1 绪论
现代技术的发展离不开传感器的进步。传感器种类繁多，但是很多情形下，传感技术高度受限于特定的应用场景，能够满足特定应用环境要求的传感技术相当有限。通常需要根据具体的影响场景来讨论特定的传感技术。在水声探测领域，由于声波是目前已知的唯一能在水下进行远距离信息传递的载体，水声传感器（或称水听器）在水下军事对抗、海洋资源勘探和地球物理研究等领域有着不可替代的作用。
声压传感器是通过接收声波对目标进行探测、定位和识别的传感器。目前基于压电陶瓷（piezoelectric ceramics，PZT）材料的MEMS水听器的灵敏度典型值为-210dB re 1V/?Pa，尚不能满足实用需求。由于具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、结构设计灵活、传输距离远、易于复用和可以多参量测量等优点，光纤声压传感器自1977年被美国海军研究实验室的Bucaro等[1]和Cole等[2]分别提出之后便获得飞速发展，并在诸多关键领域获得广泛应用，如油气勘探[3]、医疗、水下通信、地震监测[4]、结构无损检测[5]以及水下监听[6]等。
根据应用环境的不同，可以将光纤声压传感器分为工作在空气中的“光纤麦克风”和工作在水或其他液体中的“光纤水听器”两种。光纤水听器技术一直是光纤声压传感技术重要的研究领域之一，其发展一直受到主要海洋军事强国（如美国）的大力支持。在现实军事需求中，我国海军目前正面临着巨大的反潜挑战。为了有效应对这些挑战，我国必须大力发展高性能水声探测设备。研究小型化的高性能声压传感器对新一代声压传感系统的发展具有重要意义[7]。
通常情况下，“高性能”的含义是需要同时满足低噪声、高灵敏度、宽工作频带和大动态范围。典型的“高性能”应用场景有战术和监视级军事声呐系统、石油勘探用地震和声呐系统等。对光纤传感而言，其高灵敏度、抗电磁干扰能力、低成本、电无源、复用和高可靠性等通用优势中的某些特征是“高性能”应用场合的关键指标。
特别的，在水声探测领域，随着消声技术的发展，目前安静型潜艇和舰船的本征噪声主要集中在低频段，需要传感器具有低频检测能力；为了提高探测距离，需要传感器具有微弱信号检测能力；为了降低系统成本、提高系统的集成性和检测的空间分辨率，对传感器的大规模复用能力提出要求。此外，水声传感的挑战性还在于传感器需要在非常大的静水压背景中实现对极微弱信号的高灵敏度测量。传感器所承受的静水压值可以比所要求测量的*小声压幅值高10个量级。对大多数的线性传感器而言，实现如此高的动态范围具有很大难度。
光纤传感器根据机理可分为偏振型、强度型、干涉型、光纤光栅型、光纤激光器等[8， 9]。其中干涉型光纤水听器具有灵敏度高、易于复用等优点，光纤干涉型传感器可以在超过1%的静态应变存在的情况下检测出低至10-15的动态应变[10]。早期的研究人员通过采用干涉技术实现光纤传感器的检测，同时满足高灵敏度和高动态范围的需求。英国水听器专家Nash认为干涉型光纤水听器技术是较有可能构成未来声呐系统的技术之一[11， 12]，因此该技术成为各国研究的热点。
1.1 MEMS光纤声压传感技术简介
目前常用的干涉原理主要有Michelson干涉、Sagnac干涉、Mach-Zehnder（M-Z）干涉，Fabry-Perot（F-P）干涉[13，14]。基于M-Z干涉和Michelson干涉的光纤水听器及其阵列是目前被研究较多且较为成功的光纤水听器方案，但它们的探测精度受到相位衰落和偏振衰落的影响，需要复杂的极化分集和解调原理来处理偏振引起的信号衰落。基于Sagnac的干涉仪不存在相位衰落问题，具有抗偏振衰落方法简单、探头结构简单等优点。这几种干涉仪都可以归类为长臂干涉仪，尽管其在小型化的过程中取得了一定的成果[15]，但是该结构固有的缺陷决定了基于长臂干涉仪的光纤水听器系统很难进行小型化。因此光纤F-P干涉仪是较有希望进行小型化技术的干涉方案之一。
关于Michelson、Sagnac、M-Z干涉结构的介绍和讨论可以在很多光纤光学相关的书籍中找到，本书不再赘述。
光纤F-P腔可以分成环形腔和线形腔结构。环形腔由光纤耦合器构成，其尺寸较大，不适宜进行小型化[16]。线形F-P腔利用光在不同传输介质的交界面构成反射端面。根据反射端面的不同，可以将F-P腔分成如图1-1所示的本征型、非本征型和复合型三种结构。本征型光纤F-P腔是通过在光纤内加工两个反射面［如光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating， FBG），简称光纤光栅[17]］组成F-P腔，复合型光纤F-P腔多采用单模光纤与其他类型光纤（如多模光纤、光子晶体光纤[18]等）的交界面构成反射端面，形成F-P腔。这两种F-P腔采用光纤自身做敏感元件，具有结构简单、便于制造、波分复用能力好等优点，但一般需要较长的腔长以获得较高的灵敏度，导致传感器探头尺寸较大，不适合进行小型化。非本征F-P干涉仪（extrinsic Fabry-Perot interferometer， EFPI）光纤传感器结构则不受光纤自身限制，可以根据不同的机理实现对生物[19]、压力[20-22]、加速度[23， 24]、应变[25]、振动[26]、位移[27]、液位[28]、温度[29]、折射率[30]、湿度[31]等多种信息量的传感和多参量同时测量[32]，大大拓展了光纤传感技术的应用领域。EFPI光纤传感器也是*有希望实现小型化的F-P腔结构。
图1-1 光纤F-P腔结构示意图
MEMS具有尺寸小、成本低、可靠性高、重量轻和易于大规模批量生产等优势。利用MEMS技术已经加工得到许多新型小型化的传感器结构，并已在商业产品中取得良好应用，典型代表如MEMS麦克风[33， 34]、MEMS水听器[35， 36]、MEMS扬声器、MEMS加速度计[37]、MEMS微流道检测芯片等。但MEMS电容/压电水听器的灵敏度一般随着传感器的尺寸减小而降低[38-40]。
图1-2为MEMS电容麦克风的典型结构[41]。利用硅材料做基底和背板，氮化硅材料作为膜片，通过腐蚀硅材料和氮化硅之间的二氧化硅层加工空气间隙。在膜片和背板间加载电荷之后即可构成一个电容麦克风。
图1-2 MEMS电容麦克风结构示意图[41]
将光纤传感技术同MEMS技术相结合可为光纤声压探测系统的小型化甚至微型化提供新的解决方案，为生物、医学及复杂环境下的应用提供良好的解决途径。
基于MEMS技术的光纤声压传感器的典型结构如图1-3所示。利用膜片作为声压敏感元件，这一点与MEMS电容麦克风相似。膜片在外界声压作用下发生振动，引起F-P腔腔长的变化，进而导致反射光信号发生变化，从而实现对外界声压信息的感知。当传感器尺寸与光纤尺寸相同或近似时，称为Fiber-tip结构；当传感器尺寸大于光纤尺寸时，称为Fiber-end结构。如果没有特殊说明，本书所述MEMS光纤声压传感器均为EFPI结构。
图1-3 膜片式MEMS光纤声压传感器典型结构示意图
基于MEMS技术的光纤声压传感技术虽然原理简单，但是却是一门跨学科交叉融合技术，包括声学（水声学）、光纤传感技术、MEMS加工技术等，其对传感机理、结构设计与封装、信号检测、复用与降噪等一系列相关问题都提出了新要求。
尽管基于MEMS技术的光纤F-P传感器的相关研究较多，但目前MEMS光纤声压传感器的研究以光纤麦克风居多，基于MEMS技术的光纤水听器研究尚处于起步阶段。由于MEMS光纤麦克风和MEMS光纤水听器的工作原理相同，许多研究内容具有共通性，针对二者共同的研究内容（如声压敏感膜片和传感结构）本书将集中进行介绍，针对MEMS光纤水听器的研究现状则会在相关章节中进行单独介绍。
1.2 MEMS光纤声压传感器领域现存主要问题
目前MEMS光纤声压传感器基本上以膜片式结构为主，虽然该结构的研究已有可观进展，但主要应用在静压测量领域，针对微弱声压信号检测的相关研究较少，针对高静压条件下的微弱水声信号检测的研究则更少[42]。目前该领域存在的关键技术问题主要有以下几点。
（1）缺乏完整的膜片式MEMS光纤声压传感器结构理论分析模型。由于膜片式MEMS光纤声压传感器研究涉及多个学科，包括声学、机械、光学、电学等。目前多数研究者单纯通过膜片的机械性能确定传感器整体的声学性能，而忽略了传感器结构自身和工作环境对其性能的影响。与MEMS电容式麦克风已有完整的电力声设计模型不同，膜片式MEMS光纤声压传感器的理论设计分析工作相对滞后。目前仅有斯坦福大学的Onur Kilic在发表的文献中对其进行详细叙述[13， 14， 43]。国内国防科技大学的王泽锋曾利用等效电路方法进行过四阶低通水声滤波器的设计工作，但并没有应用于MEMS光纤声压传感器的设计分析中[44]。因此有必要参考MEMS电容麦克风的设计模型对膜片式MEMS光纤声压传感器的性能进行理论建模和分析。
（2）缺乏低成本、高质量的声压敏感膜片加工方法。作为膜片式MEMS光纤声压传感器的核心元件，声压敏感膜片的性能直接决定了传感器的性能指标。为实现微弱声压信号检测要求膜片具有较高的机械灵敏度，F-P腔光学系统需要膜片具有较高的光学反射率。目前常见的硅、石英、氮化硅、石墨烯等均无法同时满足这两个要求。平板光子晶体和金属膜片可同时满足这两个要求，但平板光子晶体加工困难、使用成本较高，而金属膜片在湿法转移贴合的过程中容易产生皱褶，造成加工结构的重复性较差。受限于加工能力，目前所用的声压敏感膜片多为平膜结构。有必要研究高质量的声压敏感膜片加工转移技术。
（3）水声检测难以同时兼顾抗静水压及高检测灵敏度要求。为了抵消外界静水压的影响，传统的膜片式MEMS光纤水听器通常在F-P腔内填充液体，并利用连通孔将腔内外连通起来[13， 14]。但由于液体（通常是水或蓖麻油）的可压缩比远小于空气的可压缩比，其对膜片运动的阻碍作用也远大于空气的阻碍作用。因此，基于液体填充腔的F-P声压传感器灵敏度普遍较低，难以满足实际需求。如何在平衡静水压作用的基础上提高其灵敏度，是目前MEMS光纤水听器研究领域面临的一个重要课题。
另外，由于MEMS光纤声压传感器的组成结构中不可避免会有一段自由空间光传输距离，在后续的分析中将会发现，光束从光纤端面传输出来之后将会发生扩散，从而造成光能的损耗，进而将对传感器的复用产生较大的影响。目前干涉型光纤传感技术的解调多数适用于短腔长型MEMS光纤声压传感器。现有的强度解调和相位解调方案通常也存在各种问题。因此，研究适用于短腔长型MEMS光纤声压传感器的高精度、低噪声传感系统也是该研究领域所面临的重要问题。
1.3 本书主要内容
本书目的是利用MEMS技术加工微型F-P光纤声压传感器，对其光学特性、传感机理、结构设计、加工封装与性能检测等关键技术进行系统研究，以期为高性能的微型F-P光纤声压探测设备进行理论和技术积累。本书的研究成果在新型高性能声呐浮标、地震检测、水下无人探测平台等领域有广泛的应用前景。
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