基于硅波導(dǎo)的新型光學(xué)壓力傳感器研究.pdf

1、隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)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(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。近年來又出現(xiàn)了新型的光學(xué)壓力傳感器，并得到了越來越多的關(guān)注。光學(xué)壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁場(chǎng)干擾、工藝簡(jiǎn)單、尺寸小、靈敏度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。光學(xué)壓力傳感器主要有光纖壓力傳感器和硅光波導(dǎo)MEMS壓力傳感器等。與光纖壓力傳感器相比，硅光波導(dǎo)MEMS壓力傳感

2、器兼容標(biāo)準(zhǔn)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(xué)MEMS壓力傳感器主要以矩形直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為主。主要通過輸出光強(qiáng)的變化來檢測(cè)作用在薄膜上的壓強(qiáng)變化，但直波導(dǎo)壓力傳感器的光強(qiáng)和壓強(qiáng)之間存在著非線性的關(guān)系，器件的線性度難以提高。為了解決直波導(dǎo)光學(xué)壓力傳感器的非線性問題以及進(jìn)一步提高器件性能，本文提出并研究了基于環(huán)形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和圓孔布拉格結(jié)構(gòu)的兩種新型光學(xué)壓力傳感器。
　　 1、提出了一種利用環(huán)形波導(dǎo)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(dǎo)光學(xué)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(dǎo)結(jié)構(gòu)光學(xué)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(dǎo)的問題。
　　 本文用基于有限元算法的COMSOL軟件對(duì)壓力傳感器的各向形變和壓強(qiáng)分布等機(jī)械特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過基于時(shí)域有限差分法的Rsoft軟件對(duì)器件的光學(xué)特性進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明，與P.K.Pattnaik提出的結(jié)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)的光學(xué)壓

4、力傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)得到優(yōu)化，使環(huán)形光波導(dǎo)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(chǔ)上，本文采用CMOS工藝以及MEMS加工方法研制了環(huán)形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)MEMS壓力傳感器并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0-60 kPa量程范圍內(nèi)，器件靈敏度達(dá)到1.47 pm/kPa，精度為1.36 kPa，遲滯率小于2％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)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(dǎo)結(jié)構(gòu)為單元，提出了一種用單層矩陣結(jié)構(gòu)來測(cè)量壓力分布的新

5、方案。
　　 2、為了進(jìn)一步提高光學(xué)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(jié)構(gòu)的新型光學(xué)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(zhǎng)的改變量來線性表征作用在薄膜上壓強(qiáng)的變化。論文通過COMSOL軟件仿真，確定了布拉格結(jié)構(gòu)在薄膜上的最佳位置，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文采用CMOS工藝以及MEMS加工技術(shù)研制了基于布拉格結(jié)構(gòu)的新型光學(xué)壓力傳感器，并對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明這種新型器件不僅保證了輸出信號(hào)