且可大幅度提高薄膜傳感器多次使用后的測量精度，通過對薄膜表面濺射金進(jìn)一步增強(qiáng)MEMS薄膜表面反射光的能力。光纖陶瓷插芯用于固定超小GRIN光纖鏡頭，并且易于用來

6、調(diào)節(jié)與MEMS薄膜間的距離。圖1傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the sensor structure超小GRIN光纖鏡頭模型如圖2所示，是由單模光纖（SMF）、無芯光纖（NCF）、自聚焦光纖（GRIN）依次熔接而成。單模光纖與樣品臂尾纖熔融連接，具有傳光作用；無芯光纖是一種折射率均勻的光纖，光束在其中自由傳輸可起到克服單模光纖模場直徑小的作用；GRIN光纖是一種折射率漸變光纖，具有自聚焦作用，對來自無芯光纖的光束聚焦輸出。超小GRIN光纖鏡頭具有聚焦性能好、體積小、易于集成化等優(yōu)勢，可在實(shí)現(xiàn)傳感器小型化的同時，提高傳感器的光學(xué)干涉信號強(qiáng)度，進(jìn)而提高傳感器

7、的靈敏度。圖2超小GRIN光纖鏡頭模型Fig.2Model of ultra-small GRIN fiber probeMEMS薄膜的力學(xué)模型可以看作是材料勻質(zhì)、線性、各向同性的彈性體圓形薄膜，在外圓周完全固定的邊界條件下表面承受均勻分布的壓力P，當(dāng)薄膜的中心位移量較小時（通常指位移量小于薄膜厚度的30%）膜片中心撓度與壓力關(guān)系可近似為線性方程20：d=3r4(1)216Eh3P（1）其中：r為薄膜半徑，為泊松比，E為楊氏模量，h為薄膜厚度，P為外界壓力。測量靈敏度Y為：Y=dP=3r4(1)216Eh3（2）可見傳感器的壓強(qiáng)靈敏度與敏感膜片的半徑4次方成正比，與膜片厚度的3次方成反比，在膜

8、片材料選定后，壓強(qiáng)測量靈敏度由膜片厚度和半徑大小決定。對于二氧化硅材料，E為70 GPa，為0.17，h1為3 m。對于氮化硅材料，E為250 GPa，為0.23，h2為0.3 m。r取800 m，施加1 Pa的壓力，用Comsol仿真軟件進(jìn)行復(fù)合薄膜的壓力分析，結(jié)果如圖3所示，圖中不同顏色代表不同形變量。圖3MEMS膜片壓力仿真結(jié)果Fig.3Pressure stimulation results of the MEMS sensitive membrane圖4為薄膜組件沿x軸向的壓力形變量與位置關(guān)系圖。根據(jù)圖3和圖4，圓薄膜中心形變量最大，數(shù)值為0.019 94 m，即薄膜的壓力靈敏度為1

9、9.94 nm/Pa。圖4薄膜形變量與位置關(guān)系圖Fig.4Relationship between form and position3 MEMS光纖聲傳感器的制作超小GRIN光纖鏡頭是MEMS光纖聲傳感器的關(guān)鍵器件，采用文獻(xiàn)11的研制系統(tǒng)和方法進(jìn)行樣品制作，其具體熔接切割步驟如圖5所示，先將單模光纖熔接上無芯光纖；然后以第一個熔點(diǎn)A為起點(diǎn)，切割一定長度的無芯光纖；最后再熔接GRIN光纖，以第二個熔點(diǎn)B為起點(diǎn)切割一定長度的GRIN光纖。圖5超小GRIN光纖鏡頭的研制Fig.5Development process of ultra-small GRIN optical fiber lensME

10、MS薄膜襯底選用4英寸雙面拋光硅晶片，硅晶片是微納加工中常用的一種襯底材料，微納加工工藝成熟，一張4英寸的硅晶片可以一次性加工多張薄膜組件，加工成的多尺寸薄膜如圖6所示。考慮到光學(xué)元器件對材料性能的極致要求，MEMS薄膜組件二氧化硅層采用熱氧化二氧化硅，生成的二氧化硅層比較致密，無需進(jìn)行高溫退火，而且氧化層生成速度較慢從而容易控制二氧化硅層厚度。利用氮化硅和二氧化硅的復(fù)合結(jié)構(gòu)以提高傳感器薄膜性能，利用陶瓷插芯調(diào)整超小GRIN光纖鏡頭與MEMS薄膜之間的距離。圖6MEMS薄膜照片F(xiàn)ig.6Photos of the MEMS filmMEMS光纖聲傳感器的具體制作流程如圖7所示，具體步驟為：（1

11、）準(zhǔn)備底材料為雙面拋光的4英寸、厚度為0.5 mm的硅晶片（圖7（a）；（2）晶片兩面熱氧化以生成厚度3 m的二氧化硅層（圖7（b）；（3）去除掉底部二氧化硅層并在正面用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition， PECVD）技術(shù)生成300 nm的氮化硅層（圖7（c）；（4）在底面硅層旋轉(zhuǎn)涂覆正光刻膠膜（PR），掩膜板曝光成兩端特征，采用深反應(yīng)離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching， DRIE）對硅層進(jìn)行刻蝕直至二氧化硅停止層（圖7（d）；（5）用氧等離子刻蝕，對光刻膠進(jìn)行干法剝離，在內(nèi)層濺射上一層厚度

12、約為30 nm的金膜（圖7（e）；（6）在光學(xué)顯微鏡下將超小GRIN光纖鏡頭插入陶瓷插芯中，保持出射端面與陶瓷插芯齊平，用光固化樹脂對陶瓷插芯與光纖進(jìn)行固定并完成封裝（圖7（f）。圖7傳感器制作流程Fig.7Manufacturing steps of the sensor制作封裝的MEMS光纖聲傳感器頭部如圖8所示，選用的MEMS膜片直徑為1.6 mm，鏡頭端面與膜片距離為500 m，傳感器頭部長度為10 mm，直徑為2 mm。圖8傳感器頭部圖Fig.8Image of the sensor head4 MEMS光纖聲傳感器的性能檢測方法利用上述方法研制的MEMS光纖聲傳感器樣品，構(gòu)建如圖9

13、所示的基于SS-OCT解調(diào)系統(tǒng)的MEMS光纖聲傳感器性能檢測方法模型。從掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)分束器傳輸至樣品臂和參考臂，在樣品臂中光束經(jīng)超小GRIN光纖鏡頭進(jìn)行聚焦輸出，當(dāng)外界聲音信號傳遞到膜片上時，MEMS膜片發(fā)生振動，攜帶聲音振動信息的反射光耦合進(jìn)入超小GRIN光纖鏡頭并傳輸至光纖耦合器。在參考臂中，由平面反射鏡返回的光耦合進(jìn)準(zhǔn)直器也傳輸至光纖耦合器。樣品光和參考光在光纖耦合器中干涉，依次經(jīng)光電平衡探測器和高速數(shù)字采集卡，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示與分析處理。圖9基于SS-OCT解調(diào)系統(tǒng)的傳感器性能檢測模型Fig.9Sensor performance detection model based o

14、n SS-OCT demodulation system在掃頻OCT中，利用平衡光電探測器和數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，濾除原始干涉信號中的直流項(xiàng)和自相關(guān)項(xiàng)，對有效干涉信號進(jìn)行等波數(shù)采集提取，余下的有效光電流干涉信號為：IV(k,t)=2I0(k)rRn=1NrSn(k)coskn(t)（3）其中：I0（k）為入射光強(qiáng)度，rR為平面鏡反射率，rSn（k）為樣品第n層的反射率，與入射光有關(guān)，n（t）為樣品第n層返回光與參考光的光程差。根據(jù)維納-辛欽（Wiener-Khinchin）定理：一個信號的功率譜密度就是該信號的自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，對此干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，即可實(shí)現(xiàn)從波數(shù)空間到深度空間的轉(zhuǎn)換

15、19。其傅里葉變換表達(dá)式如下：FT1IV(k,t)=FT1W(k,t)12n=1NS(zn)+S(zn),（4）其中：W（k，t）是光源的功率譜函數(shù)，S（zn）是樣品深度為zn的位置返回光的幅值，S（-zn）是S（zn）的共軛項(xiàng)。MEMS薄膜反射光與參考光的光程差為（t），調(diào)整參考光路使此時薄膜位于零光程差處，薄膜振動情況下，其絕對振動位移d會發(fā)生變化，（t）=2nd。n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率（空氣中n=1），所以得到有效干涉光強(qiáng)表達(dá)式為：IV(k,t)=2I0(k)rRrS(k)cosk2d（5）當(dāng)信號發(fā)生器發(fā)射一個固定頻率與振幅的正弦聲音信號時，聲波波動引起大氣壓強(qiáng)的變化，聲壓隨時間做穩(wěn)態(tài)的簡

16、諧振蕩變化，瞬時聲壓表達(dá)式為：P=Pacos(2ft+)（6）其中Pa為振幅即是峰值聲壓。將式（1）、（6）帶入（5）中可得：IV(k,t)=2I0(k)rRrS(k)cos2k3r4(12)16Eh3Pacos(2ft+)（7）由式（7）可得，固定信號發(fā)生器發(fā)射正弦聲波引起薄膜激勵振動，每個時間點(diǎn)各自對應(yīng)著一個干涉信號。根據(jù)維納-辛欽定理，將這個干涉信號進(jìn)行傅里葉變換，即可實(shí)現(xiàn)波數(shù)空間到深度空間的轉(zhuǎn)換，就能得到相應(yīng)時間點(diǎn)的位置信息。記錄一段時間的干涉信號，將對應(yīng)時間點(diǎn)的位置信息連成曲線便是薄膜的振動位移曲線。對薄膜振動時域信號進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換就可以得到膜片振動頻率和在該頻率下的振動幅值。膜片振動

17、頻率即是聲音源的振動頻率信息，振動幅值即為薄膜中心點(diǎn)最大撓度，即最大形變量。5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析基于上述分析，搭建如圖10所示的測試系統(tǒng)，主要有掃頻光源（HSL-20-50-B）、信號發(fā)生器（RIGOL-DG812）、音箱（IBASS-M10D）、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、位置調(diào)整平臺、MEMS光纖聲傳感器、標(biāo)準(zhǔn)聲級計(jì)、準(zhǔn)直器、平面反射器、滑動導(dǎo)軌、光電平衡探測器（PDB470C-AC）、高速采集卡（ATS9870-003）和計(jì)算機(jī)等。工作方法為：由掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)過分束器，一束進(jìn)入?yún)⒖急?，一束進(jìn)入樣品臂中。進(jìn)入樣品臂中的光傳輸至超小光纖鏡頭，經(jīng)過超小光纖鏡頭垂直入射到鍍金的MEMS膜片上，

18、反射光耦合進(jìn)入超小光纖鏡頭傳輸至光纖耦合器。進(jìn)入?yún)⒖急鄣墓庹丈涞狡矫骁R上，返回的光和MEMS膜片反射的光在光纖耦合器處發(fā)生干涉。當(dāng)信號發(fā)生器發(fā)出一定頻率正弦波驅(qū)動音箱發(fā)聲引起薄膜振動，帶有振動信息的干涉信號將發(fā)生變化并由光電探測器接收，再通過數(shù)據(jù)采集卡采集傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。聲壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)由信號發(fā)生器、揚(yáng)聲器、標(biāo)準(zhǔn)聲壓計(jì)構(gòu)成，其中通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸入電壓，經(jīng)揚(yáng)聲器輸出得到不同聲壓的聲音信號，標(biāo)準(zhǔn)聲壓計(jì)用于測試校準(zhǔn)MEMS光纖聲傳感器在該條件下所受外界聲壓值的大小，用于MEMS光纖聲傳感器的靈敏度標(biāo)定。圖10MEMS光纖聲傳感器性能測試系統(tǒng)Fig.10Performance test sy

19、stem of MEMS optical fiber acoustic sensor5.1單頻聲波信號測試實(shí)驗(yàn)為了探究研制的MEMS光纖聲傳感器和SS-OCT解調(diào)系統(tǒng)對單頻聲波信號的響應(yīng)性能，調(diào)整信號發(fā)生器輸入一個電壓2.0 V、頻率300 Hz的正弦波，進(jìn)行單頻測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，圖11（a）為所測時域信號，圖11（b）為經(jīng)過FFT的功率密度圖像，得到信噪比（SNR）為44.1 dB，信噪比較高。保持電壓不變分別輸入頻率1 kHz、2 kHz、3 kHz和4 kHz的正弦聲波，實(shí)驗(yàn)得到頻譜圖如圖12所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，傳感器可以有效地探測不同頻率的單頻聲波信號。圖11聲音頻率為

20、300 Hz下的單頻測試Fig.11Single frequency test under 300 Hz acoustic frequency圖12單頻響應(yīng)頻譜圖Fig.12Single frequency response spectrogram5.2混頻聲波信號測試實(shí)驗(yàn)為探究該傳感器對混頻聲波信號的響應(yīng)能力，在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別進(jìn)行雙頻和三頻聲波信號測試。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸入一個電壓為2.0 V，頻率為100 Hz+300 Hz的混頻聲波信號，對傳感器進(jìn)行混頻測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，圖13（a）為所測時域信號，圖13（b）為對應(yīng)頻譜圖。圖13100 Hz+300 Hz雙頻測試Fig.

21、13Test under 100 Hz and 300 Hz mixed frequency保持輸入電壓不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器分別輸入1 kHz+2 kHz，2 kHz+4 kHz雙頻聲波信號，實(shí)驗(yàn)得到頻譜圖如圖14所示。圖14雙頻信號頻譜圖Fig.14Frequency spectrum of dual-frequency signal保持輸入電壓不變，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸入2 kHz+3 kHz+4 kHz三頻聲波信號，實(shí)驗(yàn)得到頻譜圖如圖15所示。圖152 kHz+3 kHz+4 kHz 三頻信號頻譜圖Fig.15Frequency spectrum of tri-band signal und

22、er 1 kHz，2 kHz and 3 kHz mixed frequency由上述混頻實(shí)驗(yàn)可以得到，自行研制的聲傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)至少三個頻率的多頻聲波信號的同時探測。由圖14和圖15可以看出，在輸入信號為高頻混合聲波信號時，都會在100 Hz左右出現(xiàn)微弱雜頻，這可能是高頻混波狀態(tài)下，該音箱存在的固有發(fā)聲限制而導(dǎo)致低頻段微弱雜音的出現(xiàn)。5.3頻率響應(yīng)測量實(shí)驗(yàn)傳感器頻率響應(yīng)特性是MEMS光纖聲傳感器的一個重要指標(biāo)，頻率響應(yīng)特性曲線的好壞也直接反應(yīng)了傳感器性能的優(yōu)劣。保持信號發(fā)生器輸入電壓2.0 V恒定，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸入信號頻率，以100 Hz為間隔在05 kHz進(jìn)行了頻響測試，實(shí)測頻響特性曲線

23、如圖16所示。圖16頻率響應(yīng)特性曲線Fig.16Frequency response characteristic of the sensor由圖16可以看出，自制的MEMS光纖聲傳感器頻率響應(yīng)主峰在4.2 kHz左右，頻率響應(yīng)范圍為50 Hz4.5 kHz，在50 Hz1 kHz頻段，響應(yīng)較為平坦，可用于該頻段下的聲音測量。5.4聲壓靈敏度測量實(shí)驗(yàn)聲壓靈敏度反映了MEMS光纖聲傳感器在某個頻率下對聲壓變化的響應(yīng)能力。固定信號發(fā)生器頻率為300 Hz，以0.2 V為間隔，調(diào)節(jié)電壓從0.2 V到1.4 V，用標(biāo)準(zhǔn)聲壓計(jì)記錄測得聲壓值，連續(xù)4天測量記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1，MEMS光纖聲振動傳感器聲壓

24、靈敏度擬合直線，如圖17所示。表1傳感器聲壓靈敏度Tab.1Sound pressure sensitivity of the sensorVoltage/VPressure/PaAmplitude/m1st day2nd day3rd day4th day0.200.259.2210.0110.2210.230.400.3911.6412.2311.5812.130.600.6316.5316.5216.9116.830.800.8921.0322.3223.2419.481.001.1226.9227.8328.1728.621.201.2630.9231.0332.2231.431.40

25、1.4134.3233.2134.2235.63圖17光纖聲壓傳感器聲壓響應(yīng)性能Fig.17Acoustic pressure response performance of the optical fiber acoustic pressure sensor從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)聲壓不斷增大時，薄膜振動幅值隨之增大，在薄膜形變量的30%（1 m）內(nèi)，MEMS光纖聲傳感器具有良好的線性響應(yīng)性能。對連續(xù)4天測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可以得到其線性度分別為99.43%、99.36%、99.44%、97.36%，平均線性度為98.97%，線性擬合斜率即傳感器的聲壓靈敏度分別為21.80 nm/Pa、20.80 nm/Pa、21.86 nm/Pa、22.05 nm/Pa，平均聲壓靈敏度為21.63 nm/Pa，擬合直線的表達(dá)式為y=21.63x+3.51。聲壓靈敏度21.63 nm/Pa與仿真值19.94 nm/Pa基本一致，誤差主要來源于膜厚加工精度與MEMS薄膜中心對準(zhǔn)精度。5.5系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是否穩(wěn)定決