RU2365064C1 - Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane - Google Patents
Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365064C1 RU2365064C1 RU2008115400/28A RU2008115400A RU2365064C1 RU 2365064 C1 RU2365064 C1 RU 2365064C1 RU 2008115400/28 A RU2008115400/28 A RU 2008115400/28A RU 2008115400 A RU2008115400 A RU 2008115400A RU 2365064 C1 RU2365064 C1 RU 2365064C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- sound
- membrane
- fiber
- interferometric sensor
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и микротехнологии и может быть использовано в конструкции микроминиатюрных приемников акустических сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.). Наиболее эффективно его использовать в приемниках звуковых сигналов специального назначения.The invention relates to optical electronic instrumentation and microtechnology and can be used in the construction of microminiature receivers of acoustic signals (microphones, hydrophones, vibrophones, phonendoscopes, etc.). It is most effectively used in special-purpose sound receivers.
Известен оптический микрофон, содержащий звукочувствительную микромембрану (ЗЧММ), оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади данного зеркала, и спектроанализатор. ЗЧММ выполнена в виде планарной тонкой прозрачной пластинки с тонким слоем, расположенной наклонно между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос (RU 2225599, G01H 9/00, G01L 11/02, 2004).A known optical microphone containing a sound-sensitive micro-membrane (MFMM), optically coupled light source, a reflecting mirror made partially transmitting light radiation, a periodic system containing photocells located behind this mirror, and a spectrum analyzer. The HFMM is made in the form of a planar thin transparent plate with a thin layer inclined between the light source and the reflecting mirror at an angle Θ, determined from the relation sinθ = λ / 2d, where θ is the angle between the thin partially transmitting layer and the wavefront of the light wave, λ - light wavelength, d - period of interference fringes (RU 2225599, G01H 9/00, G01L 11/02, 2004).
Однако такой микрофон является сложным и громоздким, а его область использования ограничена объемными акустическими сигналами для получения различных цветомузыкальных эффектов.However, such a microphone is complex and cumbersome, and its area of use is limited by surround acoustic signals to obtain various color music effects.
Известен также оптический микрофон, содержащий корпус, звукочувствительную мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник. На внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод. Пазы покрыты пленкой. При этом источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца указанного световода (RU 2047944, H04R 23/00, 1995). Микрофон может быть дополнительно снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, причем анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконно-оптический световод, направляющую линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором (RU 2273115, H04R 23/00, 2006).Also known is an optical microphone comprising a housing, a sound-sensitive membrane fixed along the perimeter of the housing, a radiation source, a fiber optic light guide, a focusing lens and a photodetector. On the inner surface of the membrane in a spiral grooves are made in which the optical fiber is placed. The grooves are covered with a film. In this case, the monochromatic radiation source and the focusing lens are installed opposite the first end of the optical fiber, and the photodetector is located opposite the second end of the specified fiber (RU 2047944, H04R 23/00, 1995). The microphone can be additionally equipped with a guiding lens, a polarizer installed behind it, an analyzer installed in front of the focusing lens, a photomultiplier and a recorder, the analyzer connected through the rod to the inner surface of the membrane with the possibility of rotation using a spring-link mechanism, and the radiation source is optically coupled through fiber - optical fiber, guide lens, polarizer, analyzer, focusing lens, photodetector, photomultiplier with recorder (RU 2273115, H04R 23/00, 2006).
Данные конструкции выполнены на макроуровне, в связи с чем для использования в составе специальной техники они неприемлемы.These designs are made at the macro level, and therefore they are unacceptable for use as part of special equipment.
Наиболее близким к заявляемому является оптический микрофон, выполненный на базе волоконно-оптической сенсорной системы, содержащей лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный звукочувствительной мембраной, оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, при этом первый вход волоконно-оптического разветвителя связан с лазерным источником оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности звукочувствительной мембраны интерферометрического сенсора согласно формулеClosest to the claimed one is an optical microphone made on the basis of a fiber-optic sensor system containing a laser source of optical radiation with high coherence, an interferometric sensor equipped with a sound-sensitive membrane, an optical-electronic converter (OED), including a fiber-optic splitter made of single-mode optical fibers, a photodetector and an electric signal amplifier, the input of which is connected to the output of the photodetector, with the first input of fiber optic the optical splitter is connected to the laser optical radiation source, the interferometric sensor is connected to the second input of the optical fiber splitter with the possibility of transmitting light and receiving the optical interference signal, the output of the optical fiber splitter is connected to the optical input of the photodetector, and the fiber-optic splitter is connected to the interferometric sensor based on finding the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter in the vicinity of the nominal distance from the reflective surface of the sound-sensitive membrane of the interferometric sensor according to the formula
где lн - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;where l n is the nominal value of the distance from the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor, microns;
λ - длина волны оптического излучения, мкм;λ is the wavelength of optical radiation, microns;
n - нечетное число из интервала [1001÷3001].n is an odd number from the interval [1001 ÷ 3001].
Для компенсации дрейфа рабочей точки конструкция дополнительно содержит контур прецизионного регулирования с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, а в качестве терморегулирующего органа целесообразно использовать элемент Пельтье (RU 2279112, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006, варианты по пп.2-4 формулы).To compensate for the drift of the operating point, the design additionally contains a precision control loop with a control action on the laser temperature by the static component of the feedback signal from the photodetector, and it is advisable to use a Peltier element as a thermoregulating element (RU 2279112, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006 , options according to claims 2-4 of the formula).
Однако такой микрофон требует специального выполнения звукочувствительной мембраны интерферометрического сенсора, так как при установке в него известных звукочувствительных мембран он будет обладать низкой чувствительностью, а вариант микрофона с контуром регулирования положения рабочей точки сложен в изготовлении и эксплуатации.However, such a microphone requires a special implementation of the sound-sensitive membrane of the interferometric sensor, since when installing well-known sound-sensitive membranes in it, it will have low sensitivity, and the option of a microphone with a control loop for adjusting the position of the operating point is difficult to manufacture and operate.
Технической задачей предлагаемого устройства является повышение его звуковой чувствительности. Дополнительной задачей является упрощение конструкции узла регулирования положения рабочей точки.The technical task of the proposed device is to increase its sound sensitivity. An additional task is to simplify the design of the unit for regulating the position of the operating point.
Для повышения звуковой чувствительности оптического микрофона в его интерферометрический сенсор вносятся следующие изменения:To increase the sound sensitivity of an optical microphone, the following changes are made to its interferometric sensor:
1) в качестве звукочувствительной мембраны используется гофрированная звукочувствительная микромембрана, изготовленная из нитрида кремния стехиометрического состава;1) a corrugated sound-sensitive micro-membrane made of stoichiometric silicon nitride is used as a sound-sensitive membrane;
2) механическое напряжение используемой ЗЧММ составляет от 10 до 80 кПа;2) the mechanical stress of the used ZChMM is from 10 to 80 kPa;
3) в центре ЗЧММ со стороны, обращенной к торцу оптического волокна, сформирована планарная светоотражающая площадка из Au, Pt или W.3) in the center of the MFMM, from the side facing the end of the optical fiber, a planar reflective area of Au, Pt, or W is formed.
Причинно-следственная связь указанных изменений конструкции с достигнутым повышением звуковой чувствительности состоит в следующем. Переход на микроуровень объясняется специальным назначением микрофона. Изготовление ЗЧММ из нитрида кремния стехиометрического состава обеспечивает ее высокую прочность и технологичность изготовления. При использовании в качестве материала мембраны других материалов, а также нитрида кремния нестехиометрического состава резко снижаются ее прочность и выход годных изделий при изготовлении. Гофрированное исполнение ЗЧММ снижает ее напряженность без ухудшения механических и химических свойств, что имеет следствием повышение звуковой чувствительности. Заданные пределы механического напряжения ЗЧММ обеспечивают ее работу на квазилинейном участке преобразования ее перемещения в принимаемый оптический сигнал, т.е. с минимальными нелинейными искажениями. Планарная светоотражающая площадка выполняет две функции: а) отражение светового сигнала без искажений; б) предотвращение коробления поверхности мембраны в центральной части, возникающего в отсутствие данной площадки под действием остаточных напряжений, связанных с наличием гофров. Материал площадки указан с учетом технологичности изготовления, а также надежности и скрытности эксплуатации.The causal relationship of these design changes with the achieved increase in sound sensitivity is as follows. The transition to the micro level is explained by the special purpose of the microphone. The manufacture of the ZChMM from stoichiometric silicon nitride ensures its high strength and manufacturability. When other materials are used as the membrane material, as well as non-stoichiometric silicon nitride, its strength and yield during manufacturing are sharply reduced. The corrugated design of the FMCM reduces its tension without compromising the mechanical and chemical properties, which results in an increase in sound sensitivity. The specified limits of the mechanical stress of the MFM ensure its operation in the quasilinear section of the transformation of its movement into a received optical signal, i.e. with minimal non-linear distortion. The planar reflective area performs two functions: a) reflection of the light signal without distortion; b) prevention of warpage of the membrane surface in the central part that occurs in the absence of this site under the influence of residual stresses associated with the presence of corrugations. The material of the site is indicated taking into account the manufacturability of manufacturing, as well as the reliability and secrecy of operation.
Заданная характеристика механического напряжения ЗЧММ является интегральным показателем, обеспечивающим, с одной стороны, высокую звуковую чувствительность, а с другой стороны, минимизацию нелинейных искажений. Альтернативным способом задания характеристики ЗЧММ является описание соотношения ее геометрических параметров (толщины, площади, количества, глубины и ширины гофр и т.д.) в виде математической модели в координатном пространстве геометрических параметров. Однако такое описание громоздко и требует проведения длительных экспериментов. Гораздо целесообразнее для каждого типоразмера ЗЧММ с учетом требуемых ограничений предварительно установить соотношение остальных (варьируемых) геометрических параметров по критерию установленного механического напряжения мембраны (10÷80 кПа), что осуществляется, например, проведением соответствующего многофакторного эксперимента в координатном пространстве варьируемых параметров по одному из общеупотребительных планов. Поэтому далее значения геометрических параметров мембраны даются справочно. В частности, целесообразно выполнение ЗЧММ толщиной 0,2-0,4 мкм и площадью 2-2,5 мм2 с 2-3 кольцевыми гофрами в окрестности ее периметра глубиной 18-25 мкм, шириной гофра 30-90 мкм и шагом между гофрами 80-120 мкм. Рекомендуемые размеры светоотражающей площадки ЗЧММ: диаметр - 500-700 мкм, толщина - The specified characteristic of the mechanical stress of the MFMM is an integral indicator, providing, on the one hand, high sound sensitivity, and on the other hand, minimizing non-linear distortions. An alternative way to specify the characteristics of the MFMM is to describe the relationship of its geometric parameters (thickness, area, quantity, depth and width of the corrugations, etc.) in the form of a mathematical model in the coordinate space of geometric parameters. However, such a description is cumbersome and requires lengthy experiments. It is much more expedient for each size of the FMCM, taking into account the required restrictions, to pre-establish the ratio of the remaining (variable) geometric parameters according to the established mechanical stress of the membrane (10 ÷ 80 kPa), which is carried out, for example, by conducting a corresponding multivariate experiment in the coordinate space of variable parameters according to one of the commonly used plans. Therefore, further values of the geometric parameters of the membrane are given for reference. In particular, it is advisable to perform the ZHMM with a thickness of 0.2-0.4 microns and an area of 2-2.5 mm 2 with 2-3 ring corrugations in the vicinity of its perimeter with a depth of 18-25 microns, a corrugation width of 30-90 microns and a pitch between the corrugations 80-120 microns. Recommended dimensions of the reflecting area ЗЧММ: diameter - 500-700 microns, thickness -
0,05-0,1 мкм. При специальном назначении целевого изделия следует выбирать минимально возможные размеры светоотражающей площадки для минимизации размеров конструкции и скрытности ее обнаружения (диаметр светоотражающей площадки должен охватывать лишь область освещения, а толщина обеспечивать планарность). При указанном соотношении геометрических параметров механическое напряжение ЗЧММ лежит в заявленных пределах 10÷80 кПа.0.05-0.1 microns. For the special purpose of the target product, the smallest possible sizes of the reflective area should be chosen to minimize the size of the structure and the secrecy of its detection (the diameter of the reflective area should cover only the lighting area, and the thickness should provide planarity). With the specified ratio of geometric parameters, the mechanical frequency of the FMC is within the declared limits of 10 ÷ 80 kPa.
Дальнейшее повышение чувствительности оптического микрофона, а также повышение надежности и стабильности его работы связано с регулированием положения его рабочей точки. В оптимальном варианте прототипа, как отмечено выше, это выполнено с помощью контура прецизионного регулирования с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, что существенно усложняет конструкцию целевого изделия. Другой путь заключается в регулировании положения рабочей точки по критерию максимума значения динамической составляющей сигнала ОЭП. Техническая реализация этого принципа состоит в том, что прототипное устройство содержит не менее двух ОЭП, первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, и дополнительно включает селектор и коммутатор, причем выходы усилителей ОЭП подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации; выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора; информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей соответствующих ОЭП, а подключение волоконно-оптических разветвителей ОЭП к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от lн (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).A further increase in the sensitivity of the optical microphone, as well as an increase in the reliability and stability of its operation, is associated with the regulation of the position of its operating point. In the optimal version of the prototype, as noted above, this is done using a precision control loop with a control action on the laser temperature by the static component of the feedback signal from the photodetector, which significantly complicates the design of the target product. Another way is to regulate the position of the operating point according to the criterion of the maximum value of the dynamic component of the OEP signal. The technical implementation of this principle is that the prototype device contains at least two OEDs, the first inputs of the fiber optic couplers of which are connected to the laser source of optical radiation through an optical radiation divider, and additionally includes a selector and a switch, and the outputs of the OED amplifiers are connected to the corresponding inputs a selector through detectors of an average level of an electric signal for automatic selection of an EIA from which current information is taken; the selector output is connected to the control input of the switch; the information inputs of the switch are connected to the outputs of the amplifiers of the corresponding OEDs, and the connection of the fiber-optic splitters of the OEPs to the interferometric sensor is made at different distances from the ends of the optical fibers of the second inputs of the corresponding fiber-optic splitters to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor in the vicinity of ± 0.2λ from l n (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).
Однако такое техническое решение обладает низкой надежностью по причине случайного выбора оптического канала при работе в области слабых входных акустических сигналов, что часто имеет место при использовании микрофона по специальному назначению. Поэтому в данном варианте предлагаемого технического решения предусматривается автоматическое корректирование положения рабочей точки по статической составляющей сигнала ОЭП. Этот вариант содержит не менее двух ОЭП, первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, и дополнительно включает селектор, коммутатор и дискриминаторы постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, входы которых подключены к выходам усилителей соответствующих ОЭП, при этом выходы дискриминаторов постоянной составляющей подключены к соответствующим входам селектора для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами соответствующих дискриминаторов переменных составляющих, а подключение волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности ЗЧММ интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от lн.However, this technical solution has low reliability due to the random choice of the optical channel when working in the field of weak input acoustic signals, which often occurs when using a microphone for a special purpose. Therefore, this version of the proposed technical solution provides for automatic correction of the position of the operating point by the static component of the OEP signal. This option contains at least two OEDs, the first inputs of the fiber optic splitters of which are connected to the laser source of optical radiation through an optical divider, and additionally includes a selector, a switch, and discriminators of constant and variable components of the electrical signal, the inputs of which are connected to the outputs of the amplifiers of the corresponding OES, at the same time, the outputs of the discriminators of the constant component are connected to the corresponding inputs of the selector for automatic selection of the EIA from which it produces I will take current information, the selector output is connected to the control input of the switch, the information inputs of the switch are connected to the outputs of the corresponding discriminators of the variable components, and the connection of the fiber-optic splitters of the optoelectronic converters to the interferometric sensor is made at different distances from the ends of the optical fibers of the second inputs of the corresponding fiber optical splitters to the reflective surface of the RFMS of the interferometric sensor in the vicinity of ± 0.2λ from l n
Предлагаемый вариант отличается от RU 2006115899 введением дискриминаторов постоянной составляющей сигналов ОЭП, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора для выбора текущего оптического канала, чем и достигается компенсация дрейфа статической характеристики оптико-электронных преобразователей, поскольку подключение торцов их волоконно-оптических разветвителей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от ЗЧММ.The proposed option differs from RU 2006115899 by the introduction of discriminators of the constant component of the OEP signals, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the selector to select the current optical channel, which compensates for the drift of the static characteristic of the optical-electronic converters, since the ends of their fiber-optic splitters are connected to the interferometric sensor at different distances from the FMC.
При техническом осуществлении предлагаемого оптического микрофона технология изготовления ЗЧММ является уникальной, в связи с чем она описывается далее. Остальные новые и модифицированные узлы конструкции могут быть выполнены из следующих элементов. В качестве селектора удобно использовать программируемый микроконтроллер на базе микросхемы ATMega-8535 фирмы ATMEL (США). Коммутатор может быть собран на базе микросхемы ADG412 фирмы Analog devices (США). Дискриминатор постоянной составляющей электрического сигнала - фильтр нижних частот с частотой среза ≈1 Гц на базе операционного усилителя микросхемы True RMS-to-DC Converter AD797, а дискриминатор переменной составляющей электрического сигнала - полосовой фильтр на базе микросхемы AD823 той же фирмы. Возможна также программная реализация блоков микроконтроллера, коммутатора и дискриминаторов на базе компьютера.In the technical implementation of the proposed optical microphone, the manufacturing technology of the MFM is unique, and therefore it is described below. The remaining new and modified structural units can be made of the following elements. As a selector, it is convenient to use a programmable microcontroller based on the ATMega-8535 chip manufactured by ATMEL (USA). The switch can be assembled on the basis of the ADG412 chip from Analog devices (USA). The discriminator of the constant component of the electric signal is a low-pass filter with a cutoff frequency of ≈1 Hz based on the operational amplifier of the True RMS-to-DC Converter AD797 microcircuit, and the discriminator of the variable component of the electric signal is a band-pass filter based on the AD823 chip of the same company. Software implementation of microcontroller, switch, and computer-based discriminators is also possible.
На фиг.1 представлена схема минимального варианта оптического микрофона; на фиг.2 приведена схема 4-канального интерферометрического сенсора оптического микрофона; на фиг.3 дана функциональная схема подключения элементов выбора текущего ОЭП для съема выходной информации оптического микрофона; на фиг.4 приведены микрофотографии ЗЧММ с отражающей площадкой, сформированной с помощью взрывной и общепринятой литографии. В табл.1 даны технические характеристики различных вариантов гофрированных ЗЧММ; в табл.2 и 3 приведены результаты испытания вариантов оптических микрофонов.Figure 1 presents a diagram of a minimum version of an optical microphone; figure 2 shows a diagram of a 4-channel interferometric sensor of an optical microphone; figure 3 is a functional diagram of the connection of the elements of the selection of the current OEP for removing the output information of the optical microphone; figure 4 shows microphotographs of the MFM with a reflecting pad formed using explosive and conventional lithography. Table 1 gives the technical characteristics of the various corrugated RFM variants; Tables 2 and 3 show the results of testing options for optical microphones.
Оптический микрофон минимальной конфигурации (фиг.1) содержит лазерный источник 1 оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор 2, оснащенный ЗЧММ 3 с гофрами 3а и светоотражающей площадкой 3б в ее центральной части, ОЭП 4, включающий волоконно-оптический разветвитель 5, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор 6 и усилитель 7 электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора 6. Первый вход волоконно-оптического разветвителя 5 связан с лазерным источником 1 оптического излучения, интерферометрический сенсор 2 подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя 5 с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя 5 связан с оптическим входом фотодетектора 6, а подключение волоконно-оптического разветвителя 5 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя 5 в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности ЗЧММ 3 интерферометрического сенсора 2 согласно формуле (1). Микромембрана 3 выполнена из нитрида кремния стехиометрической структуры и имеет напряженность 10÷80 кПа. Светоотражающая площадка 3б мембраны 3 сформирована из Au, Pt или W.The optical microphone of the minimum configuration (Fig. 1) contains a laser source of optical radiation with high coherence, an interferometric sensor 2, equipped with an FMCH 3 with
Лазерное излучение от источника 1, пройдя через волоконно-оптический разветвитель 5, поступает на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от элемента 3б ЗЧММ сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. Указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину, которая с выхода разветвителя 5 поступает на фотодетектор 6, с которого принимается усилителем 7 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок внешней регистрации, например динамический громкоговоритель (на схеме не показан).Laser radiation from
В оптимальном варианте (фиг.2 и 3) оптический микрофон содержит не менее двух ОЭП 4 (на фиг.2 и 3 приведен для определенности микрофон с четырьмя ОЭП), первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником 1 оптического излучения через делитель 8 оптического излучения. Этот вариант дополнительно содержит селектор 9, коммутатор 10 и дискриминаторы 11 и 12 постоянной и переменной составляющих электрического сигнала соответственно, входы которых подключены к выходам усилителей 7 соответствующих ОЭП 4, при этом выходы дискриминаторов 11 подключены к соответствующим входам селектора 9 для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации. Выход селектора 9 подключен к управляющему входу коммутатора 10, информационные входы коммутатора 10 соединены с выходами соответствующих дискриминаторов 12 переменных составляющих, а подключение волоконно-оптических разветвителей 5 ОЭП 4 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено на разных расстояниях l от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей 5 до светоотражающей поверхности элемента 3б ЗЧММ 3 интерферометрического сенсора 2 в окрестности ±0,2λ от lн.In the best case scenario (FIGS. 2 and 3), the optical microphone contains at least two OEPs 4 (for definiteness, a microphone with four OEPs is shown in FIGS. 2 and 3), the first inputs of the fiber optic splitters of which are connected to the
В данном варианте лазерное излучение от источника 1, пройдя через делитель 8 и разветвители 5, поступает на соответствующие входы интерферометрического сенсора 2. Часть излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от светоотражающей площадки 3б ЗЧММ сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. Указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину. Результирующие оптические сигналы с выхода разветвителей 5 поступают на соответствующие фотодетекторы 6, где преобразуются в электрические сигналы, которые принимаются соответствующими усилителями 7. В выходных сигналах усилителей 7 выделяют постоянную и переменную составляющие с помощью дискриминаторов 11 и 12 соответственно. Переменные составляющие с выходов дискриминаторов 12 поступают на соответствующие информационные входы коммутатора 10, а постоянные (статические) составляющие с выходов дискриминаторов 11 поступают на соответствующие входы селектора 9 для оценки текущей чувствительности соответствующих ОЭП. Эти оценки анализируются селектором 9, работающим в режиме функционального преобразователя, на выходе которого формируется информация о номере ОЭП, текущее значение статической составляющей которого наиболее близко к заданному, которая выбирается в середине квазилинейного участка статической характеристики ОЭП для исключения нелинейных искажений, связанных с дрейфом статической характеристики и обеспечения высокой чувствительности микрофона. Информация о номере выбранного ОЭП, поступив на управляющий вход коммутатора 10, используется им для коммутации своего выхода Uвых с соответствующим входом.In this embodiment, the laser radiation from the
Технология изготовления ЗЧММ, используемой в предлагаемой конструкции оптического микрофона, неизвестна. Поэтому в качестве технологического прототипа принят способ изготовления микромембраны, конструкция которой наиболее близка к рассматриваемой. Известный способ предусматривает выращивание пленки из Si3N4 на поверхности подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) путем пиролиза силана при 850°С в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2. Для этого на указанную подложку наносят пленку из SiC толщиной 0,1-0,4 мкм с помощью магнетронного распыления монокристаллической мишени из SiC в атмосфере аргона при 600°С. На нерабочей поверхности подложки формируют мембранную камеру в форме глухого отверстия квадратного сечения (~1,5×1,5 мм) с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки (с подслоем SiO2) до слоя из Si3N4 (RU 2247443, H01L 29/84, 2005).The manufacturing technology of the FMCM used in the proposed design of the optical microphone is unknown. Therefore, as a technological prototype adopted a method of manufacturing a micro-membrane, the design of which is closest to the considered. The known method involves the cultivation of a film of Si 3 N 4 on the surface of a substrate of single-crystal silicon with a basic orientation of (100) by pyrolysis of silane at 850 ° C in an atmosphere of ammonia using an SiO 2 sublayer. For this purpose, a SiC film 0.1-0.4 μm thick is applied to the specified substrate by magnetron sputtering of a single-crystal target from SiC in an argon atmosphere at 600 ° C. On the non-working surface of the substrate, a membrane chamber is formed in the form of a blind hole with a square cross section (~ 1.5 × 1.5 mm) using anisotropic liquid etching of a portion of the substrate material (with a SiO 2 sublayer) to a layer of Si 3 N 4 (RU 2247443, H01L 29/84, 2005).
Конструкция получаемой известным способом микромембраны отличается от предлагаемой отсутствием гофр и светоотражательной площадки, а также наличием дополнительного компенсирующего слоя из SiC, вследствие чего она обладает крайне низкой чувствительностью в звуковом диапазоне частот и поэтому для использования в оптическом микрофоне неприемлема.The design of the micro-membrane obtained in a known manner differs from that proposed by the absence of corrugations and a reflective pad, as well as by the presence of an additional compensating layer of SiC, as a result of which it has extremely low sensitivity in the sound frequency range and is therefore unacceptable for use in an optical microphone.
Главной технической трудностью модификации известного способа применительно к получению предлагаемой ЗЧММ является проведение процесса удаления из сформированных на большую глубину гофров затекшего в них фоторезиста и находящегося под ним металла при формировании светоотражающей площадки. Как поясняется далее, процесс удаления компонентов из гофров на требуемую глубину возможен только путем взрывной литографии (Моро У. Микролитография. - М.: Мир, 1990, с.801-814).The main technical difficulty in the modification of the known method in relation to the preparation of the proposed FMCM is the process of removing from the corrugations formed to a great depth the corrugated photoresist and the metal beneath it during the formation of the reflective area. As explained below, the process of removing components from the corrugations to the required depth is possible only by explosive lithography (Moro U. Microlithography. - M .: Mir, 1990, p. 801-814).
Для обеспечения чувствительности микромембраны в звуковом диапазоне частот в способ ее изготовления, предусматривающий выращивание пленки из Si3N4 на рабочей поверхности подложки 13 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) и формирование мембранной камеры 3в в форме глухого отверстия с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки до слоя Si3N4, вносятся следующие изменения:To ensure the sensitivity of the micromembrane in the audio frequency range, a method for its manufacture, which involves growing a film of Si 3 N 4 on the working surface of a
а) предварительно на подложке формируют рельеф гофров в виде кольцевых одной или нескольких концентрических канавок путем фотолитографии и химического травления;a) the corrugation relief is previously formed on the substrate in the form of circular one or more concentric grooves by photolithography and chemical etching;
б) по окончании выращивания пленки Si3N4 проводят формирование светоотражающей площадки с помощью взрывной литографии путем нанесения алюминиевого покрытия на пленку Si3N4 с последующим вытравливанием центрального участка алюминиевого покрытия, нанесением пленки Au, Pt иди W на его поверхность и химическим травлением оставшегося алюминиевого покрытия для его удаления вместе с нанесенными на него участками пленки Au, Pt или W.b) at the end of growing the Si 3 N 4 film, a reflective area is formed using explosive lithography by applying an aluminum coating to the Si 3 N 4 film, followed by etching the central portion of the aluminum coating, applying Au, Pt, or W film to its surface and chemically etching the remaining aluminum coating to remove it together with Au, Pt or W film sections applied to it
Способ может быть осуществлен следующим образом:The method can be implemented as follows:
1. На рабочей поверхности подложки 13 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) создают углубления в виде кольцевых одной или нескольких концентрических канавок путем фотолитографии и химического травления для формирования гофров 3а.1. On the working surface of the
2. На обработанной поверхности подложки выращивают пленку 3 из Si3N4 толщиной 0,1÷0,4 мкм методом пиролиза силана при 850°С в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO2 (на фиг.1 не показан).2. On the treated surface of the substrate, a film of Si 3 N 4 with a thickness of 0.1 ÷ 0.4 μm is grown by pyrolysis of silane at 850 ° C in an ammonia atmosphere using a SiO 2 sublayer (not shown in FIG. 1).
3. На пленку 3 наносят алюминиевое покрытие толщиной 0,2÷0,7 мкм с помощью магнетронного распыления алюминиевой мишени в атмосфере аргона при 120°С.3. An aluminum coating with a thickness of 0.2 ÷ 0.7 μm is applied to the
4. Центральный участок алюминиевого покрытия удаляют с помощью фотолитографии и химического травления.4. The central portion of the aluminum coating is removed by photolithography and chemical etching.
5. На рабочую поверхность полученной заготовки наносят тонкую (толщиной 0,02÷0,1 мкм) пленку Au, Pt или W.5. A thin (0.02–0.1 μm thick) Au, Pt, or W film is applied to the working surface of the obtained preform.
6. Оставшийся участок алюминиевого покрытия удаляют с помощью химического травления; при этом удаляются также соответствующие участки пленки Au, Pt или W.6. The remaining portion of the aluminum coating is removed by chemical etching; this also removes the corresponding sections of the film Au, Pt or W.
7. На нерабочей поверхности подложки 13 формируют мембранную камеру 3в в форме глухого отверстия квадратного сечения (~1,5×1,5 мм) с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки 13 и подслоя SiO2 до слоя 3.7. On the non-working surface of the
Толщины наносимых целевых слоев Si3N4 и отражающей площадки - в соответствии с требуемым вариантом конструкции.The thickness of the applied target layers of Si 3 N 4 and reflective pad - in accordance with the desired design option.
На фиг.4 приведены микрофотографии ЗЧММ с отражающей площадкой, сформированной с помощью взрывной (а) и общепринятой (б) фотолитографии. Как видно из микрофотографий, при общепринятой (прямой) фотолитографии не происходит полного удаления металлической пленки, особенно из гофров, тогда как по предлагаемому способу целевое изделие соответствует предъявляемым к нему физическим требованиям.Figure 4 shows microphotographs of the ZHMM with a reflecting area formed using explosive (a) and generally accepted (b) photolithography. As can be seen from microphotographs, with the generally accepted (direct) photolithography, there is no complete removal of the metal film, especially from the corrugations, while according to the proposed method, the target product meets the physical requirements for it.
Чувствительность получаемых предлагаемым способом мембран составляет 93÷120 нм/Па при нелинейных искажениях в изделии по п.1 формулы не более 5%, тогда как в верхних запредельных режимах механического напряжения резко снижается чувствительность, а в нижних - возрастают нелинейные искажения (табл.1).The sensitivity of the membranes obtained by the proposed method is 93 ÷ 120 nm / Pa with non-linear distortions in the product according to
Сравнительные испытания прототипа и предлагаемых вариантов оптического микрофона проводились при длине волны лазерного оптического излучателя 1,55 и 1,3 мкм. Расположение торцов оптических волокон установлено из расчета номинального расстояния lн до отражающей поверхности мембраны сенсора по формуле (1) приComparative tests of the prototype and the proposed optical microphone options were carried out at a wavelength of a laser optical emitter of 1.55 and 1.3 μm. The location of the ends of the optical fibers is established from the calculation of the nominal distance l n to the reflective surface of the sensor membrane according to the formula (1) with
n=2001. Конкретные значения l были равны lн-0,2λ, lн-0,1λ, lн, lн+0,1λ и lн+0,2λ. Исследовались характеристики выходных сигналов оптических микрофонов, а также каждого из ОЭП двух-, трех- и четырехканальных вариантов в условиях программного изменения температуры окружающей среды сенсора в диапазоне от 24 до 80°С. Результаты приведены в табл.2 и 3.n = 2001. The specific values of l were equal to l n -0.2λ, l n -0.1λ, l n , l n + 0.1λ and l n + 0.2λ. We studied the characteristics of the output signals of optical microphones, as well as each of the OEPs of two-, three-, and four-channel variants under conditions of a programmed change in the ambient temperature of the sensor in the range from 24 to 80 ° С. The results are shown in tables 2 and 3.
Как видно из таблиц, максимальное снижение чувствительности, характеризуемое падением соответствующего выходного сигнала, в микрофонах с двумя ОЭП составило 14 и 24 дБ для частоты излучения 1,55 и 1,3 мкм соответственно, а в 3-х и As can be seen from the tables, the maximum decrease in sensitivity, characterized by a drop in the corresponding output signal, in microphones with two OEDs was 14 and 24 dB for the radiation frequency of 1.55 and 1.3 μm, respectively, and in 3 and
4-канальных вариантах не превышает 4 дБ.4-channel options do not exceed 4 dB.
Использование предлагаемого оптического микрофона по сравнению с прототипом позволяет повысить его звуковую чувствительность, изъять энергоемкий и сложный в эксплуатации контур прецизионного регулирования положения рабочей точки, а также расширить интервал рабочих температур и давлений по месту установки интерферометрического сенсора. Обеспечена технологичность изготовления ЗЧММ для данного оптического микрофона.Using the proposed optical microphone in comparison with the prototype allows you to increase its sound sensitivity, remove the energy-intensive and difficult-to-operate circuit of precise regulation of the position of the operating point, as well as expand the range of operating temperatures and pressures at the installation site of the interferometric sensor. The manufacturability of the MFMM for this optical microphone was ensured.
Si3N4 мембраны, мкмLayer thickness
Si 3 N 4 membranes, microns
чество гофровIf-
corrugation
0,2λ(388,01)l = l n +
0.2λ (388.01)
0,1λ(325,33)1 = l n +
0.1λ (325.33)
Claims (3)
lн=0,125λn,
где lн - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;
λn - длина волны оптического излучения, мкм;
n - нечетное число из интервала [1001÷3001],
отличающийся тем, что интерферометрический сенсор оснащен звукочувствительной гофрированной микромембраной, выполненной из нитрида кремния стехиометрической структуры с механическим напряжением от 10 до 80 кПа, при этом в центре звукочувствительной микромембраны со стороны, обращенной к торцу оптического волокна, сформирована планарная светоотражающая площадка из Au, Pt или W.1. An optical microphone containing a laser source of optical radiation with high coherence, an interferometric sensor equipped with a sound-sensitive membrane, an optical-electronic converter, including a fiber-optic splitter made of single-mode optical fibers, a photodetector and an electric signal amplifier, the input of which is connected to the output of the photodetector wherein the first input of the fiber optic splitter is connected to a laser source of optical radiation, an interferometric sensor connected to the second input of the fiber optic splitter with the ability to transmit light and receive an optical interference signal, the output of the fiber optic splitter is connected to the optical input of the photodetector, and the connection of the fiber optic splitter to the interferometric sensor is made based on the location of the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter in the vicinity of the nominal distance from the reflective surface of the sound-sensitive membrane interferometric whom sensor according to the formula
l n = 0.125λn,
where l n is the nominal value of the distance from the end of the optical fiber of the second input of the fiber optic splitter to the reflective surface of the membrane of the interferometric sensor, microns;
λn is the wavelength of optical radiation, microns;
n is an odd number from the interval [1001 ÷ 3001],
characterized in that the interferometric sensor is equipped with a sound-sensitive corrugated micro-membrane made of stoichiometric silicon nitride with a mechanical voltage of 10 to 80 kPa, while in the center of the sound-sensitive micro-membrane from the side facing the end of the optical fiber, a planar reflective area of Au, Pt or W.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115400/28A RU2365064C1 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008115400/28A RU2365064C1 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2365064C1 true RU2365064C1 (en) | 2009-08-20 |
Family
ID=41151431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008115400/28A RU2365064C1 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2365064C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2473181C1 (en) * | 2011-05-17 | 2013-01-20 | Федеральное государственное учреждение 24 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации | Optical microphone |
| US10356533B2 (en) | 2015-04-09 | 2019-07-16 | Sintef Tto As | Speech recognition |
-
2008
- 2008-04-18 RU RU2008115400/28A patent/RU2365064C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2473181C1 (en) * | 2011-05-17 | 2013-01-20 | Федеральное государственное учреждение 24 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации | Optical microphone |
| US10356533B2 (en) | 2015-04-09 | 2019-07-16 | Sintef Tto As | Speech recognition |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7149374B2 (en) | Fiber optic pressure sensor | |
| US6323987B1 (en) | Controlled multi-wavelength etalon | |
| US8318524B2 (en) | Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers | |
| US7065112B2 (en) | Wavelength locker | |
| US8359904B2 (en) | Photoacoustic gas detector | |
| US11892745B2 (en) | Wavelength conversion element and method for manufacturing same | |
| US7289693B2 (en) | System and method for producing optical circuits | |
| US6603560B1 (en) | High sensitivity fiber optic interferometric MEMS | |
| RU2365064C1 (en) | Optical microphone and method of manufacturing of its sound-sensitive membrane | |
| JP2012013527A (en) | Spectrophotometer | |
| JP4743917B2 (en) | Optical unit | |
| RU2305253C1 (en) | Fiber-optical sensor system | |
| JP2004523764A (en) | Integrated spectrometer with high spectral resolution, especially for high-speed communication and high-speed measurement, and method of manufacturing the same | |
| KR100772557B1 (en) | Apparatus for measurement based on micro-optic mach-zehnder interferometer | |
| CN114175683B (en) | Optical transducer and method for measuring displacement | |
| JP2009104081A (en) | Wavelength selection type optical switch | |
| US11561206B2 (en) | Photoacoustic apparatus and methods | |
| CN100405567C (en) | Etch monitor and method thereof | |
| US20050195401A1 (en) | Wavelength meter | |
| RU2279112C2 (en) | Fiber-optic sensor system | |
| JPH0321916A (en) | Optical modulator | |
| JP2023104300A (en) | Optical sensing circuit and optical sensing method | |
| KR20070087284A (en) | Micro optic interferometric filter | |
| CN113167672B (en) | Integrated optical sensor and method for detecting dynamic pressure changes | |
| JPS5975134A (en) | Light source for measuring light loss of optical fiber |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190419 |