基于MEMS声敏结构的光纤声波传感器_王文军.pdf

2023年第47卷第4期78扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器oudspeaker and MicrophoneL文献引用格式：王文军，刘钰，解涛，等.基于 MEMS 声敏结构的光纤声波传感器 J.电声技术，2023，47（4）：78-81.WANG W J，LIU Y，XIE T，et al.Fiber optic acoustic sensor based on MEMS acoustic sensing structureJ.Audio Engineering，2023，47（4）：78-81.中图分类号：TP212.16；TN253 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.022基于 MEMS 声敏结构的光纤声波传感器王文军1，2，刘 钰3，解 涛1，吴 宇3（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051；2.北京麦特达电子技术开发有限公司，北京 100080；3.电子科技大学 信息与通信工程学院，四川 成都 611731）摘要：基于微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS）工艺加工声波敏感结构，将声波敏感结构与光纤端面构成非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪（ExtrinsicFabry-PerotInterferometer，EFPI）感知声波。研究了不同厚度和不同增敏环数的声压敏感薄膜结构对声波探测性能的差异，对比了信噪比测试结果。实验结果表明，针对 400nm 和 1000nm 厚度的声敏薄膜，在相同的测试条件下，前者的声敏结构位移更大、频率响应的信噪比更高。在相同薄膜厚度条件下，具有增敏结构的 MEMS 薄膜可以释放薄膜的初始应力，降低薄膜的刚性，相比无增敏结构的 MEMS 薄膜具有更高的灵敏度。关键词：微机电系统（MEMS）；氧化硅薄膜；非本征型光纤法布里-珀罗干涉仪（EFPI）；增敏结构Fiber Optic Acoustic Sensor Based on MEMS Acoustic Sensing StructureWANGWenjun1,2,LIUYu3,XIETao1,WUYu3(1.The13thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050051,China;2.BeijingMaitedaResearch&DevelopmentCompany,Beijing100080,China;3.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,UESTC,Chengdu611731,China)Abstract:BasedonMicroElectroMechanicalSystem(MEMS)technology,theacousticsensitivestructureandtheendfaceofopticalfiberformanExtrinsicFabry-PerotInterferometer(EFPI)tosenseacousticwaves.Thedifferencesofsounddetectionperformanceofsoundpressuresensitivefilmstructureswithdifferentthicknessanddifferentnumberofsensitizingringsarestudied,andthesignal-to-noiseratiotestresultsarecompared.Theexperimentalresultsshowthat,underthesametestconditions,foracousticsensitivefilmswiththicknessof400nmand1000nm,thedisplacementofacousticsensitivestructureoftheformerislargerandthesignal-to-noiseratiooffrequencyresponseishigher.Undertheconditionofthesamefilmthickness,theMEMSfilmwithsensitizationstructurecanreleasetheinitialstressofthefilmandreducetherigidityofthefilm,whichhashighersensitivitythantheMEMSfilmwithoutsensitizationstructure.Keywords:MicroElectroMechanicalSystem(MEMS);siliconoxidefilm;ExtrinsicFabry-PerotInterferometer(EFPI);sensitizationstructure0 引 言基于非本征光纤法布里-珀罗干涉仪（Extrinsic Fabry-Perot Interferometer，EFPI）的传感器具有体积小、灵敏度高、可批量化生产等特点，一直是光纤传感研究的焦点领域。当外界声波信号作用在声敏结构上时，声敏结构在声波作用下会发生微小形变，将外界声波信号的变化转换为 F-P 腔的腔长变化，并通过后续的光电转换、信号解调与处理来还原外界声波信号，最终实现声波传感的目的。构建的 F-P 干涉腔的一个反射面是声敏结构，也是传感器的换能元件，影响传感器性能的因素主要是换能元件的力学参数和光学反射率1-2。为了满足对微小声波信号的探测需求，声波传感器需要在灵作者简介：王文军（1974），男，本科，高级工程师，研究方向为微波及光电。2023年第47卷第4期79Loudspeaker and MicrophonE扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器敏度、信噪比以及声压过载点等声学指标之间平衡。2011 年，HUANG C H 等人利用金属铝作为敏感结构，并将设计的增敏结构加入敏感结构中，制备了检测电容变化的声波传感器3。由于增敏结构的加入，其性能得到了明显的优化。2013 年，MA J 等人提出了多层石墨烯膜作为声敏结构的 EFPI型光纤声波传感器4，该传感器具有优良的音频性能。文章利用微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工艺，采用氧化硅薄膜作为传感器的敏感结构，设计不同厚度、不同增敏结构的声波敏感结构，研究其作为声压传感器核心敏感元件对声波信号的响应性能。1 MEMS 光纤声波传感器的基本原理基于 MEMS 技术的 EFPI 式光纤声波传感器是基于声敏结构和单模光纤端面构成的 F-P 干涉腔来实现传感，其工作原理如图 1 所示。光纤端面光信号声源II图 1 EFPI 式光纤声波传感器工作原理声敏结构接受外界的声波信号后会发生相应的形变，这种形变会引起 F-P 腔的腔长变化。文章采用的 F-P 干涉腔的端面属于低反射率的端面，F-P 干涉可以等效为双光束干涉，因此 F-P 干涉腔的反射光强度也会随之改变5-7，这就将外界声音信号调制成 F-P 干涉光强的变化。当 MEMS 声敏结构感知到外部声压 P 时，薄膜形变会引起 F-P 腔的腔长变化（L）。当外界声压 P 处于 MEMS 传感膜的线性动态范围内时，声压引起的腔长改变量 L 可以看作随声压大小线性变化，其关系可表示为P=kL（1）式中：k 为常数。F-P 腔的腔长变化量（L）引起的反射强度变化量 I()可表示为()()()FiberMEMS84sinLIIIL=|（2）式中：IFiber()是单模光纤端面的反射光强，IMEMS()是 MEMS 声敏结构的有效反射光强。从光纤 F-P 腔反射回来的反射光由光电探测器检测并输出与输入光强成正比的电压信号，通过处理输出电压信号来还原外界待测的声压信号，以此实现声波传感的功能。2 MEMS 光纤声波传感器探头的制备MEMS 声波敏感结构是声波传感器的核心换能元件，其制作工艺流程如图 2 所示。图 2 MEMS 声压敏感薄膜的工艺流程制备出有增敏结构的光刻掩模板，并使用光刻胶进行光刻。将具有增敏结构的氧化硅薄膜沉积在硅衬底的表面上，进行薄膜刻蚀和硅刻蚀，得到所设计的厚度为 400 nm 和 1 000 nm 的氧化硅声压敏感薄膜。经过以上 MEMS 加工流程完成的声压敏感结构如图 3 所示。图 3 MEMS 敏感结构将加工好的 MEMS 声波敏感结构与光纤陶瓷2023年第47卷第4期80扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器oudspeaker and MicrophoneL插芯、玻璃套管、薄膜保护套进行组装，形成可用的MEMS 光纤声波传感器探头。3 MEMS 光纤声波传感器的性能测试3.1 力学性能测试采用纳米压痕仪对声压敏感薄膜进行测试与分析，结果如图 4 所示。F/N4 0003 0002 0001 0000-2002060400 环1 环3 环5 环80100140120160S/nm（a）声压敏感薄膜厚度为 400 nm F/N4 0003 0002 0001 000001002003000 环1 环3 环5 环400500S/nm（b）声压敏感薄膜厚度为 1 000 nm图 4 纳米压痕仪测试曲线在声压敏感薄膜厚度为400 nm或1 000 nm时，相同力的作用下，有增敏结构的位移比无增敏结构的位移多出 3 倍以上，说明增敏结构的设计明显改善了声压敏感薄膜的力学性能。随着增敏环数的增加，对声压敏感薄膜的改善越大。但是增敏环数增加到一定范围后，其改善效果逐渐饱和。此外，对比图 4（a）、图 4（b）还可以看出，声压敏感薄膜厚度的增加使其刚性增强。在相同力的作用下，声压敏感薄膜厚度越大，其位移变化越小。3.2 声学性能测试测试系统的搭建选择宽带自发辐射光源，经环形器进入光纤声波传感器，从另外一端口出来连接密集波分复用器后经探测器接收，将光信号转为电信号8。测试光纤声波传感器在频率为 1 kHz、声压为 80 mPa 下的频域信噪比功率谱特性，实验结果如图 5、图 6 所示。f/Hz00-20-40-60-80-1001 00079 dB400 nm 0 环3 0002 0004 000信号功率/dB（a）400 nm 厚度 f/Hz00-20-40-60-80-1001 00043 dB1 000 nm 0 环3 0002 0004 000信号功率/dB（b）1 000 nm 厚度图 5 0 环时不同厚度的实验结果对比f/Hz00-20-40-60-80-1001 00065 dB3 环3 0002 0004 000信号功率/dB（a）0 环2023年第47卷第4期81Loudspeaker and MicrophonE扬 声 器 与 传 声 器扬 声 器 与 传 声 器f/Hz00-20-40-60-80-1001 00070 dB5 环3 0002 0004 000信号功率/dB（b）1 环f/Hz00-20-40-60-80-1001 00065 dB3 环3 0002 0004 000信号功率/dB（c）3 环 f/Hz00-20-40-60-80-1001 00070 dB5 环3 0002 0004 000信号功率/dB（d）5 环图 6 1000nm 厚度时不同环数的对比根据实验测试结果，当增敏结构为 0 环时，1 000 nm 厚度的声压敏感薄膜的峰值功率为-32 dB，平均底噪功率为-75 dB，信噪比为两者的差值 43 dB。在相同强度的声压激励下，400 nm 厚度的声压敏感薄膜的信噪比为79 dB，具有比1 000 nm 的薄膜具有更高的信噪比。声压敏感薄膜厚度越薄，其声压传感器的信噪比越高，探测灵敏度越高。此外，随着增敏环数的增加，声压传感器的信噪比也不断提高。由此可以看出，增敏结构的设计提高了光纤声波传感器的信噪比，并且信噪比随着增敏环数的增加而增加。4 结 语本文采用 MEMS 加工工艺制作 MEMS 氧化硅薄膜作为声敏薄膜，设计基于 MEMS 薄膜的 EFPI式光纤声波传感器。实验结果表明，对于相同工作频率、相同声压级的声源，400 nm 厚的敏感结构比1 000 nm 厚的敏感结构的信噪比高 36 dB，声敏结构位移量多出 3 倍以上。此外，声压敏感薄膜的增敏结构设计也可以很大限度地提高上述3项性能指标。本文研究制作的光纤 EFPI 声敏探头从厚度和增敏结构两方面，为光纤声波传感器提供了更优的一致性、更高的检测灵敏度，具有广阔的应用前景。参考文献：1KILICO，DIGONNETM，KINOG，etal.Externalfibrefabry-perotacousticsensorbasedonaphotonic-crystalmirrorJ.MeasurementScienceandTechnology，2007，18（10）：3049.2GONGZ，CHENK，ZHOUX，etal.Highsensitivityfabry-perotinterferometricacousticsensorforlowfrequencyacousticpressuredetectionsJ.JournalofLightwaveTechnology，2017，35（24）：5276-5279.3HUANGCH，LEECH，HSIEHTM，etal.ImplementationoftheCMOSMEMScondensermicrophonewithcorrugatedmetaldiaphragmandsiliconback-plateJ.Sensors，2011，11（6）：6257-6269.4MAJ，XUANHF，HOHL，etal.Fiber-opticfabry-protacousticsensorwithmultilayergraphenediaphragmJ.IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2013，25（10）：932-935.5ELOYJC，MOUNIERE.StatusoftheMEMSindustryC/MEMS/MOEMSComponentsandTheirApplicationsII，2005.6KRESSMANNR，KLAIBERM，HESSG.Siliconcondensermicrophoneswithcorrugatedsiliconoxide/nitrideelectretmembranesJ.SensorsandActuatorsAPhysical，2002，100（2/3）：301-309.7蒋永梁，徐海英，黄晋竹.光纤麦克风的理论和实验研究 J.传感器技术学报，2004（4）：713-715.8解涛，杨志，王文军，等.基于 MOEMS 敏感结构的非本征F-P 干涉仪式光纤声压传感器 J.微纳电子技术，2021，58（7）：627-632.编辑：郭芳园