MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens

Chi WANG; Wei CHEN; Jianmei SUN; Yuancheng ZHENG; Feilu CHEN

doi:10.37188/OPE.20223012.1406

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MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens

Modern Applied Optics | 更新时间：2022-06-25

- MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 12, Pages: 1406-1417(2022)
- 作者机构：
  
  上海大学精密机械工程系，上海 200444
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223012.1406
  CLC： TH741
- Received：21 February 2022，
  
  Revised：12 March 2022，
  
  Published：25 June 2022
- 稿件说明：
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王驰,陈伟,孙建美等.基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法[J].光学精密工程,2022,30(12):1406-1417.

WANG Chi,CHEN Wei,SUN Jianmei,et al.MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(12):1406-1417.
王驰,陈伟,孙建美等.基于超小GRIN光纤镜头的MEMS光纤声传感器及性能测试方法[J].光学精密工程,2022,30(12):1406-1417. DOI： 10.37188/OPE.20223012.1406.

WANG Chi,CHEN Wei,SUN Jianmei,et al.MEMS fiber optic acoustic sensor and performance testing method based on ultra-small GRIN fiber lens[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(12):1406-1417. DOI： 10.37188/OPE.20223012.1406.

摘要

研究一种MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器，以及基于扫频OCT （Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）解调系统的MEMS光纤声传感器性能测试方法。在进行建模分析的基础上，设计并研究MEMS膜片与超小GRIN光纤镜头相结合的MEMS光纤声传感器的制作工艺，搭建基于SS-OCT的声振测量系统，通过开展单频声信号、混频声信号、频率响应、声压灵敏度和系统稳定性测量实验，进行传感器的性能测试与标定。结果显示，所研究的MEMS光纤声传感器样品的频响范围为50 Hz~4.5 kHz，在频率为300 Hz时传感器声压灵敏度21.63 nm/Pa，信噪比（SNR）为44.1 dB，线性度为98.97%，重复性标准偏差为0.003。结果表明所研究的MEMS光纤声传感器可行，而且利用SS-OCT解调系统可对其传感性能进行有效测量。

Abstract

Research is conducted on a micro-electromechanical system （MEMS） fiber optic acoustic sensor by combining an MEMS diaphragm and ultra-small graded-index （GRIN） fiber optic lens， and a performance test method of the MEMS fiber optic acoustic sensor based on the swept-source optical coherence tomography （SS-OCT） demodulation system is investigated. The fabrication process of the MEMS optical fiber acoustic sensor combining the MEMS diaphragm and ultra-small GRIN optical fiber lens is designed and studied on the basis of modeling and analysis， and an acoustic and vibration measurement system based on SS-OCT is constructed. The performance test and calibration of the sensor are performed by conducting measurement experiments of a single-frequency acoustic signal， a mixed-frequency acoustic signal， frequency response， sound pressure sensitivity， and system stability. The results show that the frequency response range of the studied MEMS fiber optic acoustic sensor sample is 50 Hz-4.5 kHz. At a frequency of 300 Hz， the sound pressure sensitivity of the sensor is 21.63 nm/Pa， signal-to-noise ratio is 44.1 dB， linearity is 98.97%， and repeatability standard deviation is 0.003. The studied MEMS optical fiber acoustic sensor is shown to be feasible， and its sensing performance can be effectively measured by using the SS-OCT demodulation system.

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王永杰，李芳，肖浩，等 . Michelson干涉仪式光纤空气声传感器［J］. 光子学报， 2009 ， 38 （ 5 ）： 1114 - 1117 . doi: http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/15775 http://dx.doi.org/http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/15775

WANG Y J ， LI F ， XIAO H ， et al . Fiber optic sound sensor based on Michelson interferometer ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2009 ， 38 （ 5 ）： 1114 - 1117 . （in Chinese） . doi: http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/15775 http://dx.doi.org/http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/15775

WANG Q Y ， WANG J W ， LI L ， et al . An all-optical photoacoustic spectrometer for trace gas detection ［J］. Sensors and Actuators B： Chemical ， 2011 ， 153 （ 1 ）： 214 - 218 . doi: 10.1016/j.snb.2010.10.035 http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2010.10.035

SUN A ， WU Z S ， WAN C F ， et al . All-fiber optic acoustic sensor based on multimode-single mode-multimode structure ［J］. Optik ， 2012 ， 123 （ 13 ）： 1138 - 1139 . doi: 10.1016/j.ijleo.2011.07.040 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2011.07.040

赵鹏，刘铁根，江俊峰，等 . 用于水升华器监测的光纤声振动传感器研究［J］. 光学学报， 2014 ， 34 （ 1 ）： 56 - 60 . doi: 10.3788/AOS201434.0106003 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201434.0106003

ZHAO P ， LIU T G ， JIANG J F ， et al . Fiber optic acoustic vibration sensor for the monitoring of water sublimator ［J］. Acta Optica Sinica ， 2014 ， 34 （ 1 ）： 56 - 60 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS201434.0106003 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201434.0106003

FAN Z ， WANG S ， LIU T G ， et al . Research of optical fiber fabry-perot acoustic vibration sensing demodulation system based on dual tunable lasers ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2016 ， 53 （ 4 ）： 042801 . doi: 10.3788/lop53.042801 http://dx.doi.org/10.3788/lop53.042801

XU F ， SHI J H ， GONG K ， et al . Fiber-optic acoustic pressure sensor based on large-area nanolayer silver diaghragm ［J］. Optics Letters ， 2014 ， 39 （ 10 ）： 2838 - 2840 . doi: 10.1364/OL.39.002838 http://dx.doi.org/10.1364/OL.39.002838

LI X X ， ZHEN S L ， QIAN K ， et al . A heat-resistance and high-sensitivity acoustic pressure sensor based on aluminum-polyimide diaphragm ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2018 ， 279 ： 75 - 78 . doi: 10.1016/j.sna.2018.05.043 http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2018.05.043

ZHONG S C ， SHEN H ， SHEN Y C . Real-time monitoring of structural vibration using spectral-domain optical coherence tomography ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2011 ， 49 （ 1 ）： 127 - 131 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2010.08.008 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2010.08.008

周宁，钟舜聪，张秋坤，等 . 微梁模态分析的声激励光学相干振动层析系统［J］. 仪器仪表学报， 2018 ， 39 （ 12 ）： 47 - 54 . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J1804100 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J1804100

ZHOU N ， ZHONG S C ， ZHANG Q K ， et al . Acoustic-excitation based on optical coherence vibration tomography for modal analysis of microbeams ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2018 ， 39 （ 12 ）： 47 - 54 . （in Chinese） . doi: 10.19650/j.cnki.cjsi.J1804100 http://dx.doi.org/10.19650/j.cnki.cjsi.J1804100

ZHONG S C ， ZHANG Q K . Enhanced optical coherence vibration tomography for subnanoscale-displacement-resolution calibration of piezoelectric actuators ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2015 ， 233 ： 42 - 46 . doi: 10.1016/j.sna.2015.06.027 http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2015.06.027

WANG C ， KUANG B ， SUN J M ， et al . Research progress on ultra-small self-focusing optical fiber probe ［J］. Chinese Optics ， 2018 ， 11 （ 6 ）： 875 - 888 . doi: 10.3788/co.20181106.0875 http://dx.doi.org/10.3788/co.20181106.0875

WANG C ， SUN J M ， YANG C Y ， et al . Research on a novel Fabry⁻Perot interferometer model based on the ultra-small gradient-index fiber probe ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2019 ， 19 （ 7 ）： 1538 . doi: 10.3390/s19071538 http://dx.doi.org/10.3390/s19071538

孙建美，陈斐璐，杨辰烨，等 . 基于超小GRIN光纤探头的F-P干涉仪测振实验［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 7 ）： 1518 - 1526 . doi: 10.37188/OPE.2020.0565 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2020.0565

SUN J M ， CHEN F L ， YANG C Y ， et al . F-P interferometer vibration measurement experimental system based on ultra-small grin fiber probe ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 7 ）： 1518 - 1526 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.2020.0565 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2020.0565

王驰，温珠莉，孙建美，等 . 基于超小自聚焦光纤探头的SS-OCT测振方法研究［J］. 光学学报， 2021 ， 41 （ 15 ）： 1511002 . doi: 10.3788/aos202141.1511002 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.1511002

WANG C ， WEN Z L ， SUN J M ， et al . Research on SS-OCT vibration measurement method based on ultra-small GRIN fiber probe ［J］. Acta Optica Sinica ， 2021 ， 41 （ 15 ）： 1511002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos202141.1511002 http://dx.doi.org/10.3788/aos202141.1511002

AHMADIAN M ， JAFARI K . A graphene-based wide-band MEMS accelerometer sensor dependent on wavelength modulation ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2019 ， 19 （ 15 ）： 6226 - 6232 . doi: 10.1109/jsen.2019.2908881 http://dx.doi.org/10.1109/jsen.2019.2908881

FENG F ， JIA P G ， QIAN J ， et al . High-consistency optical fiber fabry-perot pressure sensor based on silicon MEMS technology for high temperature environment ［J］. Micromachines ， 2021 ， 12 （ 6 ）： 623 . doi: 10.3390/mi12060623 http://dx.doi.org/10.3390/mi12060623

解涛，杨志，王文军，等 . 基于MOEMS敏感结构的非本征F-P干涉仪式光纤声压传感器［J］. 微纳电子技术， 2021 ， 58 （ 7 ）： 627 - 632 .

XIE T ， YANG Z ， WANG W J ， et al . Extrinsic fabry-perot interferometer optical fiber acoustic pressure sensor based on MOEMS sensitive structure ［J］. Micronanoelectronic Technology ， 2021 ， 58 （ 7 ）： 627 - 632 . （in Chinese）

WANG X D ， LI B Q ， XIAO Z X ， et al . An ultra-sensitive optical MEMS sensor for partial discharge detection ［J］. Journal of Micromechanics and Microengineering ， 2005 ， 15 （ 3 ）： 521 - 527 . doi: 10.1088/0960-1317/15/3/012 http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/15/3/012

司文荣，傅晨钊，卜剑，等 . 基于多孔式敏感膜片的MEMS光纤珐珀传感器及其局部放电检测［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2613 - 2621 . doi: 10.37188/OPE.20212911.2613 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212911.2613

SI W R ， FU C Z ， BU J ， et al . MEMS fiber optic Fabry-Perot sensors based on porous sensing diaphragms and applications for partial discharge detection ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2613 - 2621 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212911.2613 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212911.2613

陈丽洁，雷亚辉，于洋，等 . 新型氮化铝MEMS声压传感器技术［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2021 ， 42 （ 9 ）： 1355 - 1362 . doi: 10.11990/jheu.202007080 http://dx.doi.org/10.11990/jheu.202007080

CHEN L J ， LEI Y H ， YU Y ， et al . MEMS sound pressure sensor technology based on a new type of AlN piezoelectric film ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2021 ， 42 （ 9 ）： 1355 - 1362 . （in Chinese） . doi: 10.11990/jheu.202007080 http://dx.doi.org/10.11990/jheu.202007080

李亮宇 . 浅谈两种常用公式处理实验标准偏差的方法［J］. 轻工标准与质量， 2013 （ 4 ）： 52 - 53 .

LI L Y . Two Methods of Handling Standard Deviation of Experiments by Common Formulas ［J］. Standard & Quality of Light Industry ， 2013 （ 4 ）： 52 - 53 . （in Chinese）

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