MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现

MEMS光纤法珀压力传感器的设计及解调方法实现

曹群;贾平岗;熊继军;张海瑞;洪应平;房国成

【摘要】基于外界压力引起敏感膜片形变导致腔长变化来实现压力信号传感的原理，提出了一种MEMS光纤法珀压力传感器的设计，建立了传感器敏感膜片的挠度变化与膜厚、半径及施加压力的关系理论模型，并在此基础上进行了膜片的MATLAB二维数值仿真和Comsol Multiphysics三维数值仿真，并完成了FP压力敏感头的制作，进而设计了能够应用于光纤传感的解调方法，搭建了光纤传感的压力测试系统并进行了相关实验，利用所设计的解调方法对实验数据进行处理，进而对压力传感器的性能及特性进行了测试和验证。实验结果表明，传感器测试曲线线性度良好，与数值仿真结果基本一致，在100 kPa的量程范围内其灵敏度可达62.3 nm/kPa，温度敏感系数为0.023μm/℃，测量精度3.93%，且最小压强分辨率为1.29 kPa，证实了该MEMS光纤法珀压力传感系统具有一定的可行性。%A kind of MEMS optical fiber Fabry-Perot pressure sensor was proposed based on the pressure sensing principle which due to the change of cavity length caused by the deformation of sensitive diaphragm when pressure applied. The sensor’s theoretical model b etween sensitive diaphragm deflection variation with film thickness,radius and loading pressure was established. On the basis,the two-dimensional simulation using MATLAB and three-dimensional numerical simulation by Comsol Multiphysics software was performed and the processing fabrication of FP pressure sensing part was realized as well. Thus the demodulation method which can be applied to the optical fiber sensing was designed and related experiments were taken on after the implementation of optical fiber

sensing pressure testing system. By employing the designed demodulation method,the sensor’s performance and characteristics can be tested and verified. The experimental results indicate that the linearity of sensor’s measured curve is good and broadly consistent with the results of numerical simulation,the sensitivity under 100 kPa is about 62.3 nm/kPa with a temperature sensitivity coefficient of 0.023μm/℃,the measured resolution and precision are 1.29 kPa and 3.93%respectively that confirmed the method of MEMS optical fiber pressure sensing system performs a potential possibility.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2015(000)008

【总页数】8页(P1141-1148)

【关键词】光纤传感;法珀腔;MEMS工艺;解调方法;MATLAB;Comsol Multiphysics

【作者】曹群;贾平岗;熊继军;张海瑞;洪应平;房国成

【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051; 中北大学仪器科

学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;中北大学电子测试技术国家重点

实验室，太原030051; 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

作为各类控制装置及系统信息获取与传输的核心器件，压力传感器及其相关技术的迅速发展，使得各个领域的自动化程度越来越高。与传统的电学压力传感器相比，光纤压力传感器具有抗干扰能力强、动态测试范围宽、高分辨率、体积小且易于多路复用或分路感应等优点，因而在航空、航天、电子等领域中都得到了广泛使用［1-2］。同时，随着以微电子、微机械加工与封装技术巧妙结合的MEMS技术

不断发展，利用MEMS技术制造的光纤压力传感器以其重量轻、功能强，具有频带宽和灵敏度高的特性，并且与集成电路工艺兼容能够批量生产，更是成为了当下研究和开发的热点［3-5］。其中，光纤法珀传感器具备结构简单紧凑、受环境波动影响不大、对感应信号衰落不敏感、分辨率高和灵敏度高等优点，已广泛应用于各种物理、化学和生物医学参数的检测及对于压力、温度、流速等的实时系统监测。常用的解调方法有强度解调和相位解调两种，其中，强度解调法容易实现，所需成本低，但由于多采用波长固定的单色光源，其光强容易受光源波动的影响，因而传感精度比较低。相位解调法主要分为条纹计数法、傅里叶变换法、离散腔长变换法及菲索干涉仪法［6-8］，条纹计数法利用光纤法珀传感器的输出干涉条纹和相位的关系来获取传感器的腔长，不会受到光源波动的影响，可以提高传感系统整体的测量精度与稳定性。因此，针对光纤法珀压力传感器的原理，设计了一种MEMS

光纤法珀压力传感器，提出了一种基于MOI-sm125光纤光栅解调仪的光纤法珀

压力传感器的解调原理及方法，建立了MEMS光纤法珀传感系统的理论模型并完