王 馳，陳 偉，孫建美，鄭園成，陳斐璐

（上海大學(xué)精密機(jī)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(diǎn)，在油井防爆、狹長管道氣體泄漏檢測(cè)和高頻變壓器異響檢測(cè)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。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(jī)的探測(cè)；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(cè)；2012 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(cè)；2014年，天津大學(xué)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(cè)的超小尺寸光學(xué)聲振動(dòng)傳感器，并在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了4 通道EFPI 聲振動(dòng)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(dòng)態(tài)壓力靈敏度達(dá)到160 nm/Pa；2018 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(tái)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(dòng)的測(cè)量，福州大學(xué)的鐘舜聰?shù)葘?duì)此做了大量研究［8-10］，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(cè)。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(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(cè)振系統(tǒng)［14］，以納米位移臺(tái)為待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行了振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了該集成化光纖型SS-OCT 測(cè)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(cè)技術(shù)［15-19］，采用MEMS 工藝可以加工出厚度為納米級(jí)別、性能優(yōu)異的敏感膜片，對(duì)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(cè)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SSOCT 解調(diào)技術(shù)有機(jī)集成，研究基于光纖型SSOCT 解調(diào)系統(tǒng)的MEMS 光纖聲傳感器及其性能測(cè)試方法。通過對(duì)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(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試以驗(yàn)證傳感器及性能測(cè)試方法的有效性。

2 MEMS 光纖聲傳感器的建模與數(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 μm。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(cè)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(cè)量精度，通過對(duì)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.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(chǎng)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(duì)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(shì)，可在實(shí)現(xiàn)傳感器小型化的同時(shí)，提高傳感器的光學(xué)干涉信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)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(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(shí)（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］：

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(cè)量靈敏度Y為：

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，在膜片材料選定后，壓強(qiáng)測(cè)量靈敏度由膜片厚度和半徑大小決定。

對(duì)于二氧化硅材料，E為70 GPa，ν為0.17，h1為3 μm。對(duì)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(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3 MEMS 膜片壓力仿真結(jié)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(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 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(guān)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(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(gè)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(gè)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.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?？紤]到光學(xué)元器件對(duì)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6 MEMS 薄膜照片F(xiàn)ig.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(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 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(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(duì)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(duì)光刻膠進(jìn)行干法剝離，在內(nèi)層濺射上一層厚度約為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(duì)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.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(cè)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 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(cè)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(hào)傳遞到膜片上時(shí)，MEMS 膜片發(fā)生振動(dòng)，攜帶聲音振動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)器和數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，濾除原始干涉信號(hào)中的直流項(xiàng)和自相關(guān)項(xiàng)，對(duì)有效干涉信號(hào)進(jìn)行等波數(shù)采集提取，余下的有效光電流干涉信號(hào)為：

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)，Δn（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(gè)信號(hào)的功率譜密度就是該信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，對(duì)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［19］。其傅里葉變換表達(dá)式如下：

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Δ（t），調(diào)整參考光路使此時(shí)薄膜位于零光程差處，薄膜振動(dòng)情況下，其絕對(duì)振動(dòng)位移Δd會(huì)發(fā)生變化，Δ（t）=2nΔd。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：

當(dāng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)射一個(gè)固定頻率與振幅的正弦聲音信號(hào)時(shí)，聲波波動(dòng)引起大氣壓強(qiáng)的變化，聲壓隨時(shí)間做穩(wěn)態(tài)的簡諧振蕩變化，瞬時(shí)聲壓表達(dá)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(hào)發(fā)生器發(fā)射正弦聲波引起薄膜激勵(lì)振動(dòng)，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)各自對(duì)應(yīng)著一個(gè)干涉信號(hào)。根據(jù)維納-辛欽定理，將這個(gè)干涉信號(hào)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(shí)間點(diǎn)的位置信息。記錄一段時(shí)間的干涉信號(hào)，將對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的位置信息連成曲線便是薄膜的振動(dòng)位移曲線。對(duì)薄膜振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換就可以得到膜片振動(dòng)頻率和在該頻率下的振動(dòng)幅值。膜片振動(dòng)頻率即是聲音源的振動(dòng)頻率信息，振動(dòng)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(cè)試結(jié)果與分析

基于上述分析，搭建如圖10 所示的測(cè)試系統(tǒng)，主要有掃頻光源（HSL-20-50-B）、信號(hào)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(tái)、MEMS 光纖聲傳感器、標(biāo)準(zhǔn)聲級(jí)計(jì)、準(zhǔn)直器、平面反射器、滑動(dòng)導(dǎo)軌、光電平衡探測(cè)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，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(hào)發(fā)生器發(fā)出一定頻率正弦波驅(qū)動(dòng)音箱發(fā)聲引起薄膜振動(dòng)，帶有振動(dòng)信息的干涉信號(hào)將發(fā)生變化并由光電探測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)，標(biāo)準(zhǔn)聲壓計(jì)用于測(cè)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10 MEMS 光纖聲傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.10 Performance test system of MEMS optical fiber acoustic sensor

5.1 單頻聲波信號(hào)測(cè)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(duì)單頻聲波信號(hào)的響應(yīng)性能，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)電壓2.0 V、頻率300 Hz的正弦波，進(jìn)行單頻測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，圖11（a）為所測(cè)時(shí)域信號(hào)，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(cè)不同頻率的單頻聲波信號(hào)。

圖11 聲音頻率為300 Hz 下的單頻測(cè)試Fig.11 Single frequency test under 300 Hz acoustic frequency

圖12 單頻響應(yīng)頻譜圖Fig.12 Single frequency response spectrogram

5.2 混頻聲波信號(hào)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為探究該傳感器對(duì)混頻聲波信號(hào)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(hào)測(cè)試。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)電壓為2.0 V，頻率為100 Hz+300 Hz 的混頻聲波信號(hào)，對(duì)傳感器進(jìn)行混頻測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示，圖13（a）為所測(cè)時(shí)域信號(hào)，圖13（b）為對(duì)應(yīng)頻譜圖。

圖13 100 Hz+300 Hz 雙頻測(cè)試Fig.13 Test under 100 Hz and 300 Hz mixed frequency

保持輸入電壓不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器分別輸入1 kHz+2 kHz，2 kHz+4 kHz 雙頻聲波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)得到頻譜圖如圖14 所示。

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

保持輸入電壓不變，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸入2 kHz+3 kHz+4 kHz 三頻聲波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)得到頻譜圖如圖15 所示。

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(gè)頻率的多頻聲波信號(hào)的同時(shí)探測(cè)。由圖14 和圖15 可以看出，在輸入信號(hào)為高頻混合聲波信號(hào)時(shí)，都會(huì)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)。

圖15 2 kHz+3 kHz+4 kHz 三頻信號(hào)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(yīng)測(cè)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(gè)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(hào)發(fā)生器輸入電壓2.0 V 恒定，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)頻率，以100 Hz 為間隔在0～5 kHz 進(jìn)行了頻響測(cè)試，實(shí)測(cè)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(yīng)主峰在4.2 kHz 左右，頻率響應(yīng)范圍為50 Hz～4.5 kHz，在50 Hz～1 kHz 頻段，響應(yīng)較為平坦，可用于該頻段下的聲音測(cè)量。

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

5.4 聲壓靈敏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

聲壓靈敏度反映了MEMS 光纖聲傳感器在某個(gè)頻率下對(duì)聲壓變化的響應(yīng)能力。固定信號(hào)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(cè)得聲壓值，連續(xù)4 天測(cè)量記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1，MEMS 光纖聲振動(dòng)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(yīng)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(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)聲壓不斷增大時(shí)，薄膜振動(dòng)幅值隨之增大，在薄膜形變量的30%（1 μm）內(nèi)，MEMS 光纖聲傳感器具有良好的線性響應(yīng)性能。對(duì)連續(xù)4 天測(cè)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(duì)準(zhǔn)精度。

5.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)是否穩(wěn)定決定了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也決定著傳感器的可重復(fù)性。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試無聲信號(hào)輸入時(shí)的系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖18 所示。頻譜圖平坦無凸起，振幅強(qiáng)度接近零值。這表明無聲音信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性良好，所測(cè)結(jié)果為系統(tǒng)器件工作中自帶的電流與噪聲誤差。

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

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性可用重復(fù)性偏差來表征，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差S通過極差法計(jì)算。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，保持輸入電壓恒定，頻率為300 Hz，連續(xù)15次測(cè)試聲壓為2 Pa 下振幅強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)得到最大幅值為0.051 μm，最小為0.040 μm，該條件下的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為［21］：其中：R為多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的極差，即最大值與最小值之差；C為極差系數(shù)，因?yàn)闇y(cè)量次數(shù)為15 次，C=3.47。根據(jù)上述靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)可得，所搭建的基于SS-OCT 解調(diào)系統(tǒng)的MEMS 光纖聲傳感器性能檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定，可用于聲音信息的重復(fù)采集。

6 結(jié)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(diào)系統(tǒng)的MEMS 光纖聲傳感器性能測(cè)試方法，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了所研究的傳感器及性能檢測(cè)方法的可行性。在給定實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)不同聲壓與頻率的單頻、混頻聲信息進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明該傳感器可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)聲波信號(hào)產(chǎn)生良好響應(yīng)，傳感器頻響范圍為50 Hz～4.5 kHz，在頻率為300 Hz 時(shí)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(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.003。結(jié)果表明，所研究的MEMS 光纖聲傳感器及性能測(cè)試方法具有可行性。

盡管本文驗(yàn)證了所研究的MEMS 光纖聲傳感器及基于SS-OCT 性能檢測(cè)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(yōu)的MEMS 加工工藝、制作納米級(jí)別厚度的薄膜、適當(dāng)增加薄膜直徑和優(yōu)化封裝工藝等方法進(jìn)行改進(jìn)。