CN101778328A - 一种光纤麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤麦克风结构，包括光信号的发射接收部分、耦合单元、引导光纤和光纤麦克风探头部分。光纤麦克风的探头部分完成声音信号的外调制，经由光纤传输至探测器可以准确地还原出声音信号。利用MEMS技术可以使光纤麦克风的探头中的薄膜厚度为um量级，大大提高了麦克风的灵敏度，而本发明中探头的设计还可以准确地定位光纤和薄膜之间的距离，使麦克风的灵敏度根据要求可调。

Description

一种光纤麦克风

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，特别涉及一种光纤麦克风。

背景技术

目前，麦克风广泛地用于人们的生活当中，可以说麦克风是无处不在。但是，现有技术的麦克风存在着灵敏度低、受电磁干扰、低频时存在电容效应以及不能在恶劣的条件下(如高温、有毒害或腐蚀的化学环境)工作等缺点，限制其在特殊环境下的应用。

光纤声传感器是一种能够探测声压的压力传感器，而光纤压力传感器主要由强度型和干涉型两类，强度型光纤压力传感器是利用压力改变探测光的强度大小，从而感知压力大小及变化；干涉型光纤压力传感器利用压力改变探测光的光程，从而使干涉条纹发生变化。强度型压力传感器的结构简单、容易探测。

MEMS技术是微机电系统的缩写，MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS市场主导产品主要有压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。目前MEMS技术成熟，可以进行小尺寸、大规模、低成本生产。目前基于MEMS技术的麦克风还是电容调制型，声压引起MEMS膜片的振动，膜片振动引起容值的变化，与传统的电容型麦克风相比，灵敏度并没有明显提高，只是体积减小。

发明内容

鉴于现有麦克风存在的问题以及光纤传感器和MEMS技术的优势，本发明提供一种灵敏度高、抗电磁干扰、以及能在恶劣的环境中工作的基于光强度调制MEMS光纤麦克风，它包括光信号的发射接收部分、耦合单元、引导光纤和光纤麦克风探头部分。

所述光信号的发射接收部分采用一发一收方案，此部分发射的光信号经由光纤传至光纤麦克风的探头，调制了声音信号的光信号再由此部分接收，并解调出声音信号。

所述耦合单元，用于光的发射和接收部分和引导光纤相连。

所述引导光纤是一根45°斜面精磨光纤，它可以使光的方向改变90°，从而使光能够垂直入射到振动膜上。

所述探头部分是利用MEMS技术制作而成，由3个部分组成，分别为放置光纤部分、振动膜部分以及进音部分。

本发明相对于现在采用声电转换的麦克风，声音信号的重新获取被分为声音-机械，机械-光，光-电三个转换阶段，光源发射的光经耦合器以及引导光纤进入光纤麦克风的探头，外界的声音信号对振动膜产生声压导致膜振动，完成了声音-机械的转换阶段；而振动膜的振动会使光纤端面到振动膜的距离产生变化，从而使得反射回去的光功率发生变化，完成了机械-光的转换；最后反射回去的光到达光电探测器完成光-电转换阶段。

本发明的优势在探头部分和光纤中都没有电信号，抗电磁干扰能力很强，本发明通过直接检测光强度的变化来还原声音信号，灵敏度很高。探头部分的材料是由高耐腐蚀材料制作而成，结合光纤的优点，本发明可以在恶劣的环境中使用。

附图说明

图1为本发明探头的放置光纤部分；

图2为本发明探头的振动膜部分；

图3为本发明探头的进音孔部分；

图4为本发明实施例1的光纤麦克风结构示意图；

图5为本发明实施例2的光纤麦克风结构示意图；

具体实施方式

本发明提供一种光纤麦克风。以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本发明提供一种光纤麦克风，如图4所示，该系统包括光信号的发射接收部分301、耦合单元302、引导光纤303和光纤麦克风探头304。

本实施例中，所述光信号的发射接收部分301包括光信号发生器101、光电转换接收器102。

光信号发生器101包括光源部分和光源驱动电路部分。光源为非相干光源，它有较大的发射角。一般为发光二极管LED，因为其结构简单并且价格低廉；也可以用激光二极管、氦氖激光器、氙弧灯来代替。

光源驱动电路部分是为了保证发射光强的稳定和小的噪声，因为光源的稳定和低噪声对于光纤麦克风的准确度和最小探测信号都是相当关键的。

光电转换接收器102包括光电探测器以及相应的放大、滤波、整形电路。光电探测器一般为PIN管，它是一种光电转换器件，用于把光信号转换为电信号，电信号再经过放大、滤波、整形电路得到和声音信号相关的声压信号。

所述耦合单元302一般为Y型耦合器。

所述引导光纤303是一根45°斜面精磨多模光纤，经过精细加工的45°斜面104部分可以使光的方向改变90°，从而使光能够垂直入射到振动膜上。

所述光纤麦克风探头部分304是利用MEMS技术制作而成，尺寸可以做到很小。探头由3个部分组成，分别为放置光纤部分201，振动膜部分202以及进音部分203。

光纤放置部分201是由材料硅制作而成，它有一个V型的槽107(见图1)用于放置光纤，同时还有通风孔108，通风孔为槽型。

振动膜部分202由用于hard mask的材料110，振动膜112、高反射膜114以及材料硅组成。材料硅的厚度决定了光到振动膜的距离，这个厚度一般为50-200um；振动膜112的材料、半径以及厚度都会影响到光纤麦克风的灵敏度。材料的杨氏模量越小，灵敏度越高；振动膜的半径越大，灵敏度越高；膜的厚度越薄，灵敏度越高。本实施中，振动膜的材料选用氮化硅，半径为1mm，厚度为1um。高反射膜114一般为选择反射率高、化学性质稳定的金属膜，可以为金、银、铝等金属或者其他合金材料。

进音部分203是由材料硅制作，它有进音孔108，并且里面是一个梯形槽结构。

本实施例中，光信号发生器101发射的光信号通过耦合单元302再到引导光纤303，如图4所示(虚线代表光)，光经过104部分改变90°，从而垂直入射到振动膜上，由于高反射膜114的作用，大部分的光会按照原来的路线返回并由光电探测器102接收。

声音信号通过进音孔108进入探头然后作用在振动膜112上，振动膜112发生振动，使得引导光纤303到振动膜112的距离发生变化，由于反射回光电探测器102的光强与引导光纤303到振动膜112的距离有关，故声音信号对振动膜112的作用会导致反射回光电探测器102的光强发生变化，这样就把声音信号调制到了光载波上面，经过调制的光信号经引导光纤303传输到耦合单元302至光电探测器102，探测出的电信号在经过放大、滤波、整形即可得到与声音信号相关的声音信号。

实施例二

如图5所示为本发明的第二种实施方式。

本发明提供一种光纤麦克风，如图5所示。该光纤麦克风2的结构和第一种实施方式光纤麦克风1的结构基本相同。其不同之处在于：该光纤麦克风2振动膜212的材料、厚度有所不同，该光纤麦克风2振动膜材料采用二氧化硅，其厚度为2um。二氧化硅的杨氏模量比氮化硅小，所以虽然厚度增加，杨氏模量小，灵敏度还是可以保证。另外，该光纤麦克风的通风口208和进音口206个数可以改变，从而改变麦克风的灵敏度。

Claims (6)

1.一种光纤麦克风结构，包括光信号的发射接收部分、耦合单元、引导光纤和光纤麦克风探头部分。光纤麦克风的探头利用MEMS技术制作而成，它由放置光纤部分、振动膜部分以及进音部分组成，探头和引导光纤相连，引导光纤和一光纤耦合器相连，光纤耦合器通过光纤分别和光源以及光电探测器相连。

2.根据权利要求1所述的光纤麦克风，其特征在于：光纤麦克风的探头的振动膜厚度为微米量级。

3.根据权利要求2所述的光纤麦克风，其特征在于：光纤麦克风探头的振动膜为圆形。

4.根据权利要求1所述的光纤麦克风，其特征在于：探头部分有一个放置光纤的V型槽。

5.根据权利要求1所述的光纤麦克风，其特征在于：探头部分有多个进音口和通气口。

6.根据权利要求1所述的光纤麦克风，其特征在于：引导光纤为45°斜面精磨光纤，它可以使光的方向改变90°。

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