基于超小GRIN 光纖鏡頭的MEMS 光纖聲傳感器及性能測試方法

王 馳，陳 偉，孫建美，鄭園成，陳斐璐

（上海大學精密機械工程系，上海 200444）

1 引 言

光纖聲傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾等特點，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域有著廣闊的應用前景。近年來國內外研究人員在光纖聲傳感器研究方法和應用方面展開了大量研究。2009 年，王永杰等［1］研制了一種基于Michelson干涉儀的光纖聲傳感器，用于直升機的探測；2011 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；2012 年，Sun 等［3］研究了一種多模+單膜+多模結構的光強耦合結構的光纖聲傳感器，用于聲波的隔體探測；2014年，天津大學的趙鵬、劉鐵根等［4］利用D 型毛細管研制了用于水升華器檢測的超小尺寸光學聲振動傳感器，并在此基礎上，研發了4 通道EFPI 聲振動傳感系統［5］；同年，安徽大學的Xu 等［6］研制了一種基于納米銀膜的光纖聲傳感器，動態壓力靈敏度達到160 nm/Pa；2018 年，Li 等［7］研發一種基于鋁聚酰亞胺膜片的耐高溫光纖聲壓傳感器，并采用了結合Mach-Zenhnder 和Sagnac 干涉儀的混合解調結構。

光學相干層析（Optical Coherence Tomography，OCT）是一種結合低相干干涉儀和共焦顯微技術的光學層析成像技術。OCT 系統的核心是一臺Michelson 干涉儀，具有高的空間分辨率和靈敏度，可用于微位移、微振動的測量，福州大學的鐘舜聰等對此做了大量研究［8-10］，但其研究的OCT 系統樣品臂為空間離散型，體積大，無法用于微深孔探測。作者課題組在研究超小自聚焦（GRIN）光纖鏡頭多年工作的基礎上［11-13］，將其集成到光纖型掃頻OCT 系統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［14］，以納米位移臺為待測目標進行了振動實驗測量，驗證了該集成化光纖型SS-OCT 測振系統的可行性。

將微機電（MEMS）技術與光纖傳感技術相結合的MEMS 光纖傳感器是近年發展起來的新型傳感檢測技術［15-19］，采用MEMS 工藝可以加工出厚度為納米級別、性能優異的敏感膜片，對于膜片式光纖聲傳感器的進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 測振技術的基礎上，將超小GRIN 光纖鏡頭與MEMS 膜片結合構成新型MEMS 光纖聲傳感器，并與光纖型SSOCT 解調技術有機集成，研究基于光纖型SSOCT 解調系統的MEMS 光纖聲傳感器及其性能測試方法。通過對MEMS 光纖聲傳感器進行建模和數值分析，設計并研制基于超小GRIN 光纖鏡頭的MEMS 光纖聲傳感器樣品，搭建基于光纖型SS-OCT 解調技術的傳感器性能檢測系統，進行實驗測試以驗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與數值分析

本文研究的MEMS 光纖聲傳感器的模型結構如圖1 所示。設計的MEMS 敏感膜片采用“金薄膜+二氧化硅層+氮化硅層”的復合薄膜結構，直徑為1.6 mm，厚度為3.3 μm。傳統的單二氧化硅層薄膜易產生壓應力，多次使用后薄膜表面容易起皺并影響傳感器的測量精度。氮化硅材料具有強度高、硬度大、尺寸穩定等優點，易產生拉應力，楊氏模量遠高于二氧化硅，是一種性能優異的非氧化陶瓷材料。采用二氧化硅與氮化硅雙層復合結構不僅保證了薄膜的平整性和強度，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一步增強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，并且易于用來調節與MEMS 薄膜間的距離。

圖1 傳感器結構示意圖Fig.1 Schematic 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、易于集成化等優勢，可在實現傳感器小型化的同時，提高傳感器的光學干涉信號強度，進而提高傳感器的靈敏度。

圖2 超小GRIN 光纖鏡頭模型Fig.2 Model of ultra-small GRIN fiber probe

MEMS 薄膜的力學模型可以看作是材料勻質、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系可近似為線性方程［20］：

其中：r為薄膜半徑，ν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：

可見傳感器的壓強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，在膜片材料選定后，壓強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，ν為0.17，h1為3 μm。對于氮化硅材料，E為250 GPa，ν為0.23，h2為0.3 μm。r取800 μm，施加1 Pa的壓力，用Comsol仿真軟件進行復合薄膜的壓力分析，結果如圖3所示，圖中不同顏色代表不同形變量。

圖3 MEMS 膜片壓力仿真結果Fig.3 Pressure 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系圖。根據圖3 和圖4，圓薄膜中心形變量最大，數值為0.019 94 μm，即薄膜的壓力靈敏度為19.94 nm/Pa。

圖4 薄膜形變量與位置關系圖Fig.4 Relationship between form and position

3 MEMS 光纖聲傳感器的制作

超小GRIN 光纖鏡頭是MEMS 光纖聲傳感器的關鍵器件，采用文獻［11］的研制系統和方法進行樣品制作，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A為起點，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B為起點切割一定長度的GRIN 光纖。

圖5 超小GRIN 光纖鏡頭的研制Fig.5 Development process of ultra-small GRIN optical fiber lens

MEMS 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合結構以提高傳感器薄膜性能，利用陶瓷插芯調整超小GRIN 光纖鏡頭與MEMS 薄膜之間的距離。

圖6 MEMS 薄膜照片Fig.6 Photos of the MEMS film

MEMS 光纖聲傳感器的具體制作流程如圖7 所示，具體步驟為：（1）準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 μm 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型化學氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vaper Deposition，PECVD）技術生成300 nm 的氮化硅層（圖7（c））；（4）在底面硅層旋轉涂覆正光刻膠膜（PR），掩膜板曝光成兩端特征，采用深反應離子刻蝕（Deep Reactive Ion Etching，DRIE）對硅層進行刻蝕直至二氧化硅停止層（圖7（d））；（5）用氧等離子刻蝕，對光刻膠進行干法剝離，在內層濺射上一層厚度約為30 nm 的金膜（圖7（e））；（6）在光學顯微鏡下將超小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行固定并完成封裝（圖7（f））。

圖7 傳感器制作流程Fig.7 Manufacturing 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 μ 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.8 Image of the sensor head

4 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，構建如圖9 所示的基于SS-OCT 解調系統的MEMS 光纖聲傳感器性能檢測方法模型。從掃頻光源發出的光經分束器傳輸至樣品臂和參考臂，在樣品臂中光束經超小GRIN 光纖鏡頭進行聚焦輸出，當外界聲音信號傳遞到膜片上時，MEMS 膜片發生振動，攜帶聲音振動信息的反射光耦合進入超小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準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，依次經光電平衡探測器和高速數字采集卡，在計算機中進行顯示與分析處理。

圖9 基于SS-OCT 解調系統的傳感器性能檢測模型Fig.9 Sensor performance detection model based on SSOCT demodulation system

在掃頻OCT 中，利用平衡光電探測器和數據預處理技術，濾除原始干涉信號中的直流項和自相關項，對有效干涉信號進行等波數采集提取，余下的有效光電流干涉信號為：

其中：I0（k）為入射光強度，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，Δn（t）為樣品第n層返回光與參考光的光程差。根據維納-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函數的傅里葉變換，對此干涉光譜數據進行傅里葉變換，即可實現從波數空間到深度空間的轉換［19］。其傅里葉變換表達式如下：

其中：W（k，t）是光源的功率譜函數，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。

MEMS 薄膜反射光與參考光的光程差為Δ（t），調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Δd會發生變化，Δ（t）=2nΔd。n為腔內介質的折射率（空氣中n=1），所以得到有效干涉光強表達式為：

當信號發生器發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的變化，聲壓隨時間做穩態的簡諧振蕩變化，瞬時聲壓表達式為：

其中Pa為振幅即是峰值聲壓。將式（1）、（6）帶入（5）中可得：

由式（7）可得，固定信號發生器發射正弦聲波引起薄膜激勵振動，每個時間點各自對應著一個干涉信號。根據維納-辛欽定理，將這個干涉信號進行傅里葉變換，即可實現波數空間到深度空間的轉換，就能得到相應時間點的位置信息。記錄一段時間的干涉信號，將對應時間點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行頻譜轉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最大撓度，即最大形變量。

5 實驗測試結果與分析

基于上述分析，搭建如圖10 所示的測試系統，主要有掃頻光源（HSL-20-50-B）、信號發生器（RIGOL-DG812）、音箱（IBASS-M10D）、光纖耦合器、光纖環形器、位置調整平臺、MEMS 光纖聲傳感器、標準聲級計、準直器、平面反射器、滑動導軌、光電平衡探測器（PDB470C-AC）、高速采集卡（ATS9870-003）和計算機等。工作方法為：由掃頻光源發出的光經過分束器，一束進入參考臂，一束進入樣品臂中。進入樣品臂中的光傳輸至超小光纖鏡頭，經過超小光纖鏡頭垂直入射到鍍金的MEMS 膜片上，反射光耦合進入超小光纖鏡頭傳輸至光纖耦合器。進入參考臂的光照射到平面鏡上，返回的光和MEMS 膜片反射的光在光纖耦合器處發生干涉。當信號發生器發出一定頻率正弦波驅動音箱發聲引起薄膜振動，帶有振動信息的干涉信號將發生變化并由光電探測器接收，再通過數據采集卡采集傳輸至計算機進行分析處理。聲壓調節系統由信號發生器、揚聲器、標準聲壓計構成，其中通過調節信號發生器輸入電壓，經揚聲器輸出得到不同聲壓的聲音信號，標準聲壓計用于測試校準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定。

圖10 MEMS 光纖聲傳感器性能測試系統Fig.10 Performance test system of MEMS optical fiber acoustic sensor

5.1 單頻聲波信號測試實驗

為了探究研制的MEMS 光纖聲傳感器和SS-OCT 解調系統對單頻聲波信號的響應性能，調整信號發生器輸入一個電壓2.0 V、頻率300 Hz的正弦波，進行單頻測試實驗。實驗結果如圖11所示，圖11（a）為所測時域信號，圖11（b）為經過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，實驗得到頻譜圖如圖12 所示。由實驗結果可得，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300 Hz 下的單頻測試Fig.11 Single frequency test under 300 Hz acoustic frequency

圖12 單頻響應頻譜圖Fig.12 Single frequency response spectrogram

5.2 混頻聲波信號測試實驗

為探究該傳感器對混頻聲波信號的響應能力，在實驗室條件下，分別進行雙頻和三頻聲波信號測試。調節信號發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，對傳感器進行混頻測試實驗，實驗結果如圖13 所示，圖13（a）為所測時域信號，圖13（b）為對應頻譜圖。

圖13 100 Hz+300 Hz 雙頻測試Fig.13 Test under 100 Hz and 300 Hz mixed frequency

保持輸入電壓不變，調節信號發生器分別輸入1 kHz+2 kHz，2 kHz+4 kHz 雙頻聲波信號，實驗得到頻譜圖如圖14 所示。

圖14 雙頻信號頻譜圖Fig.14 Frequency spectrum of dual-frequency signal

保持輸入電壓不變，調節信號發生器輸入2 kHz+3 kHz+4 kHz 三頻聲波信號，實驗得到頻譜圖如圖15 所示。

由上述混頻實驗可以得到，自行研制的聲傳感器能夠實現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 左右出現微弱雜頻，這可能是高頻混波狀態下，該音箱存在的固有發聲限制而導致低頻段微弱雜音的出現。

圖15 2 kHz+3 kHz+4 kHz 三頻信號頻譜圖Fig.15 Frequency spectrum of tri-band signal under 1 kHz，2 kHz and 3 kHz mixed frequency

5.3 頻率響應測量實驗

傳感器頻率響應特性是MEMS 光纖聲傳感器的一個重要指標，頻率響應特性曲線的好壞也直接反應了傳感器性能的優劣。保持信號發生器輸入電壓2.0 V 恒定，調節信號發生器輸入信號頻率，以100 Hz 為間隔在0～5 kHz 進行了頻響測試，實測頻響特性曲線如圖16 所示。

由圖16 可以看出，自制的MEMS 光纖聲傳感器頻率響應主峰在4.2 kHz 左右，頻率響應范圍為50 Hz～4.5 kHz，在50 Hz～1 kHz 頻段，響應較為平坦，可用于該頻段下的聲音測量。

圖16 頻率響應特性曲線Fig.16 Frequency response characteristic of the sensor

5.4 聲壓靈敏度測量實驗

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能力。固定信號發生器頻率為300 Hz，以0.2 V 為間隔，調節電壓從0.2 V 到1.4 V，用標準聲壓計記錄測得聲壓值，連續4 天測量記錄數據，結果如表1，MEMS 光纖聲振動傳感器聲壓靈敏度擬合直線，如圖17 所示。

圖17 光纖聲壓傳感器聲壓響應性能Fig.17 Acoustic pressure response performance of the optical fiber acoustic pressure sensor

表1 傳感器聲壓靈敏度Tab.1 Sound pressure sensitivity of the sensor

從圖中數據可以看出，當聲壓不斷增大時，薄膜振動幅值隨之增大，在薄膜形變量的30%（1 μm）內，MEMS 光纖聲傳感器具有良好的線性響應性能。對連續4 天測試的數據進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 薄膜中心對準精度。

5.5 系統穩定性實驗

系統是否穩定決定了測試數據的準確性，也決定著傳感器的可重復性。在實驗室條件下測試無聲信號輸入時的系統靜態穩定性，結果如圖18 所示。頻譜圖平坦無凸起，振幅強度接近零值。這表明無聲音信號輸入時，系統靜態穩定性良好，所測結果為系統器件工作中自帶的電流與噪聲誤差。

圖18 無聲音信號輸入的頻譜圖Fig.18 Frequency spectrum without signal input

系統動態穩定性可用重復性偏差來表征，重復性標準偏差S通過極差法計算。調節信號發生器，保持輸入電壓恒定，頻率為300 Hz，連續15次測試聲壓為2 Pa 下振幅強度。實驗得到最大幅值為0.051 μm，最小為0.040 μm，該條件下的重復性標準偏差為［21］：其中：R為多次實驗測量結果的極差，即最大值與最小值之差；C為極差系數，因為測量次數為15 次，C=3.47。根據上述靜態與動態穩定性實驗可得，所搭建的基于SS-OCT 解調系統的MEMS 光纖聲傳感器性能檢測系統穩定，可用于聲音信息的重復采集。

6 結論與展望

本文研究了一種基于超小GRIN 光纖鏡頭的MEMS 光纖聲傳感器，并研究了基于SS-OCT解調系統的MEMS 光纖聲傳感器性能測試方法，通過實驗測量驗證了所研究的傳感器及性能檢測方法的可行性。在給定實驗條件下，對不同聲壓與頻率的單頻、混頻聲信息進行測量，結果表明該傳感器可以對單個或多個聲波信號產生良好響應，傳感器頻響范圍為50 Hz～4.5 kHz，在頻率為300 Hz 時傳感器聲壓靈敏度為21.63 nm/Pa，信噪比（SNR）為44.1 dB，線性度為98.97%，重復性標準偏差為0.003。結果表明，所研究的MEMS 光纖聲傳感器及性能測試方法具有可行性。

盡管本文驗證了所研究的MEMS 光纖聲傳感器及基于SS-OCT 性能檢測方法的可行性，但目前還存在傳感器靈敏度較低等問題，今后將通過采用更優的MEMS 加工工藝、制作納米級別厚度的薄膜、適當增加薄膜直徑和優化封裝工藝等方法進行改進。