随着微机电系统(MEMS)技术的发展,压阻式、电容式、谐振式等压力传感器在汽车、航天、生物等领域都有着广泛的应用。近年来又出现了新型的光学压力传感器,并得到了越来越多的关注。光学压力传感器具有抗辐射、抗电磁场干扰、工艺简单、尺寸小、灵敏度高、精度高等优点,适合在太空、沙漠、石油钻井等高辐射、高电磁干扰,、高温等极端环境中应用。光学压力传感器主要有光纤压力传感器和硅光波导MEMS压力传感器等。与光纤压力传感器相比,硅光波导MEMS压力传感器兼容标准CMOS集成工艺,更加适合和电路系统集成和封装。目前硅基光学MEMS压力传感器主要以矩形直波导结构为主。主要通过输出光强的变化来检测作用在薄膜上的压强变化,但直波导压力传感器的光强和压强之间存在着非线性的关系,器件的线性度难以提高。为了解决直波导光学压力传感器的非线性问题以及进一步提高器件性能,本文提出并研究了基于环形光波导结构和圆孔布拉格结构的两种新型光学压力传感器。1、提出了一种利用环形波导的半径变化代替有效折射率变化的新传感模式。这一方面解决了直波导光学压力传感器的非线性问题,也解决了P.K.Pattnaik提出的环形波导结构光学压力传感器中存在的传输功耗大、薄膜厚度厚,压力难以传导的问题。本文用基于有限元算法的COMSOL软件对压力传感器的各向形变和压强分布等机械特性进行了数值仿真。通过基于时域有限差分法的Rsoft软件对器件的光学特性进行了模拟仿真。结果表明,与P. K. Pattnaik提出的结构相比,本文设计的光学压力传感器结构参数得到优化,使环形光波导半径缩小为十分之一、薄膜的厚度缩小为三分之一。在此基础上,本文采用CMOS工艺以及MEMS加工方法研制了环形光波导结构的光学MEMS压力传感器并进行了测试。实验结果表明,在0-60kPa量程范围内,器件灵敏度达到1.47pm/kPa,精度为1.36kPa,迟滞率小于2%,实验结果也验证了理论分析和仿真模拟的正确性和合理性。本文还以环形光波导结构为单元,提出了一种用单层矩阵结构来测量压力分布的新方案。2、为了进一步提高光学压力传感器的灵敏度和精度,本文首次提出了一种基于布拉格结构的新型光学压力传感器。这种新的压力传感模式,利用输出光谱中的布拉格耦合波长的改变量来线性表征作用在薄膜上压强的变化。论文通过COMSOL软件仿真,确定了布拉格结构在薄膜上的最佳位置,优化了结构参数。本文采用CMOS工艺以及MEMS加工技术研制了基于布拉格结构的新型光学压力传感器,并对器件进行了测试。结果表明这种新型器件不仅保证了输出信号与压强的线性度,而且提高了器件的性能,在0-60kPa量程范围内灵敏度达到1.55pm/kPa,精度为1.29kPa。迟滞率小于2%。上述两种新型光学压力传感器具有不同的特点。环形波导光学压力传感器尺寸小、结构简单更加适合形成矩阵模式,适合在剪切应力位移的检测和压强分布的测量方面使用。布拉格结构光学压力传感器灵敏度高,并且可以测量薄膜上压强的分布情况,适合在生物和医学等方面应用。