NanoindustryNanoindustryНаноиндустрия1993-85782687-0282Technosphera JSC69725110.22184/1993-8578.2025.18.7-8.420.431Equipment for NanoindustryОборудование для наноиндустрииResearch ArticleDevelopment of a micro-opto-mechanical pressure sensor based on the Mach-Zehnder interferometerРазработка микрооптомеханического датчика давления на основе интерферометра Маха-Цендераhttps://orcid.org/0000-0003-2632-898XSaurovM. A.СауровМ. А.
Russian Federation

Junior Researcher

м.н.с.

D.Gorelov@tcen.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0887-9406GorelovD. V.ГореловД. В.
Russian Federation

Senior Researcher

с.н.с.

D.Gorelov@tcen.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7960-1583KadochkinA. S.КадочкинА. С.
Russian Federation

Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

к.ф.-м.н., с.н.с.

D.Gorelov@tcen.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0831-9254SvetukhinV. V.СветухинВ. В.
Russian Federation

Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Director, Corresponding Member of RAS

д.ф.-м.н, проф., чл.-корр. РАН, дир.

D.Gorelov@tcen.ruScientific-Manufacturing Complex "Technological Centre"НПК "Технологический центр"National Research University of Electronic Technology (MIET)Национальный исследовательский университет "МИЭТ"10122025187-842043101122025Copyright ©; 2025, Saurov M.A., Gorelov D.V., Kadochkin A.S., Svetukhin V.V.Copyright ©; 2025, Сауров М.А., Горелов Д.В., Кадочкин А.С., Светухин В.В.2025Saurov M.A., Gorelov D.V., Kadochkin A.S., Svetukhin V.V.Сауров М.А., Горелов Д.В., Кадочкин А.С., Светухин В.В.https://journals.eco-vector.com/1993-8578/article/view/697251

In this paper shows the possibility of creating sensitive elements based on integrated optical technology and MEMS structures. A prototype of a pressure sensor operating on the principle of optical interference is presented. The sensor’s sensing element is based on a Mach-Zehnder interferometer, one of the arms of which is located on a deformable membrane. The optical scheme of the interferometer is implemented on Si3N4 integrated waveguides. In the course of the study, a theoretical assessment of the effect of membrane deformation on waveguide geometry was performed. The calculations performed were tested during experimental studies of models of a micro-opto-mechanical pressure sensor with different configurations of the interferometer arms. As a result of the research, a technological basis for integrated optical sensors based on silicon nitride waveguides and MEMS technology for the formation of membranes on silicon substrates has been developed.

В работе показана возможность создания чувствительных элементов на основе интегрально-оптической технологии и МЭМС-структур. Представлен прототип датчика давления, работающего на принципе оптической интерференции. Чувствительный элемент датчика основан на интерферометре Маха-Цендера, одно из плеч которого располагается на деформируемой мембране. Оптическая схема интерферометра реализована на интегральных волноводах из Si3N4. В ходе исследования выполнена теоретическая оценка влияния деформации мембраны на геометрию волновода. Проведенные расчеты были апробированы в ходе экспериментальных исследований макетов микрооптомеханического датчика давления с различной конфигурацией плеч интерферометра. В результате исследований разработан технологический базис интегрально-оптических датчиков на основе нитрид-кремниевых волноводов и МЭМС-технологии по формированию мембран на кремниевых подложках.

micro-opto-mechanical pressure sensorMEMS technologyMach-Zehnder interferometerphase delayinterferenceintegrated waveguideмикрооптический датчик давленияМЭМС технологияинтерферометр Маха-Цендерафазовая задержкаинтерференцияинтегральный волноводThis work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (FNRM-2025-0012)Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках научной темы FNRM-2025-0012Padron I., Fiory A.T., Ravindra N.M. Integrated optical and electronic pressure sensor. IEEE Sensors Journal. 2011. Vol. 11. No. 2. PP. 343–350.Urban F., Kadlec J., Vlack R., Kuchta R. Design of a pressure sensor based on optical fiber Bragg grating lateral deformation. Sensors. 2010. Vol. 10. PP. 11212–11225.Dai L., Wang M., Cai D., Rong H., Zhu J., Jai S., You J. Optical fiber fabry-pérot pressure sensor based on a polymer structure. IEEE Photonics Technology Letters. 2013. Vol. 25. No. 24. PP. 2505–2508.Pattnaik P.K., Selvarajan A., Srinivas T. Guided wave optical mems pressure sensor. Sensors for Industry Conference, Houston, 2005.Porte H., Gorel V., Kiryenko S., Jean-Pierre G., Daniau W., Blind P. Imbalanced mach-zehnder interferometer integrated in micromachined silicon substrate for pressure sensor. Journal of Lightwave Technology. 1999. Vol. 17(2). PP. 229–233.Abdulla S., Harmsma P., Nieuwland R., Pozo J. SOI based mechano-optical sensor using a folded micro-ring resonator. 9th International Workshop on Nanomechanical Sensing (NMC 2012), 2012. PP. 80–81.Hallynck E., Bienstman P. Integrated optical pressure sensors in silicon-on insulator. IEEE Photonics Journal. 2012. Vol. 4. No. 2. PP. 443–450.Timoshenko S., Woinowsky-Krieger S. Theory of plates and shells. 1959.Rochus V. et al. Design of a MZI micro-opto-mechanical pressure sensor for a SiN photonics platform. 17th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE). IEEE. 2016. PP. 1–5.Rochus V. et al. Fast analytical model of MZI micro-opto-mechanical pressure sensor. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2018. Vol. 28. No. 6. P. 064003.