基于硅波導的新型光學壓力傳感器研究.pdf

1、隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的發(fā)展，壓阻式、電容式、諧振式等壓力傳感器在汽車、航天、生物等領域都有著廣泛的應用。近年來又出現(xiàn)了新型的光學壓力傳感器，并得到了越來越多的關注。光學壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁場干擾、工藝簡單、尺寸小、靈敏度高、精度高等優(yōu)點，適合在太空、沙漠、石油鉆井等高輻射、高電磁干擾，、高溫等極端環(huán)境中應用。光學壓力傳感器主要有光纖壓力傳感器和硅光波導MEMS壓力傳感器等。與光纖壓力傳感器相比，硅光波導MEMS壓力傳感

2、器兼容標準CMOS集成工藝，更加適合和電路系統(tǒng)集成和封裝。目前硅基光學MEMS壓力傳感器主要以矩形直波導結構為主。主要通過輸出光強的變化來檢測作用在薄膜上的壓強變化，但直波導壓力傳感器的光強和壓強之間存在著非線性的關系，器件的線性度難以提高。為了解決直波導光學壓力傳感器的非線性問題以及進一步提高器件性能，本文提出并研究了基于環(huán)形光波導結構和圓孔布拉格結構的兩種新型光學壓力傳感器。
　　 1、提出了一種利用環(huán)形波導的半徑變化代替有

3、效折射率變化的新傳感模式。這一方面解決了直波導光學壓力傳感器的非線性問題，也解決了P.K.Pattnaik提出的環(huán)形波導結構光學壓力傳感器中存在的傳輸功耗大、薄膜厚度厚，壓力難以傳導的問題。
　　 本文用基于有限元算法的COMSOL軟件對壓力傳感器的各向形變和壓強分布等機械特性進行了數(shù)值仿真。通過基于時域有限差分法的Rsoft軟件對器件的光學特性進行了模擬仿真。結果表明，與P.K.Pattnaik提出的結構相比，本文設計的光學壓

4、力傳感器結構參數(shù)得到優(yōu)化，使環(huán)形光波導半徑縮小為十分之一、薄膜的厚度縮小為三分之一。在此基礎上，本文采用CMOS工藝以及MEMS加工方法研制了環(huán)形光波導結構的光學MEMS壓力傳感器并進行了測試。實驗結果表明，在0-60 kPa量程范圍內(nèi)，器件靈敏度達到1.47 pm/kPa，精度為1.36 kPa，遲滯率小于2％，實驗結果也驗證了理論分析和仿真模擬的正確性和合理性。本文還以環(huán)形光波導結構為單元，提出了一種用單層矩陣結構來測量壓力分布的新

5、方案。
　　 2、為了進一步提高光學壓力傳感器的靈敏度和精度，本文首次提出了一種基于布拉格結構的新型光學壓力傳感器。這種新的壓力傳感模式，利用輸出光譜中的布拉格耦合波長的改變量來線性表征作用在薄膜上壓強的變化。論文通過COMSOL軟件仿真，確定了布拉格結構在薄膜上的最佳位置，優(yōu)化了結構參數(shù)。本文采用CMOS工藝以及MEMS加工技術研制了基于布拉格結構的新型光學壓力傳感器，并對器件進行了測試。結果表明這種新型器件不僅保證了輸出信號