用于水深测量的光纤MEMS压力传感器，助力智能海洋监测与感知
2026-08-08 10:07:20 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
黑龙江大学和中国电子科技集团公司第四十九研究所联合开发了一种光纤法布里-珀罗（FP）MEMS水深压力传感器，其核心为通过硼硅酸盐玻璃与硅的阳极键合制造的微型FP腔，这既确保了结构鲁棒性又实现了晶圆级批量生产。
为实现高精度、实时、长期的智能海洋监测与感知，针对温度、盐度和深度的传感技术已成为近期研究的热点。其中，水深压力作为海洋动力学分析、气候变化预测以及水下导航与作业中的核心物理量，需要具备高精度、高稳定性、实时性及长期监测能力，是精细化海洋监测的重要基础。
据麦姆斯咨询报道，近期，黑龙江大学和中国电子科技集团公司第四十九研究所联合开发了一种光纤法布里-珀罗（FP）MEMS水深压力传感器，其核心为通过硼硅酸盐玻璃与硅的阳极键合制造的微型FP腔，这既确保了结构鲁棒性又实现了晶圆级批量生产。这项研究工作为开发适用于海洋环境的高可靠性、低成本光学水深压力传感器提供了一种具有竞争力的解决方案。相关研究成果以“Low Cross Sensitivity Fiber-Optic MEMS Pressure Sensor for Water Depth Measurement”为题发表在IEEE Photonics Technology Letters期刊上。
基于光学干涉的MEMS水深压力传感器的简化模型如下图所示。采用MEMS技术和阳极键合工艺批量制造FP传感芯片。全反射光谱由三个反射器的叠加干涉产生。水深压力传感器由压力入口、FP传感芯片、底座、金属外壳和铠装单模光纤（SMF）组成。
基于光学干涉的MEMS水深压力传感器示意图
玻璃因其高光学透明度而被选为基底，而单晶硅因其良好的机械和光学性能而被用作压敏膜片，通过高温阳极键合可以形成高度平行的光学表面。为避免因不同键合材料之间热膨胀系数不匹配引起的热应力导致传感芯片失效，研究人员选用了与硅热膨胀系数高度匹配的玻璃，最大限度地降低键合应力。FP传感芯片的两步制造过程如下图所示。
FP传感芯片的制造
实验结果表明，在0.1-1.1 MPa（相当于10-110 m水深）范围内，光纤FP MEMS水深压力传感器具有高达-68.99 nm/MPa的压力灵敏度。当与高分辨率解调系统集成时，可实现厘米级深度分辨率。该传感器的重复性误差为0.18%满量程（FS），稳定性优于0.21% FS。此外，由于键合材料的热膨胀系数匹配良好，传感器表现出较低的温度交叉灵敏度，在-10至40 °C范围内温度灵敏度仅为0.43 nm/°C，确保了在不同温度条件下的可靠运行。
不同水深/压力下的传感器线性响应分析
MEMS水深压力传感器的温度测试
综上，研究人员开发了一种低交叉灵敏度的光纤FP MEMS水深压力传感器，其中的传感芯片采用阳极键合的硼硅酸盐玻璃-硅结构，形成一个鲁棒的、晶圆级制造的FP干涉腔。该压力传感器在0.1-1.1 MPa（对应10-110 m水深）范围内的压力灵敏度为-68.99 nm/MPa，重复性误差为0.18% FS，稳定性优于0.21% FS。当与高分辨率解调系统集成时，可实现厘米级的深度分辨率。由于材料的热膨胀系数匹配，该传感器的温度灵敏度仅为0.43 nm/°C，为海洋环境中的大规模、高精度和长期水深压力监测提供了可靠的解决方案。
论文信息：DOI: 10.1109/LPT.2026.3711694
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