CN103154682A - 光纤兼容声学传感器 - Google Patents

Abstract

一种包括具有反射元件的膜片（20）的声学传感器（10）。所述传感器具有相对于所述反射元件定位的光纤（30），以便所述光纤发出的光由所述反射元件反射。所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔（40）。所述声学传感器还包括被机械耦合至所述膜片和所述光纤的结构性元件。所述结构性元件包括具有基本上类似于所述光纤的热膨胀系数的热膨胀系数的材料。例如，所述材料能够为二氧化硅。

Description

光纤兼容声学传感器

优先权要求

本申请要求2010年3月15日提交的美国临时专利申请US61/314,090；2010年5月4日提交的美国临时专利申请US 61/331,303；以及2010年9月13日提交的美国临时专利申请US 61/382,385的权益。每个上述申请的全部内容都包含在此以供参考。

技术领域

本申请一般地涉及声学传感器系统，并且更具体地涉及光纤兼容声学传感器系统。

背景技术

已公开基于法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉仪腔的两个反射镜的相对位移提供声压测量值的各种光纤传感器系统。参见例如M.Yu等人的“Acoustic Measurements Using a Fiber Optic Sensor System”，J.Intelligent Material Systems and Structures,vol.14,409-414页（2003年7月）；K.Totsu等人的“Ultra-Miniature Fiber-Optic Pressure SensorUsing White Light Interferometry”，J.Micromech.Microeng.,vol.15,71-75页（2005）；W.B.Spillman,Jr.等人的“Moving Fiber-OpticHydrophone”，Optics Lett.,vol.5,no.1,30-31页（1980年1月）；K.Kardirvel等人的“Design and Characterization of MEMS OpticalMicrophone for Aeroacoustic Measurement”，42nd AIAA AerospaceSciences Meeting and Exhibit,2004年1月5-8日,Reno,Nevada（美国内华达州里诺市）；J.A.Bucaro等人的“Miniature,High Performance,Low-Cost Fiber Optic Microphone”，J.Acoust.Soc.Am.,vol.118,no.3,1406-1413页第一部分（2005年9月）；T.K.Gangopadhyay等人的“Modeling and Analysis of an Extrinsic Fabry-Perot InterferometerCavity”，Appl.Optics,vol.44,no.16,312-3196页（2005年6月1日）；以及P.J.Kuzmenko的“Experimental Performance of a MiniatureFabry-Perot Fiber Optic Hydrophone”，Proceedings of 8th Optical FiberSensors Conference,Monterey，California（美国加利福尼亚州蒙特里市），1992年1月29日至31日，354-357页；O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino以及O.Solgaard的“External fiber Fabry-Perot acoustic sensor based onphotonic-crystal mirror”，18th International Optical Fiber SensorsConference,Cancun,Mexico（墨西哥坎昆市）（2006）；O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino以及O.Solgaard的“External fibre Fabry–Perotacoustic sensor based on a photonic-crystal mirror”，Meas.Sci.Technol.18,3049–3054(2007)；O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino以及O.Solgaard的“Photonic-crystal-diaphragm-based fiber-tip hydrophone optimized forocean acoustics”，19th International Optical Fiber Sensors Conference,Perth,Australia（澳大利亚珀斯市)（2008）；O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino以及O.Solgaard的“Fiber-optical acoustic sensor based on aphotonic-crystal diaphragm”15th International Conference on Solid-StateSensors,Actuators,and Microsystems,Denver,CO(2009)。

光子晶体板（Photonic-crystal slabs，即PCS）为具有空间周期性变化折射率的光子晶体结构。PCS展现引导谐振光学模式，其被严格限制在PCS中，但是由于周期变化的折射率而通过相位匹配机构被耦合至入射辐射。这些引导谐振模式通常作为叠加在平滑变化背景上的清晰的费诺线形（Fano lineshapes）而在传输或反射光谱中显示。参见例如M.Kanskar等人的“Observation of leaky slab modes in anair-bridged semiconductor waveguide with a two-dimensional photoniclattice”，Appl.Phys.Lett.,vol.70,1438页（1997）；V.N.Astratov等人的“Resonant coupling of near-infrared radiation to photonic bandstructure waveguides”，J.Lightwave Technol.,vol.17,2050页（1999）；以及S.Fan和J.D.Joannopoulos的“Analysis of guided resonances inphotonic crystal slabs”Phys.Rev.B,vol.65,35112页（2002）。当前已在发光二极管和激光器中作为滤光片或反射镜使用该引导谐振模式。

发明内容

在一些实施例中提供一种声学传感器。该传感器包括具有反射元件的膜片。该传感器也包括相对于该反射元件定位的光纤，以便由反射元件反射从光纤发出的光。光纤的第一端和反射元件在两者之间形成光学腔。该传感器还包括机械耦合膜片和光纤的结构性元件。一些实施例的该结构性元件包括这样的材料，其热膨胀系数基本上类似于光纤的热膨胀系数。例如，一些实施例的该结构性元件包括二氧化硅。

在一些实施例中，至少一部分由反射元件反射的光能够传播到光纤中。光纤的第一端能够包括第二反射元件。第二反射元件和反射元件能够在两者之间形成法布里-珀罗腔（Fabry-Perot cavity）。在一些实施例中，光纤能够包括熔凝二氧化硅，并且结构性元件也能够包括熔凝二氧化硅。在一些实施例中，反射元件能够包括光子晶体结构。另外，一些实施例的膜片能够包括二氧化硅。在各个实施例中，声学传感器的膜片能够具有约等于光纤第一端和反射元件之间距离的厚度。

在一些实施例中，声学传感器还能够包括具有二氧化硅的补偿元件。该补偿元件能够与膜片间隔，并且定位在光学腔内。一些实施例的膜片能够具有这样的横向尺寸，并且该横向尺寸和光纤直径的比能够在1.2至8的范围内。膜片能够具有包括一定面积的可移动部分，并且该面积与光纤的横截面面积的比能够在1.4至64的范围之间。

在一些实施例中，膜片能够包括一个或更多流体管。一个或更多流体管能够与反射元件分离。在一些实施例的声学传感器中，光学腔能够包含液体。声学传感器还能够包括至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件，从而提高灵敏性。至少一个通常可压缩和通常有弹性元件能够为气泡。

在一些实施例中提供一种声学传感器。该声学传感器包括反射元件。该传感器也包括相对于该反射元件定位的光纤，以便由反射元件反射从光纤发出的光。光纤的第一端和反射元件在两者之间形成光学腔。光学腔包括具有随着温度变化的反射率的介质。在这些实施例中，光学腔内的元件具有这样的热膨胀系数和厚度，其补偿随着温度变化的反射率。

在各个实施例中，该介质能够为水。在这些实施例中，光学腔内的元件能够包括二氧化硅，并且能够具有约等于光纤第一端和反射元件之间距离的厚度。在一些实施例中，光学腔内的元件能够为膜片，其被机械耦合至反射元件。光学腔内的元件也能够被机械耦合至光纤。

在一些实施例中提供一种制作声学传感器的方法。该方法包括提供膜片。膜片包括反射元件。该方法还包括相对于反射元件定位光纤，以便光从光纤发出，并且由反射元件反射。相对于反射元件定位光纤包括在两者之间形成光学腔。该方法还包括利用结构性元件将膜片机械耦合至光纤。该结构性元件包括这样的材料，其膨胀系数类似于光纤的热膨胀系数。例如，该结构性元件能够包括二氧化硅。

在一些实施例中，提供包括反射元件的膜片能够包括提供作为反射元件的光子晶体结构（photonic-crystal structure）。在这些实施例中，提供光子晶体结构能够包括提供通过光刻法制作的光子晶体结构。在各个实施例中，制作声学传感器的方法还能够包括将膜片硅酸盐粘结（silicate bonding）至结构性元件。

制作声学传感器的方法还能够包括使用这样的元件，该元件包括具有光学腔的二氧化硅。在一些该实施例中，本方法还能够包括选择包括二氧化硅的该元件的厚度，使其约等于光纤的第一端和膜片之间的距离。一些实施例的方法还包括选择膜片直径，从而提高机械顺从性。本方法还包括选择膜片横截面积，从而提高机械顺从性。

在一些实施例中，该方法还能够包括使用一个或更多与反射元件分离的流体管。在一些实施例中，该方法还能够包括使用至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件，从而提高灵敏性。该至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件能够为气泡（gas bubble）。

附图说明

图1A-1B示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。

图2示出作为各种温度的波长函数的示例性声学传感器的一部分响应图。

图3示出与包含硅的传感器比较的作为包含二氧化硅的法布里-珀罗传感器温度函数的计算谐振波长变化的例图。

图4A-4B示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。

图5示出关于根据本文所述一些实施例的熔凝二氧化硅膜片不同厚度的光路径长度的温度灵敏性变化图。

图6示出对具有在450nm厚度硅膜片上制作的800nm直径和900nm周期的正方形图案孔的示例性光子晶体计算的反射光谱。

图7示出作为根据本文所述的一些实施例的示例性传感器的温度函数的在1550nm时计算的反射率变化。

图8示出来自各种因素的对作为温度函数的谐振波长变化的影响。

图9示意性示出根据本文所述一些实施例的具有流体管的声学传感器的例子。

图10示出根据本文所述的一些实施例的对变化反射率和腔体长度计算的光纤法布里-珀罗的精细度。

图11A-11B示意性示出根据本文所述的一些实施例的示例性聚焦元件。

图12示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。

图13A示出展示和第二传感器并联的第一传感器的交叉耦合的示例性响应曲线。

图13B示出展示和第一传感器并联的第二传感器的交叉耦合的示例性响应曲线。

图14A示出展示根据本文所述一些实施例的和第二传感器并联的第一传感器的减低或基本消除交叉耦合的示例性响应曲线。

图14B示出展示根据本文所述一些实施例的和第一传感器并联的第二传感器的减低或基本消除交叉耦合的示例性响应曲线。

图15示意性示出根据本文所述的一些实施例的示例性光刻制作工艺。

图16示意性示出产生根据本文所述的一些实施例的背侧图案的示例性制作工艺。

图17A-17C示意性示出作为根据本文所述的一些实施例的二氧化硅结构性元件构造块使用的三块单独晶片示例性部分及其孔的样式。

图18示意性示出晶片，其已被粘结在一起并且附接至光子晶体结构和光纤，从而形成根据本文所述的一些实施例的传感器头部。

图19示意性示出根据本文所述的一些实施例的由于苯甲酸苯酯（Phenyl Benzoate）产生的力。

图20A-20B示意性示出在降低用于获得根据本文所述的一些实施例的两个元件之间的良好粘结的电弧的方法中使用的结构。

图21示出制作根据本文所述的一些实施例的声学传感器的示例性方法的流程图。

图22示意性示出根据本文所述的一些实施例制作和装配的示例性声学传感器。

图23A示出根据本文所述的一些实施例制造的光子晶体反射镜顶视图的扫描电子显微图。

图23B示出根据本文所述的一些实施例制造的光子晶体反射镜成角度视图的扫描电子显微图。

图23C示出根据本文所述的一些实施例制造的传感器的照片。

图24示意性示出用于测试示例性传感器的声学评定设置。

图25示出校准的基准传声器和示例性声学传感器之间测量的相干性。

图26示出示例性传感器的测量频率响应。

图27示出对于示例性传感器的测量噪声（顶部曲线）、光电子噪声（中间曲线）、以及由于检测电子装置的噪声（底部曲线）。

图28示出具有图26中所示的频率响应的示例性传感器的测量最小可检测压力（MDP）。

图29示出硅传感器（顶部曲线）和示例性二氧化硅传感器（底部曲线）的谐振波长的测量的热稳定性。

图30示出用于根据本文所述的一些实施例的海洋声学的示例性光声学传感器系统。

图31示意性示出用于生产根据本文所述的一些实施例的传感器系统的示例性制作工艺。

图32示出根据本文所述的一些实施例的示例性膜片上的光学轮廓测定法的测量值。

图33示出根据本文所述的一些实施例的示例性封装的传感器系统的照片。

图34示出根据本文所述一些实施例的通过描述传感器系统声学和与光电子接口的各种集总元件形成的示例性等效电路。

图35A示出作为通过集总元件模型计算的频率函数的第一传感器的示例性计算响应曲线。

图35B示出被转移至示例性膜片的计算噪声谱（实线），示出来自辐射声阻（虚线）、孔声阻（点线）以及通道声阻（点划线）的影响。

图35C示出计算噪声谱（实线），示出来自第二传感器（虚划线）和第三传感器（点线）的噪声耦合以及根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统中的光电子噪声（点划线）的影响。

图36A示出作为根据一些实施例的示例性膜片上的频率的函数的计算最小可检测压力（MDP），示出海中的最小环境噪声作为基准。

图36B示出作为当两个并联传感器处于未运行时的频率函数的最小可检测压力。

图37A示出作为膜片位移的函数的计算线性，其示出膜片位移（实线）、法布里-珀罗响应（虚线）以及被耦合回光纤的功率（点线）的归一化线性。

图37B示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器系统中的第一传感器（实线）、第二传感器（虚线）以及第三传感器（点线）的压力幅度函数的总谐波失真（THD）。

图38示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器系统中的第一传感器（实线）、第二传感器（虚线）以及第三传感器（点线）的环形通道频率函数的雷诺数（Reynolds number）。

图39示意性示出经设置从而特征化根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统的例子。

图40示出根据本文所述的一些实施例的基准传感器系统和示例性传感器系统之间的相干性。

图41A示出对示例性传感器系统（实线）和理论拟合（虚线）的测量频率响应。

图41B示出对示例性传感器系统（实线）和理论拟合（虚线）的测量最小可检测压力（MDP）。

图42示出根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统的测量功率谱。

具体实施方式

光声学传感具有各种重要的应用。例如，对于结构性状态监控，声学传感器能够监控巨大的宇宙航空和风能结构的状态。声学传感器也能够提供移动检测、跟踪、以及在国防应用中报告远距离的潜艇接触。作为进一步例子，能够监控和控制来自油井以及石油和天然气应用中的油井内的井和区域的产量。在另一例子中，声学传感能够测量在许多医用应用包括生命维持装置中的任何体液的压力。

本文所述的一些实施例包括这样的结构、元件和特征，其有利地解决了以前公开的声学传感器产生的一种或更多问题，以前公开的声学传感器利用机械膜片、第一反射元件和第二反射元件（例如，一个或更多光子晶体板），从而产生具有对声波（例如，从周围环境入射到传感器上的声波，或者在传感器内产生的声波）响应的光学特性的法布里-珀罗传感器。本文所述的一些实施例能够通过适当改进这些以前公开的声学传感器实施。在以下文献中公开了该以前公开的声学传感器的例子，即2009年4月28日授权的美国专利US 7,526,148；2009年12月8日授权的美国专利US 7,630,589；2010年10月5日提交的美国专利US 7,809,219；以及2011年2月1日提交的美国专利US 7,881,565，每个文献的全部内容都包含在此以供参考，以及美国专利申请公开US2011/0041616，其全部内容也包含在此以供参考。下文所述的结构、元件和特征能够单独使用，或者在两种或更多组合中彼此结合使用。能够通过适当改进其他以前公开的声学传感器构造（例如不相应于美国专利US7,526,148、美国专利US 7,630,589、美国专利US 7,809,219、美国专利US 7,881,565以及美国专利申请公开US 2011/0041616中所述的那些构造的构造）可替换地实施本文所述的一些实施例。

对热变化的减低的灵敏性

图1A-1B示意性示出根据本文所述一些实施例的示例性声学传感器10。声学传感器10包括膜片20，膜片20包括反射元件22。在一些实施例中，膜片20可通过声波400偏转，并且如在声学传感器中通常使用的一样包括硅。在一些其他实施例中，如下文将更详细所述，膜片20能够有利地包括二氧化硅。在其他实施例中，膜片20能够包括氮化硅。其他材料也是可能的。能够将一些实施例的反射元件22定位（例如，沉积）在膜片20上。在一些实施例中，能够将反射元件22直接粘结至膜片20（例如，通过热粘结）。在一些实施例中，如图1A-1B中所示，反射元件22被背向光纤30定位（例如，沉积或粘结）在膜片20的表面上。然而，在其他实施例中，也能够将反射元件22面朝光纤30定位（例如，沉积或粘结）在膜片20的表面上。在其他实施例中，能够将反射元件22定位（例如存在于）在膜片20之内。在不同实施例中，膜片20包括反射元件22，反射元件22包括光子晶体结构。

在一些实施例中，反射元件22包括金属反射镜结构（例如，一层或更多层金、银、铝、铬或其组合）。在一些实施例中，能够使用例如约2至约5nm厚度的铬作为反射元件22下的粘着层。在这些实施例中，铬能够相对吸收感兴趣的特定波长。反射元件22还能够包括薄（例如约10纳米至约100纳米厚）氧化硅层，从而保护金属表面不受氧化和擦伤。

在一些其他实施例中，反射元件22包括介质镜（例如，包括具有选择厚度和折射率的多层透明介质层的多层结构，从而提供预定反射率）。在一些该实施例中，介质镜能够具有约1微米至5微米的厚度，并且能够具有约几平方英寸的面积（例如贯穿框架伸展的膜）。本文所述的兼容一些实施例的介质材料的例子包括（但不限于）二氧化硅、氟化镁、一氧化硅以及氧化钽。

在一些实施例中，反射元件22包括至少一部分光子晶体结构。一些实施例的光子晶体结构包括一个或更多光子晶体板。为了根据一些这种实施例制作光子晶体板，介质层，诸如硅或氮化硅被沉积在膜片20的外部表面上，并且继而带有穿过介质层的孔的样式。与本文所述的一些实施例一致的示例性工艺完全在以下文献中讨论，即美国专利US.7,526,148；美国专利US.7,630,589；美国专利US 7,809,219；美国专利No.7,881,565以及美国专利申请公开US2011/0041616，每个文献的全部内容都包含在此以供参考。

声学传感器10还包括相对于反射元件22定位的光纤30，以便由反射元件22反射光纤30发出的光。一些实施例的光纤30为单模光纤。与本文所述的一些实施例一致的例子包括（但不限于）二氧化硅基光纤、纽约康宁公司（Corning Incorporated ofCorning,New York）市售的光纤、截止位移光纤、低水峰光纤、色散位移光纤、非零色散位移光纤以及非标准微结构光纤（例如，光子晶体光纤）。

如图1A-1B所示，光纤30包括反射元件32（例如，光纤30的第一端32），并且反射元件22和光纤30的反射元件32在两者之间形成光学腔。在一些实施例中，光纤30的反射元件32和反射元件22彼此间隔500纳米至50微米的距离。在一些实施例中，具有更小的光学腔40的传感器10能够具有更有利的热稳定性。在一些实施例中，光学腔40包括气体（例如空气），而在其他实施例中，光学腔40包括液体（例如水）。

在一些实施例中，光纤30传输来自光源的光，从而照射至少一部分反射元件22。与本文所述的一些实施例一致的光源例子包括（但不限于）单色光源（例如，激光，激光二极管）、宽带光源（例如，白炽灯、发光二极管）以及可调光源（例如，可调激光）。

在一些实施例中，光纤30的反射元件32包括处于光纤30的第一端或位于其上的金属层，其部分反射或部分传输从光纤30发出的光。在一些实施例中，金属层包括不同材料的多层子层，该不同材料的例子包括（但不限于）铬、金、银、铝及其组合。在一些该实施例中，金属层还包括薄（例如，在约10纳米至约100纳米厚度之间）氧化硅层，从而保护金属层不受氧化和擦伤。在一些实施例中，金属层具有1纳米至50纳米范围内的厚度。在一些其他实施例中，光纤30的反射元件32包括处于或光纤30的第一端或位于其上的介质镜，其包含多层介质材料层。与本文所述的一些实施例一致的介质材料的例子包括（但不限于）氟化镁、硫化锌、二氧化硅、二氧化钛和五氧化钛。在一些实施例中，光纤30的反射元件32包括处于光纤30的第一端或位于其上的光子晶体结构。

在光纤30的反射元件32包括光纤30的部分反射端的实施例中，光纤30的末端和膜片30的反射元件22在两者之间限定法布里-珀罗光学腔40。在光传播出光纤30之后，反射元件32所反射的至少一部分光反向传播到光纤30中。随着入射声波400偏转膜片20，就能够产生法布里-珀罗反射光谱中的移频。随着法布里-珀罗光学腔40以固定波长反射的功率变化，就能够检测出该移频。

在一些实施例中，除了偏移膜片20并且影响光学腔40的入射声场之外的一种或更多因素能够引起法布里-珀罗光谱中的移频，并且因此在测量声压中能够发生误差。例如，如果法布里-珀罗光学腔40的温度缓慢升高，围绕法布里-珀罗光学腔40的材料就能够膨胀。因此，法布里-珀罗光学腔40的空间能够增大，并且反射光谱缓慢移频。在一些实施例中，不能从声压的缓慢变化辨别该移频。此外，由于在探查波长中，反射功率随波长（或光频）的变化率能够随着光谱移频而变化，声学传感器10的一些实施例对反射元件22的给定位移的响应率也能够变化。

在图2中示出该工艺，其绘出作为不同温度的波长的函数的示例性声学传感器10的一部分响应（反射功率/入射功率）。随着温度升高以及光谱移频（移至图2中的左侧），由一点表示的激光波长（固定）处的运行（或偏斜）点从最右边光谱中的曲线的最陡部分移动（对与最大灵敏性）至较不陡部分。在一些实施例中，可能不期望这种情况，因为与曲线的斜率成比例的声学传感器10的比例因子变小，例如传感器响应声场的校准降低。因为比例因子并且因此该响应能够变化，所以也不期望这种情况。因为其能够以不能预测的方式变化，所以就能够威胁到声学传感器10执行声功率校准测量的能力。导致该外部光谱移频的一种重要环境参数是温度。如上所述，声学传感器10位于其中的介质的温度变化能使光谱移频。具体地，如果光纤30和围绕光学腔40的材料的热膨胀系数不同，光学腔40就能够经历随着温度变化的长度改变。

因而，本文所述的一些实施例有利地利用结构性元件，该结构性元件机械耦合膜片20和光纤30，并且包括具有和光纤30的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料。例如，在如图1A-1B所示的一些实施例中，声学传感器10包括结构性元件50，该结构性元件50机械耦合膜片20和光纤30并且围绕光学腔40，其中结构性元件50有利地包括具有和光纤30的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料。在一些实施例中，如图1B所示，结构性元件50包括多个元件。另外，在如下文将更完整描述的一些实施例中，结构性元件50能够包括一个或更多孔、流体管或通道55。

在一些实施例中，光纤30由熔凝二氧化硅制成，其具有小热膨胀系数（例如，α=0.55×10^-6/°C），并且结构性元件50也包括熔凝二氧化硅。通过使用由和光纤30相同的低热膨胀系数材料的制成的结构性元件50，声学传感器10就表现地对环境温度的变化基本不敏感。在下文所述的一些实施例中，能够将光纤30插入毛细管内。在不同实施例中，毛细管能够有利地包括这样的材料，其具有和光纤30类似的热膨胀系数。例如，该材料能够为二氧化硅。

如图1B中所示，一些实施例的声学传感器10还包括基本上围绕包括反射元件22的膜片20的外壳60、结构性元件50、光学腔40以及光纤30。在一些实施例中，外壳60能够包括多个元件，例如保护膜61和背仓外壳62。保护膜61能够使反射元件22和光学腔40与环境隔绝，例如从而使污染物远离并且防止腐蚀。能够配置保护膜61，从而允许声波400穿过保护膜61传播，从而偏转膜片20（例如，保护膜61能够包括柔性、聚合物材料）。

在一些实施例中，背仓外壳62能够围绕与光学腔40流体相通的背仓或储液器65。如图1B中所示，也能够将其耦合至结构性元件50和光纤30。在一些实施例中，背仓外壳62包括铜或铝。在其他实施例中，为了上文所述的原因，背仓外壳62有利地包含与光纤30和/或结构性元件50的热膨胀系数类似的材料。因而，背仓外壳62能够包含二氧化硅。

图3示出作为法布里-珀罗传感器10的温度函数的谐振波长变化的例图，该法布里-珀罗传感器10包括传感器头部，与使用1550nm检测长度的包含硅的头部相比，该传感器头部根据本文所述的一些实施例包含二氧化硅。如图3所示，一些实施例的全二氧化硅传感器10（例如，二氧化硅光纤30、二氧化硅毛细管以及二氧化硅结构性元件50）与具有硅光纤和硅传感器头部的传感器相比，提供了明显提高的热稳定性。

在一些实施例中，热膨胀对声学传感器10的灵敏性的影响至少为小于其他影响声学传感器10的灵敏性的因子10。模拟显示，通过合适的设计，声学传感器10的一些实施例的灵敏性对于温度的超过100°C的变化，其变化都不超过10%。假设法布里-珀罗腔40填充空气，对于具有10μm反射镜间隔和精细度30的法布里-珀罗腔40，改变传感器10的灵敏度10%的温度变化为300°C。法布里-珀罗腔的精细度F定义为F=2πN，其中N是损失因数为1/e时的往返行程数。换句话说，腔内的能量在N往返行程后从其初始值将为1/e。温度变化大约与精细度成反比，以便，例如具有10μm反射镜间隔和精细度30的法布里-珀罗腔40的传感器10对于不超过10%的灵敏性变化能够耐受最大为30°C左右的温度变化。

对于含有水的法布里-珀罗腔40，水的反射率的热变化能够进一步对光纤兼容声学传感器10的一些实施例的性能产生负面影响。在一些实施例中，其中在水中使用图1B的传感器10作为水听器，法布里-珀罗腔40填充水。该水能够为传感器或水听器头部所浸没在其中的环境水，或者为通过封闭物诸如保护膜61与环境水隔绝的单独储水器。水的折射率随着温度变化，该变化超过空气的折射率，并且其对传感器10的热灵敏性的影响约比硅的热膨胀的影响大一个数量级（对于约1550nm的光波长，水的dn/dT系数为-11.8×10^-6/°C）。

在图1A-1B示意性示出的传感器10中，填充水的腔体的最大可耐受温度变化通常比填充空气的腔体的最大可耐受温度变化因子小15。例如，对于具有10μm填充水的精细度30的法布里-珀罗腔40，使传感器的灵敏性变化10%的温度变化仅为20°C。该温度变化大约与精细度成反比，所以，例如具有精细度为300的腔体40的传感器10对于不超过10%的灵敏性变化，仅能够耐受最大为2°C的温度变化。

本文所述的一些实施例有利地补偿了水的折射率随温度的变化。图4A示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器10的例子。声学传感器10包括反射元件22。声学传感器10还包括相对于反射元件22定位的光纤30，以便由反射元件22反射光纤30发出的光。光纤30的反射元件32和反射元件22限定了两者之间的光学腔40。光学腔40包括具有随温度变化的折射率的介质。声学传感器20还包括补偿元件25，其定位在光学腔40中，并且具有一定的热膨胀系数和厚度。在一些实施例中，选择该热膨胀系数和厚度，以便补偿元件25补偿介质随温度变化的折射率。在一些该实施例中，与不具有补偿元件的光学传感器相比，该补偿足以使光学传感器在性能上具有减低的热变化。

补偿元件25能够包括一个或更多材料块，选择该一个或更多材料块从而提供热膨胀系数和总厚度，以便传感器10对温度变化具有减低的灵敏性。如图4A中所示，光学腔40中的补偿元件25包含与膜片20间隔隔开的材料。该材料能够为部分光线30的第一端32。例如，在将光纤30插入传感器头部之前，能够将该材料附接至光纤30的反射端。在一些这样的实施例中，其中光纤30的反射元件32沿光纤30间隔并且远离光纤30的末端，补偿元件25就能够包括反射元件32和光纤30的末端之间的光纤30的部分。作为替换方式，至少一部分补偿元件25能够通过微加工形成，以便其能够部分地定位在光纤30的反射元件32和反射元件22之间。例如，至少一部分补偿元件25能够位于面对光纤30的膜片20上（或者能够被机械耦合至光学传感器10的另一部分（例如，结构性元件50））。

在图4B中所示的一些实施例中，至少一部分膜片20能够起光学腔40中的补偿元件25的作用。根据一些这样的实施例，其中膜片20包含二氧化硅，光学腔40中的补偿元件25具有基本等于光纤末端32和膜片之间的间隔（在图4B中以W标出）的厚度（在图4B中以S标出）。反射元件22能够涂有一种材料，或者在膜片20上制作。间隔体积填充水，并且从背向光纤30的膜片20侧上的反射元件22反射光。如上所述，反射元件22能够包括在膜片20上形成、沉积或与其粘结的金属层、电介质或光子晶体结构。

对于给定的温度变化，熔凝二氧化硅的反射率与水的变化量相同，但是方向相反（对于1550nm的光波长，熔凝二氧化硅的dn/dT系数约为+12.8×10^-6/°C，而对于这些光波长，水的dn/dT约为-12.8×10^-6/°C）。因此，在一些该实施例中，当光通过水和二氧化硅传播大约相等的距离时，温度对水的折射率的影响被温度对二氧化硅的折射率的影响有效消除。图5示出这样的图，其示出关于熔凝二氧化硅膜片20的不同厚度的光程长度（物理长度乘以折射率）的温度灵敏性变化。图5相应于将光纤的反射尖端32和膜片之间的间隔（在图4B中以“W”标出）固定在10μm，并且膜片厚度（在图4B中以“S”标出）从6μm变化至10μm，总光学厚度（T=S+W）从16μm变化至20μm。光在相对于膜片厚度的腔体内行进的光程长度的温度灵敏性的绝对值（以实线绘出）明显低于非二氧化硅膜片的温度灵敏性的绝对值（在图5中以点划线示出），并且对于约6.15μm至10μm的全部膜片厚度范围，都低于最大经验温度灵敏性之下（在图5中以点线示出）。观察约8.15μm膜片厚度的最小温度灵敏性，其相应于其中折射率变化和材料膨胀彼此补偿的传感器10，以便传感器10表现地基本对温度变化不敏感。在一些实施例中，对于膜片厚度的实践范围，具有填充水的腔体以及使用适应膜片20的传感器10或水听器甚至比具有填充空气的腔体的传感器更不敏感（在图5中以虚线示出）。能够对补偿元件以及光学腔体的其他介质的其他材料确定关于补偿元件的不同厚度的光程长度的温度灵敏性dn/dT之间的关系。

在一些实施例中，选择膜片厚度，从而使得具有填充水的腔体的传感器基本对热效应不敏感。例如，在传感器包括在膜片20和光纤30之间的10μm填充水的腔体的一些实施例中，膜片厚度在约5μm至约12μm之间、约7μm至约10μm之间、或约8μm至约9μm之间。在一些实施例中，膜片20的厚度和膜片20与光纤30之间的腔体尺寸之比在约0.5至约1.2之间、约0.7至约1之间、约0.8至约0.9之间。在图5中所示的对于10μm填充水的腔体的8.15μm膜片厚度值基于这样的假设，即从膜片20的外部表面上的反射元件22直接反射光。当使用金属层作为反射元件22时，该假设正确。然而，当使用电介质反射镜或光子晶体（厚度能够在约0.5μm至5μm之间变化）时，光在被反射之前，形成超过膜片20的外部表面进入反射元件22。因此，为了补偿反射元件22随温度变化的热膨胀和折射率，能够调整膜片厚度，从而对给定的反射元件22获得最佳温度不灵敏性。

因为厚膜片20（例如，8.15μm厚）的机械顺从性低，所以在一些实施例中难以偏转该膜片20。在一些实施例中，如下文更全面所述，能够通过增大膜片20的直径以提高提高机械顺从性而解决该问题。

关于图4B中示意性示出的示例性构造的另一个问题在于，从二氧化硅膜片20的表面朝着光纤30的反射。然而，由于二氧化硅和水的反射率之间的差别小（1550nm波长时，n_二氧化硅=1.444vs.n_水=1.316），随意来自二氧化硅-水界面因此来自膜片表面21的反射（R）能够忽略不计（R<0.3%）。在一些实施例中，也能够通过在膜片20的表面21上沉积抗反射涂层而消除或基本上降低该反射。

在反射元件22包括光子晶体反射镜的实施例中，光子晶体反射镜的热响应是影响传感器10的热稳定性的另一因素。随着温度变化，光子晶体反射镜材料的反射率变化，并且其物理尺寸（例如材料的厚度、周期结构诸如孔体的周期和直径）也变化。由于所有这些参数都影响光子晶体反射镜的反射光谱，所以随着这些参数变化，光谱也变化。作为光子晶体反射镜的反射性变化的结果，法布里-珀罗光学腔40的精细度变化，其反射光谱的斜率也变化，在图2中所示的最佳偏压点尤其如此，并且传感器10的比例因子也变化。

温度对光子晶体反射镜的反射光谱影响的时域有限差分法（FDTD）模拟显示，对于特定应用，该影响小。例如，图6示出对这样的示例性光子晶体结构计算的反射光谱，该结构具有在厚度为450nm硅膜片20上制作的，直径为800nm并且周期为900nm的正方形图案孔。选择这些参数，从而在1550nm获得高反射、获得该传感器类型的传统目标波长。该光子晶体设计提供在1550nm的~99%反射率，以及对99%反射率的48nm带宽。

使用相同的FDTD方法，考虑反射率、孔半径、周期以及膜片的厚度中的变化，能够在不同温度模拟相同光子晶体结构的光谱。图7示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器10的温度函数的在1550nm的反射率经计算变化。对于预定的温度范围，例如从约20°C至约80°C的最大模拟温度，反射率保持在其20°C值的0.02%变化范围内。图7中未示出的99%反射率的光子晶体结构的带宽随着温度变化保持在2.1%变化范围内。在一些实施例中，该反射率在约20°C至约80°C的温度范围内，保持在其20°C值的0.03%、0.04%、0.05%、0.08%、0.10%变化范围内。

光子晶体反射率的该小变化的结果是这样的，即假设光纤30的末端32的反射元件32的90%发射率，传感器的谐振波长在400°C温度范围内保持在0.02nm之内，其转化为法布里-珀罗光学腔96的标定精细度。

对基于法布里-珀罗声学传感器10的热不稳定性的另一种影响在于光学腔40，例如内部腔介质反射率的热引发变化。当该介质为空气时，如传声器的情况下，该影响能够忽略不计。然而，当该介质为水，如在水听器的情况下，该折射率中的变化能够导致谐振量级的另外变化：

${\left(\frac{\mathrm{\&Delta;\&lambda;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}_{\mathrm{RIM}}=\frac{\mathrm{\&Delta;n}}{n}---\left(1\right)$

在水的情况下，该效应产生的谐振波长移频保持在±1nm之内，因而在最大响应率对长度10μm的法布里-珀罗腔超过10%下降之前，提供±100°C的足够稳定性。对许多应用来说，应该能够接受该移频。

图8示出来自上述每种单独因素的影响：二氧化硅的热膨胀（TE）；内部腔介质反射率（RIM）的热引发变化；以及光子晶体反射镜（PC）的光谱响应中的热引发变化。图8也示出这三种因素的和产生的谐振波长随着温度的变化。由于在该分析中将内部腔介质视为水，并且因为水具有负热-光系数，所以内部腔介质反射率的影响能够为负，例如其符号与其他两种影响相反，因此与其部分抵消。材料和/或设计参数的不同选择能够适应抵消和总影响量。

在一些实施例中，能够为了更高的热稳定性而有利地选择光学腔40的介质材料。处理光学腔40的长度，光学腔40的介质的折射率的热调制也能够影响传感器10的热稳定性。例如

$L=q\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2n}\&DoubleRightArrow;\mathrm{\&lambda;}\&Proportional;\mathrm{nL}---\left(2\right)$

对于无谐振移频：

$\frac{\&PartialD;\left(\mathrm{nL}\right)}{\&PartialD;T}=0\&DoubleRightArrow;n\frac{\&PartialD;L}{\&PartialD;T}+L\frac{\&PartialD;n}{\&PartialD;T}=\mathrm{bL}{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{SIO}}_2}+L\frac{\&PartialD;n}{\&PartialD;T}=0---\left(3\right)$

$n{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{SiO}}_2}=\frac{\&PartialD;n}{\&PartialD;T}\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{SiO}}_2}=-\frac{1}{n}\frac{\&PartialD;n}{\&PartialD;T}$

其中，L为光学腔40的长度，n为腔介质的折射率，而α_SiO2为二氧化硅的热膨胀系数。在一些实施例中，能够为了热稳定性而使用该影响。例如，在不同实施例中，如果对腔介质选择正确的材料，二氧化硅结构性元件40的热膨胀影响以及光学腔40的介质的折射率调制就彼此抵消。例如，

因而，在一些实施例中，能够为了更高的热稳定性而选择光学腔40的介质。

膜片的更大横向尺寸或面积

如上所述，更厚的膜片20通常比更薄的膜片20的机械顺从性差。另外，能够限制传感器10的灵敏性的一种最强阻尼效应为压膜阻尼，其由移动膜片20的腔体40挤出的水产生，在以下文献中更完整地描述了该阻尼，即美国专利No.7,526,148；美国专利No.7,630,589；美国专利No.7,809,219；美国专利No.7,881,565；以及美国专利申请公开No.2011/0041616，其每个文献的全部内容都包含在此以供参考。

本文所述的一些实施例通过增大膜片直径（例如，因子约为5）或膜片面积（例如，因子约为25）而恢复膜片20的顺从性。膜片直径或面积的该明显增大也明显降低压膜阻尼，因为降低了光纤30的末端面相对于膜片20的面积的相对面积。在一些实施例中，膜片直径和光纤30的末端直径的比在1.2至8之间、1.5至6之间、或2至5之间。在一些实施例中，膜片面积与光纤30的末端面的面积的比在1.4至64之间、2.35至36之间、或4至25之间。例如，对于约300μm的膜片直径以及约125μm的纤维末端直径，直径比约为2.4，并且面积比约为5.76。然而，通过将膜片直径增大至约600μm，直径比约为4.8而面积比约为23，导致因子约为23的压膜阻尼降低。在一些实施例中，膜片直径或面积由膜片20的期望谐振频率限制。例如，在一些实施例中，其中检测出较高频率，膜片直径小于1mm。使用膜片直径描述该特征无意指示膜片形状受限于完全基本圆形膜片。根据本文所述的一些实施例，也可使用具有其他形状（例如，卵形、正方形、八边形、或其他多边形或不规则形状）的其他膜片。在这些实施例中，膜片20具有横向尺寸，并且能够如上文所述增大膜片横向尺寸而恢复膜片20的顺从性。在这些实施例中，能够通过增大膜片20的横截面面积恢复膜片20的顺从性。

压力均等化通道

如上所述，一些实施例中的反射元件22（例如，膜片20的外侧上的反射表面）能够为电介质或金属基反射镜，或光子晶体反射体。如美国专利No.7,526,148；美国专利No.7,630,589；美国专利No.7,809,219；美国专利No.7,881,565；以及美国专利申请公开No.2011/0041616中所述，其全部内容包含在此以供参考，光子晶体反射镜反射体也能够起包括反射元件22的机械膜片20的作用。除了提供反射率和光子晶体结构的周期性之外，在一些该实施例中通过膜片20延伸的孔体也能够起压力均等化通道的作用，以及从而允许传感器10的外部和内部之间的静水压力均等化。然而，使用相同的孔体从而适合光子晶体反射体的光学特性，膜片20的机械顺从性以及传感器10在低频率的声学响应能够产生在设计给定应用的最佳传感器10时产生挑战。

在一些实施例中，能够按下文完全减轻或部分减轻该问题。在传感器10中形成（例如，通过蚀刻或钻孔）一组一个或更多流体管（例如，孔），从而为了贯穿膜片20的压力均等化而允许流体从膜片20的一侧流至另一侧。在如图9所示的一些实施例中，一个或更多流体管55能够通过膜片20。例如，一个或更多流体管55能够穿过膜片20足够厚，从而降低对上文所述的热效应的灵敏性，或者穿过如上文所述较不机械顺从的较厚膜片20。

在一些实施例中，一个或更多流体管55与膜片20的光子晶体结构（例如，上文所述的厚膜片20中的孔）分离，这影响反射体或反射元件22的光学特性。例如，在一些实施例中，一个或更多流体管55位于不影响法布里-珀罗腔40的光学性质的，例如与反射元件22分离的一部分膜片20中。在如图1所示的一些其他实施例中，一个或更多流体管55与膜片20分离（例如，通过或沿着一部分结构性元件50的管）。在一些实施例中，传感器10能够包括位于膜片20和结构性元件50两者中的一个或更多流体管55。在一些实施例中，该组一个或更多流体管55的总横截面面积处于约1μm²至约50μm²之间。在一些实施例中，该一个或更多流体管的总横截面面积足够小，以便在期望的运行声学频率范围，流体（例如，水）优选地通过一个或更多流体管流动而非通过光子晶体结构流动（例如，孔）。

本文所述的一些实施例允许单独满足光学和声学设计约束条件，因此允许更好地进行传感器最优化。例如，通过包括这样的一个或更多流体管55，其与提供光子晶体反射元件22的光学特性的光子晶体孔分离，就能够使用不提供贯穿膜片20流体流动的流体管的其他光子晶体反射体结构（例如，具有突出而非孔体的光子晶体结构，或者具有不贯穿膜片20的全部厚度的孔的光子晶体结构）。分离光学、机械和声学设计的该方法不特定于厚膜片20，并且也能够应用于较薄膜片20，然而期望削弱来自光子晶体结构（例如，孔）的光学功能的机械和声学功能。

减低的衍射损耗

在一些实施例中，上文所述的较厚膜片20（例如，足够厚从而降低对热效应的灵敏性的膜片20，或者机械顺从性较差的较厚膜片20）能够导致光纤30的第一端32和反射元件22之间的光程增加，这能够引起额外的衍射损耗。除非以一些方式进行抵消，否则该额外的衍射损耗能够降低反射率，并且因此降低传感器10的灵敏性。

图10示出作为根据本文所述的一些实施例的反射率和各种腔体长度函数的光纤法布里-珀罗腔40（如图4B中所示）的精细度。能够被称为“有效精细度”的光纤法布里-珀罗腔40的精细度包括不被耦合回光纤30的能量的衍射损耗的影响。图10中的曲线对通过SMF-28单模光纤30和反射元件22形成的法布里-珀罗腔40，以及通过改变腔长度40和反射元件22的反射率计算。例如参见Kilic等人的“AsymmetricalSpectral Response in Fiber Fabry-Perot Interferometers”，J.LightwaveTechnology,vol.27,no.24,5648-5656页(2009)。图10中的实线相应于作为两个平坦和无限反射表面之间的标准法布里-珀罗腔的反射率的函数的计算精细度。对于更大的腔体40长度，如厚膜片20的情况，精细度受控于衍射损耗，并且因此不非常受反射元件22的反射率影响（例如参见相应于8λ和16λ腔体长度的线）。由于传感器灵敏性与精细度成比例，所以期望高精细度，从而提高传感器10的灵敏性（例如，通过降低衍射损耗）。

在一些实施例中，为了降低衍射损耗，传感器10包括作为法布里-珀罗腔光程的一部分的聚焦元件70（例如，透镜或曲面镜）。图11A-11B示意性示出根据本文所述的一些实施例的两个示例性聚焦元件70。图11A示意性示出包括透镜结构70（例如，作为面朝光纤30的至少一部分膜片20的表面制作的弯曲表面）的膜片20。图11B示意性示出包括弯曲反射表面或层70（例如，作为背向光纤30的至少一部分膜片20的表面制作的曲面镜）的膜片20。在一些实施例中，能够选择透镜结构或反射表面或层70的曲率，以便反射回光纤末端面的光束的模场直径匹配光纤模的模场直径，以便能够基本上降低或消除衍射损耗。例如，在一些实施例中，透镜结构或反射表面或层70的曲率半径处于约0.1mm至约0.6mm之间。

如图11A-11B示意性示出，一些实施例的聚焦元件70（例如，透镜和/或曲面镜）为一部分膜片20。在一些其他实施例中，聚焦元件70与膜片20分离，但是仍为法布里-珀罗腔的光程的一部分。例如，聚焦元件70能够包括与膜片20间隔隔开的分离板或结构（例如，膜片或光纤30之间的透镜结构，或定位在光纤30上的结构）。其他构造也与本文所述的一些实施例一致。

更大动态范围

图12示意性示出具有与本文所述的一些实施例一致的多个传感器的声学传感器系统100的例子。在示意图下示出示例性背侧晶片、膜片20和前侧晶片的扫描电子显微图。在该例子中，结构元件50（包括背侧晶片和前侧晶片）由二氧化硅制成，并且膜片20的反射元件22包括经定位从而以两个单模光纤30形成光学腔的光子晶体反射镜。

在海洋声学中，由于水实际上不能压缩，所以膜片20不能相对填充水的小封闭法布里-珀罗腔移动。因而，能够绕光纤制作通道90，例如膜片尺寸的通道，从而允许水流出光学腔40并且允许膜片20移动。在一些实施例中，膜片尺寸的通道90直径处于约0.1mm至约0.4mm之间、直径处于约0.15mm至约0.35mm之间、或直径处于约0.2mm至约0.3mm之间。在一些实施例中，膜片尺寸的通道90限定膜片20的直径，并且绕光纤30提供到膨胀通道92的连接。膨胀通道92还能够通往背仓通道95。在一些实施例中，膨胀通道92比膜片尺寸的通道90更大，从而降低膨胀通道92内的流阻。背仓通道95能够为处于结构性元件50的中心的大孔。在一些实施例中，背仓通道95的直径处于约1mm至约2mm之间，例如直径约为1.5mm。

在如图12所示的一些实施例中，能够彼此并联地使用响应不同声学信号水平的两个或更多传感器101、102，从而提高传感器系统100的动态范围。在一些实施例中，将多个并联传感器101、102彼此靠近放置，以便其受到大约相同的声学信号。在利用两个传感器（例如，第一传感器101和第二传感器102）的一些实施例中，能够使用第一传感器101测量弱声学信号，并且能够使用第二传感器102测量较强信号。通过该方式，具有两个组合传感器101、102的传感器系统100的总动态范围就比任何一个单独传感器101或102的动态范围都大。

在一些实施例中，与多个传感器的其他传感器（例如，第一传感器101）相比，多个传感器中的至少一个传感器（例如，第一和第二传感器101、102中的第二传感器102）能够测量较强信号，但是灵敏性较低。在一些该实施例中，通过各种方法、技术或改进降低至少一个传感器的灵敏性。例如，能够使用具有较低反射率的反射元件22、通过使用较长法布里-珀罗腔40或两种方法降低至少一个传感器（例如，第二传感器102）的法布里-珀罗腔40的精细度。法布里-珀罗腔40的该改进导致较高衍射损耗，并且因此降低法布里-珀罗腔40的精细度。

在一些其他实施例中，与其他传感器（例如，第一传感器101）相比，能够降低至少一个传感器（例如，第二传感器102）中的膜片20的机械顺从性。例如，能够使用较厚膜片20和/或具有较小直径的膜片20和/或由较低顺从性材料制成的膜片20，从而降低磨破20的机械顺从性。

在一些实施例中，至少一个传感器能够利用与法布里-珀罗腔40不同的光学检测设计。例如，至少一个传感器能够包括裸光纤30（例如在其末端不具有任何反射元件32的光纤30），以便从其末端面无明显反射（因为二氧化硅-水界面反射小于0.3%）。一些该实施例中的膜片20的运动仅影响被耦合回光纤30的光的量，因为该耦合取决于膜片20和光纤末端之间的净空。继而，能够和使用法布里-珀罗信号测量声学信号相同的方式使用该耦合信号。

传感器之间的减低的交叉耦合

由于水的低可压缩性，响应声学信号的膜片20的运动导致水流进和流出光学腔40。在一些实施例中，在传感器10内部提供称为背仓65的储液器。背仓65包含与光学腔40流体相通的一定体积的水（例如，大小为几立方毫米）。当如上文所述利用并联的两个或更多传感器101、102提高动态范围时，在一些实施例中，背仓65的大尺寸可能使其实际上不能利用每个传感器101、102的单独背仓65。因此，在利用并联传感器101、102的一些实施例中，能够由两个甚至所有传感器101、102共享单一背仓65。然而，在一些实施例中，该构造能够允许共享背仓65的传感器101、102之间的信号和噪声的交叉耦合。

图13A和13B示出共享同一背仓65的彼此并联的一对两个传感器101、102的第一传感器101（例如，图13A）和第二传感器102（例如，图13B）的示例性响应图。对于图13A和13B的该具体例子，（i）第一传感器101具有直径为200μm的0.5μm厚的膜片20，并且第一传感器101的谐振为18kHz，（ii）第二传感器102具有膜片20，其与第一传感器101的厚度相同，但是直径为180μm，谐振为21kHz，（iii）背仓65为半径为3mm，长度为5mm的圆柱形体积，并且其赫尔姆霍兹谐振为82kHz。

如图13A和13B所示，两个传感器101、102彼此耦合，从而引入另外的谐振特征。图13A的箭头指出来自第二传感器102的信号的耦合产生的第一传感器101的响应中的谐振特征，并且图13B的箭头指出来自第一传感器101的信号的耦合产生的第二传感器102的响应中的谐振特征。在一些实施例中，该交叉耦合能够对传感器性能有害，因为其使得响应复杂化，并且耦合传感器101、102之间的噪声，所以提高了每个传感器101、102的本底噪声。

本文所述的一些实施例有利地消除了两个或更多并联传感器101、102之间的交叉耦合。在一些该实施例中，定制背仓65的赫尔姆霍兹谐振和传感器谐振，以便其频率基本彼此相等。在一些该实施例中，在赫尔姆霍兹谐振时，背仓65的阻抗为零，以便两个并联传感器101、102声学接地，因此去耦。如图14A和14B中所示，一些该实施例有利地消除或降低了两个或更多传感器101、102之间的交叉耦合。对于图14A和14B的情况，背仓的长度增大至23mm，以便赫尔姆霍兹谐振变为18kHz。通过该方式，传感器谐振非常接近于背仓赫尔姆霍兹谐振，并且基本消除了第一传感器101和第二传感器102之间的交叉耦合。在一些实施例中，背仓65的赫尔姆霍兹谐振和传感器谐振彼此小于1%、小于2%、小于3%、小于5%、小于8%、小于10%。虽然图14A和14B的响应曲线针对第一传感器101和第二传感器102并联时的情况绘制，但是该曲线基本匹配不具有与其并联的其他传感器的单独传感器的曲线。因而，在一些实施例中，最优化赫尔姆霍兹谐振能够为降低或完全消除交叉耦合的有效方式。

提高灵敏性的空气泡

对于通常在空气中装配的传感器10，当将其浸没到水中时，水将逐渐填充传感器10，这能够提供对静水压力的不灵敏性。然而，有时一定量的空气可能保留在传感器10内部，并且能够在传感器10内部截留一个或更多气体或空气泡（尺寸为直径约0.1mm至约2mm之间）。通常可能通过将表面活性剂诸如标准碗碟洗洁精放入水中而避免该气体或空气泡，以便降低水的表面张力，并且水能够易于流入传感器10。然而，在一些实施例中在传感器10内保持一个或更多气体或空气泡，或者故意将一个或更多气体或空气泡引入传感器10有益。在一些实施例中，该一个或更多气体或空气泡通常有利地提高传感器10的灵敏性，同时降低其频率带宽。

例如，在一些实施例中，背仓65中出现小空气泡对声质量有不可忽视的影响。然而，由于水的能压缩性非常小，所以背仓65的刚性能够取决于空气泡的能压缩性。因此在一些实施例中能够降低膜片20和背层65系统的总刚性，这降低了谐振频率。在一些实施例中，谐振频率的降低不强烈取决于空气泡的尺寸（只要其大于约100μm），因为质量主要受水控制，而能压缩性主要由空气控制。传感器10的一些实施例能够有利地在100Hz至10kHz频率范围内测量低至3.5μPa/Hz^1/2的压力。能够通过截留的空气导致的背仓65中的更大能压缩性提供该更好的最小可检测压力。在一些实施例中，传感器能够有利的测量这样的压力，其小于10μPa/Hz^1/2、小于9μPa/Hz^1/2、小于8μPa/Hz^1/2、小于7μPa/Hz^1/2、小于6μPa/Hz^1/2、小于5μPa/Hz^1/2、小于4μPa/Hz^1/2、或者小于3μPa/Hz^1/2。

因而，在灵敏性对传感器10的应用更重要，并且能够牺牲带宽的一些实施例中，可能使用一个或更多气体或空气泡。该一个或更多气体或空气泡主要在传感器10内起能压缩（例如，比水更有能压缩性）以及弹性元件的作用，这基本上支配传感器10的内容物的能压缩性。

制作工艺

在一些实施例中，声学传感器10的制作工艺包括硅微加工技术。图15示意性示出根据本文所述的一些实施例的示例性制作工艺。可能有其他技术。绝缘体上硅（SOI）晶片包括硅衬底510、具有约1μm厚度的埋氧层520以及具有约450nm厚度的硅装置层530。如图15（a）中所示，在SOI晶片上沉积低温氧化物（LTO）层。然后，如图15（b）中所示，以光刻胶550涂层晶片，并且使用光刻术，例如使用光刻掩模560使其暴露。然后，以等离子蚀刻进行LTO层540的蚀刻，从而形成图15（c）中所示的结构。如图15（d）中所示，使用该带图案的LTO层540作为硬掩模，从而蚀刻下面的硅层530。如图15（e）中所示，一旦前面已经带有光子晶体结构的图案，就使背侧带图案，从而释放硅装置层530的光子晶体结构。

图16示意性示出用于生产根据本文所述的一些实施例的背侧图案的示例性制作工艺。如图16（a）中所示，在硅衬底510（例如结合图15所述的工艺产生的硅衬底510）上沉积低温硅氧化物（Lowtemperature silicon oxide，即LTO）层540。如图16（a）中所示，能够在硅衬底两侧的每一侧上沉积LTO层540。在一些实施例中，能够在每一层LTO层540上沉积一层或更多层氮化物层（例如，未示出的Si₃N₄）。这些氮化物层能够帮助补偿硅层530中的残余应力。例如，在一些实施例中，在张应力下沉积Si₃N₄，这能够补偿由于二氧化硅（SiO₂）膜产生的压应力。使用如图16（b）中所示的反应离子蚀刻使在相对于硅装置层530的硅衬底510的表面上的LTO层540形成图案。如图16（c）中所示，清除背侧上的至少一部分硅衬底510（例如，使用四甲基氢氧化铵（tetramethylammonium hydroxide，即TMAH）湿蚀刻）。最后，如图16（d）中所示，清除至少一部分埋氧层520以及硅衬底510的每一侧上的剩余部分LTO层540（例如，使用氢氟酸蚀刻），从而释放硅装置层530的结构。通过该示例性制作方法，能够在4英寸晶片上制作超过250个芯片。利用图15和16的示例性光刻工艺提供的平行制作工艺，就能够基本上增加能在给定时间制作的传感器10的数目，因而能够降低成本，这对商业批量生产非常重要。

在一些实施例中，如图1B所示，传感器10的主体，例如结构性元件50能够由多个元件制成。例如，结构性元件50能够通过将几个晶片部分（例如，4”直径熔凝二氧化硅晶片部分）粘结在一起制成，每个晶片部分都具有不同图案的孔，例如上述的压力均等化通道。图17A-17C示意性示出根据本文所述的一些实施例的三个单独晶片50a、50b、50c的示例性部分，及其用于构造二氧化硅结构性元件50的块的孔样式。虽然图17A-17C的孔基本为圆形，但是也可使用其他孔形状（例如，正方形、矩形、三角形、多边形、卵形或不规则形状）。对于图17A-17C的50a、50b、50c，示例性孔体的直径分别为0.3mm、2mm以及0.2mm。能够将孔的直径定制为其他直径。图18示意性示出被粘结在一起并且附接至膜片20的光子晶体结构和光纤30以形成根据本文所述的一些实施例的传感器头部的图17A-17C的晶片50a、50b、50c的示例性位置。在该实施例中，光子晶体结构起膜片20的反射元件22的作用。在一些实施例中，晶片厚度为0.5mm。在其他实施例中，晶片厚度能够在约0.3mm至0.7mm之间，或者在约0.4mm至0.6mm之间。为了粘结的目的，每个晶片（例如，图17A-17C的50a、50b、50c）的两侧都能够抛光。

为了生产晶片部分，能够以一定样式透过每个晶片蚀刻二维圆形孔阵列，或者包括多个单元的阵列，其中每个单元都相应于一个传感器头部。例如，图17A-17C仅示出三个晶片50a、50b、50c的该样式的一个单元，利用该一个单元形成传感器头部。在一些实施例中，最靠近膜片20的孔（例如图17A所示并且具有0.3mm的直径）限定这样的尺寸，允许声学传感器10的膜片20弯曲该尺寸，这影响最终装置的声学灵敏性（例如，膜片20越大，膜片10约灵敏）。一些实施例的第二和第三层（如图17B和图17C中所示）限定用于水从膜片20流至图18中所示的背仓65（例如，水听器的情况）的通道。在一些实施例中，能够利用Valley Design of Santa Cruz,California（美国加利福尼亚州圣克鲁斯的Valley Design公司）生产并且由Mindrum Precision ofRancho Cucamonga,California（美国加利福尼亚州伦秋-库卡蒙加的Mindrum Precision公司）构成图案的二氧化硅晶片。

在一些实施例中，在制作膜片20的光子晶体结构之后，使用所谓的硅酸盐粘结技术将绝缘体上硅（SOI）晶片粘结至二氧化硅晶片（如Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory(LIGO)project中所述的氢氧化物催化剂粘结）。由于期望表面紧密接触从而粘结，所以在一些实施例中的表面上使用λ/10或更好的平面度。此外，在一些实施例中，为了成功粘结而利用具有高密度Si-OH基团的亲水表面。在一些实施例中，实现粘结所应用的程序包括以去离子（DI）水冲洗衬底，从而冲去任何颗粒，并且以甲醇擦拭表面从而干燥。然后，通过吸液管从硅酸钠溶液抽取大约5ml，并且将DI水转移至该硅酸钠溶液以获得约25ml（1：4）的粘结溶液。使用新吸液管萃取约1.0ml该粘结溶液，并且将其分配到玻璃上。然后，通过压力将准备粘结的两个表面接触在一起。

在一些实施例中，利用该工艺从而将具有膜片的SOI晶片粘结至二氧化硅晶片，又使用相同的硅酸盐粘结技术将该每个二氧化硅晶片都粘结至另一二氧化硅晶片。在一些实施例中，两个二氧化硅晶片，例如图17B中所示的50b和图17C中所示的50c粘结在一起。在该堆叠的顶部，另一二氧化硅晶片，例如图17A中所示的50a被粘结至晶片50b。然后，该SOI晶片被粘结至晶片50a。在该示例性工艺期间，能够在显微镜下执行将该利用队列定位在相应的孔中。能够将该包含4个4”晶片的堆叠以及2D传感器阵列分为单独的单元，从而获得单独的传感器。例如能够使用硅酸盐粘结或热粘结完成该粘结。

一旦使用硅酸盐粘合技术粘结二氧化硅晶片50a、50b、50c和包括膜片20的SOI晶片，就进一步装配传感器10。一些实施例中的传感器10装配工艺包括：以真空夹盘固定而支持传感器头部；以及将具有反射元件32（例如，处于光纤30的尖端）的光纤30移动到紧密邻近膜片20。在该工艺期间，能够监控反射光谱，而通过无光谱范围的法布里-珀罗腔的标准测量值推断腔体长度40。一旦已实现正确的腔体长度40，就能够将光纤30粘结至结构性元件50。在一些实施例中，能够使用制作工艺将全部晶片粘结在一起，然后如上所述将其切成单独的结构性元件50。作为替换方式，在一些实施例中，能够首先切晶片，然后将其每次一个地粘结至单独的结构性元件50。在其他实施例中，能够在切晶片之前安装光纤30。

在一些实施例中，将光纤30粘结至结构性元件50所使用的方法有利地提供具有可再生腔体长度的法布里-珀罗腔40，例如这样的谐振波长，其在以下过程期间均不变化，即粘结工艺期间、如果粘结需要固化的固化工艺期间、以及在完成装置装配后的时间。在一些实施例中，有利地产生这样的粘结，随着温度变化，该粘结基本不再腔体长度40中产生变化。能够使用许多技术，例如苯甲酸苯酯法、电弧粘接或CO₂激光熔凝满足该目标。

在一些实施例中，如图19所示，对于苯甲酸苯酯法以及对于环氧树脂法，在接近光纤30的内部直径（例如，通常具有125μm直径的标准光纤的127μm直径）的二氧化硅毛细管80的侧面上对称地钻出两个0.75mm直径的通孔85。毛细管80的外部直径不关键；能够使用1.8mm的值。孔85提供这样的通道，其用于粘结材料到达并且将光纤30支持在毛细管80内部。室温下为粉末的苯甲酸苯酯（C₁₃H₁₀O₂）为与本文所述的一些实施例一致的粘结材料。将一些实施例的光纤30插入毛细管80中，从而形成具有膜片20的反射元件20的法布里-珀罗腔40。通过光谱分析仪监控传感器10的光谱，而通过高精度机械定位器使光纤末端紧密邻近膜片20。一旦实现正确的腔体长度，就通过孔85施加苯甲酸苯酯，然后在苯甲酸苯酯的熔点之上加热（苯甲酸苯酯在68°C-70°C熔化）。然后，熔化的苯甲酸苯酯流入孔85中，移除热源，并且随着苯甲酸苯酯凝固，苯甲酸苯酯冷却并且结晶，并且将光纤30粘结至毛细管80。在完成粘结工艺之后，在一些实施例中能够再次检查输出光谱。如果观察到由于粘结工艺产生的法布里-珀罗腔长度与目标值背离，就能够再次加热苯甲酸苯酯，将其加热到光纤30自由移动的程度，调整腔体长度，并且再次测量该间隔。能够重复该工艺数次，直到实现期望的腔体长度。本例子方法的一种进一步优点在于，由于侧孔85对称定位，所以材料在光纤30上施加相等的力（参见图19），这将另外导致腔体长度变化。

在另一示例性制作方法中，使用电弧（例如，来自市售光纤接头机）将光纤30附接至二氧化硅毛细管80。图20A-20B示意性示出在这样的方法中使用的结构，其降低获得根据本文所述的一些实施例的两个元件之间的良好粘结使用的电弧电流。一些实施例的毛细管80在一端81渐缩。光纤30被插入毛细管80中，并且将整个组装部件放置在传统的电弧接头机中。通过适当选择电弧电流和电弧持续时间，光纤30被熔接至二氧化硅毛细管80。能够使用CO₂激光器满足类似目标。如图20A-20B中所示，二氧化硅毛细管80的未渐缩、大面积侧82被粘结至二氧化硅结构性元件50的不存在膜片20的该侧（例如，图20A中所示的侧82被粘结至图20B中所示的结构元件50的侧51，未按比例绘制）。在一些实施例中，通过硅酸盐粘结实现该粘结，其对于上述二氧化硅表面粘结目的成功工作。

图21示出根据本文所述的一些实施例的制作声学传感器10的示例性方法1000的流程图。如图21的操作方框1010中所示，方法1000包括提供具有反射元件22的膜片20。如操作方框1020所示，方法1000还包括相对于反射元件22定位光纤30，以便从光纤30发出光，并且将其从反射元件22反射。相对于反射元件22定位光纤30包括在两者之间形成光学腔40。如操作方框1030所示，方法1000还包括通过结构性元件50将膜片20机械耦合至光纤30。结构性元件50包括二氧化硅。

在方法1000的一些实施例中，如操作方框1010所示，提供包括反射元件22的膜片20包括提供作为反射元件22的光子晶体结构。提供光子晶体结构能够包括提供通过光刻法制作的光子晶体结构。在一些实施例中，方法1000还包括将膜片20硅酸盐粘结至结构性元件50。

在各个实施例中，方法1000还包括在光学腔40中使用包含二氧化硅的元件25。方法1000还包括选择包含二氧化硅的元件25的厚度，其基本等于光纤30的第一端32和膜片20之间的距离。

在一些实施例中，方法1000还能够包括选择膜片直径以提高机械顺从性，和/或选择膜片横截面面积以提高机械顺从性。方法1000还能够包括利用与定位在膜片20上的反射元件22分离的一个或更多流体管55。方法1000还能够包括在光学腔40中使用一个或更多基本能压缩和基本弹性元件，从而提高灵敏性。

示例性实施例和示例性光学声学传感器的特征

图22示意性示出根据本文所述的一些实施例制作和装配的示例性声学传感器10。在该例子中，传感器10包括能偏斜膜片20，膜片20包括450nm后的单晶硅光子晶体结构，该结构紧密邻近（约25μm）起光纤30的反射元件32作用的涂有15nm金的单模光纤30的固定尖端32。光子晶体结构在每一侧上都为正方形300μm。光子晶体结构在900nm斜度上具有800nm直径孔的方点阵，例如以100nm顺序的最小壁厚。使用本文所述的光刻和硅酸盐粘结方法制作传感器10。图23A示出膜片20的光子晶体结构的顶视图的扫描电子显微图。图23B示出膜片20的经制作光子晶体结构的成角度视图的扫描电子显微图。在图23C中示出制作的传感器10尺寸为5x5x5mm。可能进一步小型化。

示例性光学声学传感器的实验特征

使用传统的校准传声器作为基准，在声学隔离封闭空间中测试示例性光纤声学传感器10。在图24中示出声学特征设置的示意图。传感器10集成15kHz线宽、低噪声、1550nm激光二极管。通过光学循环器（Circulator）将激光耦合到传感器10中，并且以PIN光电二极管检测传感器10反射的光。

校准的基准传声器和声学传感器10的电输出端被连接至动态信号分析仪（DSA），后者测量两个传感器的频率响应和噪声谱，以及两者之间的相干性。相干性是两种信号之间的线性相关度的测量值。当两种信号不相关时，诸如一种主要由噪声控制，相干值就为零。在完全相干的情况下，相干值为一。使用来自基准传声器的电信号作为DSA上的反馈信号，从而调整声源的输出，以便在传感器上以所有的频率入射1Pa的恒定压力。引导该测量值至30kHz的声学频率，该频率为指定和测量校准的基准传声器从而具有平坦的频率响应的频率带。

图25示出对于超过~700Hz的两个传感器输出之间的强相干（~1），这确定了该频率带中的数据精确。较低频率的低相干性可能是因为一个或两个传感器具有低于个体的信噪比。图26示出示例性光纤声学传感器10的测量频率响应，后者为声学光纤传感器（Acoustic fiber sensor）10的功率谱（以伏特V）以及基准传声器的功率谱（以帕斯卡Pa）的比。该传感器10具有~6的测量精细度。存在超过8kHz的贷款的平坦带，以及来自FP传感器中在~12.5kHz的机械谐振的谐振。高于~700Hz的其他小谐振主要由声学仓中的残余谐振产生。

图27绘出在具有和图24相同的设备的不同示例性传感器10上测量的三个示例性噪声曲线，但是无噪声信号。在该例子中，能够测量在约10^-4至约10^-7V/Hz^1/2之间的噪声。顶部曲线为传感器10的噪声。中间曲线为当以反射体替换声学光纤传感器10时测量的噪声。最下部为当关闭激光时测量的曲线。该曲线代表检测电子装置（光检测器及DSA）产生的噪声。中间曲线代表光电子噪声：包括检测电子装置和激光噪声。该曲线具有由最高频率的激光的相对噪声强度（-141dB V/√Hz）以及由低于~10kHz的1/f噪声组分确定的白噪声组分。传感器10噪声（顶部曲线）稍微大于光电子噪声；能够将该增加归因于传感器10的热机械噪声，以及激光相噪声到噪声强度的转化。

图28示出具有图26中所示的频率响应的传感器10的最小可检测压力（MDP）。通过用该传感器10的噪声谱除以其频率响应获得该频谱。因为测量值的低相干性，所以低于~700Hz的数据再次不精确。从~700Hz至8.6kHz，MDP处于~180至~27μPa/√Hz的范围。高于8.6kHz，MDP就改善，因为频率接近装置的主机械谐振，并且在12.5kHz变得低至约5.6μPa/√Hz。在1kHz至30kHz频率带的平均MDP为约33μPa/√Hz。该结果证明，本文所述的一些实施例能够提供期望在例如海军声学系统中实施的灵敏性和带宽性能。在一些实施例中，这些MDP值部分受限于光电子噪声，并且能够通过检测电子装置中的简单提高而进一步降低这些噪声。在低频率实验室环境的声学噪声也能够在低频率形成该测量期间观察到的MDP中的一定退化。

示例性光学声学传感器的热稳定性

为了表现示例性光学声学传感器10的热稳定性特征，将其温度从2℃变化至58℃，并且使用光谱分析仪记录谐振波长中的结果移频。也通过第一代光纤传感器例如二氧化硅光纤和硅结构性元件执行相同的测量。在图29中示出对两个传感器测量的谐振波长的变化。在根据本文所述的一些实施例的传感器中，归一化波长随温度的变化比较早的传感器低～70倍(3.3x10^-6/℃比2.4x10^-4/℃)。期望全二氧化硅纤维传感器(例如，二氧化硅光纤30、二氧化硅毛细管80以及二氧化硅结构性元件50)的热稳定性为

因为硅酸盐粘结材料，所以测量值通常更高。对于一些实施例，该结果有助于朝高度稳定的声学传感器大步迈进，并且其更适合于较大比例的传感器网络。

示例性实施例和示例性光学声学传感器系统的特征

图30示出用于海洋声学的示例性光学声学传感器系统200。也参见O.Kilic，M.Digonnet，G.Kino，and O.Solgaard，“Photonic-crystal-diaphragm-based fiber-tip hydrophone optimized for ocean acoustics，”Proc.of SPIE，vol.7004，700405(2008)。在图30的分解视图中，传感器系统200包括传感器头部的表面210。传感器头部的表面210能够包括根据上文所述的一些实施例的膜片20的反射元件22和结构性元件50。在该实施例中，传感器系统200能够包括多个230光纤30，每个都在光纤30的末端上具有反射元件32。传感器200还能够包括背仓外壳260。传感器系统200的横截面类似于图12中所示的传感器系统100。

参考图12，反射元件20能够包括在硅结构性元件50上微加工的光子晶体反射元件22。如图30所示，多个230光纤30能够包括四根SMF-28光纤，每根都传输和返回不同的光学信号。在其他实施例中，能够使用超过四根光纤30。如图12中所示，四根光纤30中的三根能够导致膜片20的光子晶体反射元件22位于传感器头部的表面。在该实施例中，光子晶体结构为具有高反射率(＞95％)的反射元件22。根据本文所述的一些实施例，每根光纤30的末端都能够覆有反射元件32，以便当其紧邻(～20μm)光子晶体反射元件22放置时，它们每个都形成法布里-珀罗光学腔40。通过使顺从膜片20变形，入射声学信号400就能够调整光学腔40的空间，引起被反射回光纤30的激光功率变化。

图30中所示的传感器系统200的三个传感器能够位于约2.5mm直径的区域内，这约为小于感兴趣的最短声波长（100kHz为15mm）的量级，所以能够将它们暴露于基本相同的声学振幅。在其他实施例中，传感器系统200能够位于约2mm至约3mm直径的区域内。三个膜片20能够具有不同的直径（例如，150μm、212μm及300μm），并且因此具有不同的顺从性（相对顺从性例如分别为×1、×4以及×16）。在其他实施例中，膜片能够具有这样的直径，即在约100μm至约400μm之间、在约150μm至约350μm之间、或在约200μm至约300μm之间。如本文所公开的，三个传感器中的每个传感器都能够针对不同的压力范围，从而使传感器200头部的动态范围提高至超过单个传感器。计算显示，该范围能够跨越从低至海洋的环境热噪声（~10μPa/Hz^1/2）直到160dB较高信号的压力。第四根光纤能够被连接至用于传感器阵列应用中的校准目的的基准反射元件。该光纤能够提供与来自其他三根光纤的声学信号一起传输的静态基准信号，以便考虑关联信号在其中行进的路径的损耗和噪声。如本文所述以及如图12所示，传感器系统200能够包括膜片尺寸的通道90、膨胀通道92以及背仓通道95。

示例性光学声学传感器系统的制作

例如图31所示，能够使用硅微加工技术制作传感器系统200。该制作包括以下步骤：（a）-（c）蚀刻膜片尺寸的通道90和膨胀通道92，（d）粘结背侧晶片，（d）限定光子晶体反射元件22，以及（e）蚀刻背仓通道95和光纤对齐通道97。

在（a）图31中，使用低压化学蒸汽沉积（LPCVD）在400μm厚的硅晶片620的两侧上沉积2μm厚的低温硅氧化物（LTO）层610。在其他实施例中，晶片620能够处于约300μm厚至约700μm厚之间、处于约350μm厚至约650μm厚之间、或处于约400μm厚至约600μm厚之间。代替热生长硅氧化物，LTO具有低应力，这能够在随后的制作步骤中有利。继而使用湿法氧化物蚀刻（稀释氢氟酸）在背侧上的LTO层610形成图案。该步骤限定膨胀通道92的形状。

在将膨胀通道92蚀刻到晶片620中之前，以一定厚度（>10μm）的光刻胶（未示出）覆盖背侧，并且形成限定（b）如图31中所示的膜片尺寸通道90的形状的图案。该步骤也确定三个膜片20中的每个膜片的直径。下一步骤包括使用深层反应离子蚀刻（DRIE）蚀刻背侧。能够确定该蚀刻的时间，以便仅将膜片尺寸通道90部分蚀刻到晶片620中。

在（c）图31中，然后剥落光刻胶，以便暴露背侧上具有膨胀通道形状的LTO层610。然后，使用第二DRIE步骤，以便将膨胀通道92部分蚀刻到晶片620中。该步骤也继续蚀刻该被部分蚀刻的膜片尺寸通道90，直到它们接触到前侧上的LTO层610。

在（d）图31中，使用计时氢氟酸蚀刻剥落背侧上的LTO层610，同时以光刻胶保护晶片620的前侧。然后，在1000°C下，将第二400μm厚硅晶片620粘结至第一晶片620的背侧。在其他实施例中，第二晶片620能够处于约300μm厚至约700μm厚之间、约350μm厚至约650μm厚之间、或者约400μm厚至约600μm厚之间。然后是膜片层630的LPCVD沉积，包括将450nm多晶硅层夹在两层25nm氮化硅层之间。在其他实施例中，总膜片能够处于约400μm厚至约700μm厚之间、或者约450μm厚至约650μm厚之间。该薄氮化物层能够起补偿多晶硅层中的残余应力的作用。例如参见S.Kim,S.Hadzialic,A.Sudbo,以及O.Solgaard,"Single-film broadband photonic crystal micro-mirror with large angularrange and low polarization dependence,"in Conference on Lasers andElectro-Optics(CLEO),美国马里兰州巴尔的摩市,p.CThP7,(2007)。如图32所示，该低应力能够提供相对平的膜片20。

图32示出在包括夹在两层25nm硅氮化物层之间的450nm多晶硅层的中尺寸膜片（例如，直径212μm）上的光学轮廓测量值。该测量值指示，膜片20被从晶片620的表面抬高约300nm的相对小的量。顶部区域在130μm直径中心区域中的约10nm内平坦。

沉积膜片层630之后，将其图案制成光子晶体反射镜图案。为了制作光子晶体反射元件22的孔，所以沉积相对薄（例如，在约100nm至约200nm之间，本文中约为150nm）LTO层610，从而起蚀刻掩模（未示出）的作用。在LTO层610上旋转制作聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光刻胶层，并且以电子束刻印使其形成图案。可能有其他形成图案的方法，例如光刻术。然后使用磁强化反应离子蚀刻（MERIE）将该光子晶体反射元件22的孔蚀刻到LTO层610中，并且然后通过继续MERIE蚀刻而蚀刻到膜片层630中。

在（e）图31中，使用DRIE蚀刻背侧上的背仓通道95和光纤对齐通道97。在蚀刻期间，通过剩余的LTO层610保护光子晶体反射元件22，在下一步骤中通过短氢氟酸蚀刻剥离剩余的LTO层610。

通过一系列交互钝化和等向蚀刻步骤非等向性地将各个通道蚀刻到硅晶片620中，这能够在侧壁上产生具有平均深度为~0.25μm（或者在约0.15至约0.35μm之间，或者在约0.2μm至约0.3μm之间）的扇形边。在钝化步骤中，等离子体保形地沉积一层类似PTFE的碳氟聚合物。该聚合物保护侧壁不受蚀刻，并且保留在其中直到蚀刻完成。该钝化膜的疏水性以及侧壁的扇形边外形使得DRIE蚀刻通道变湿程度基本上低。在一些实施例中，这使得适当地以水填充光学腔40有挑战性。在一些实施例中，为了提供足够的可视性，DRIE步骤后能够清除侧壁聚合物，在一些实施例中能够完全清除该侧壁聚合物。在一些实施例中，利用通过氧等离子体将有机物蚀刻掉的消解仪，然后进行热Piranha湿蚀刻剂（硫酸：过氧化氢为9:1）足以剥离晶片620中的侧壁聚合物。

能够使用电子束蒸发在切割SMF-28上沉积多个230光纤30中的每个光纤30上的反射元件32。在示例性实施例中，反射元件22包括4nm铬粘附层，然后是20nm的金反射层，最后是15nm的氟化镁保护层。在其他实施例中，铬层能够为约2nm至约5nm厚度。金反射层能够为约15nm至约25nm或约18nm至约22nm厚度。另外，保护层能够为约10nm至约20nm或约18nm至约22nm厚度。可能有其他尺寸，金有利，因为其在约1550nm波长的激光运行波长的低吸收和较强反射性，从而针对传感器系统200。

能够在传感器系统200中使用将多个230光纤30装配到根据本文所述的一些实施例的传感器10的结构性元件50的方法。将光纤30推过光纤对齐通道97，同时使用光谱分析仪监控法布里-珀罗干涉计的频谱。达到法布里-珀罗光学腔40的目标间隔后，就以环氧树脂固定光纤230（同时监控和调整间隔）。最后，使用环氧树脂将传感器头部的表面210附接至背仓外壳260，并且通过热收缩管扎紧多个230光纤30。背仓外壳260能够为市售球形末端软管倒钩。在图33中的图中示出完整、封装传感器系统200。

理论建模

对海洋声学的传感器系统200的最优化挑战在于，海洋噪声谱复杂，并且参数空间的分析利用交叉学科建模：位移检测的光学建模，膜片运动的机械建模，传感器隔音板的声学建模和背仓设计，以及通道结构的微流体建模。同样地，单一参数能够同时影响几个传感器特征。例如，膜片中的穿孔尺寸影响光学反射、静水力学灵敏性以及膜片的机械顺从性。因此，通过直接有限元数值模拟的最优化进程不切实际，并且它也不提供能够如何调整各种传感器参数的洞察力。因此，利用本文所述的分析模型，该模型提供关于如何定制设计参数从而满足海洋声学的需要的信息。

集总元件等效电路模型

特征传感器系统尺寸（~1mm）基本上小于感兴趣的声波长。在其他实施例中，传感器系统的尺寸能够在约1.5mm至约2mm之间。因此，可能近似空间分布具有单集总元件的元件，从而为传感器系统200的噪声和热机械噪声建模。例如参见T.B.Gabrielson,"Mechanical thermalnoise in micromachined acoustic and vibration sensors,"IEEE Trans.Electron Devices,vol.40,pages 903-909(1993)。在该集总模型中，分别通过单声波顺从性C和声质量M描述传感器系统200中的分布势能和动能。同样地，通过单声阻R对传感器系统200中的耗散建模。

如图34所示，使用集总元件描述传感器系统200中的物理机构，可能通过由这些元件形成的等效电路分析传感器系统200。在该电路中，声波顺从性C类似于电容，并且声质量M类似于电感。按相同规则，声阻R类似于电阻。这些集总元件的声阻抗(Z)分别为1/(jωC)、jωM以及R。穿过这些阻抗的压降(P)和流速

之间的关系假定为只要该流动非湍流或者膜片位移与其厚度相比小，该假定就有效。为了清晰，仅在图34中示出一个传感器10的模型，同时在该例子中，存在连接至相同背仓65的与传感器系统200并联的三个不同传感器。

通过压力源(P_in)表示入射声学信号。声学信号能够通过两种路径行进至光学腔40，即或者作为通过光子晶体反射元件的体积流（路径M_hole-R_hole），或者通过顺从膜片20的运动。一旦该信号到达光学腔40，其就通过绕通往背仓65的光纤30的膜片尺寸通道90传输。光学腔40的小体积使得声学顺从性低，这意味着在光纤30和膜片20之间不能压缩水，而是迫使其流入背仓65。无背仓65时，将通过硬光学腔40抑制膜片20的运动，以便与空气相比，传感器10在水中的响应将下降超过80dB。由于传感器10的光学装置测量的量仅为膜片位移，所以能够使用该等效电路模型，从而计算贯穿膜片顺从而下降的入射压力部分，从而获得传感器响应。类似地，能够使用该等效电路模型计算从耗能元件传递至膜片顺从的噪声量，从而获得传感器系统200的热-机械噪声限制。

膜片的声阻抗

绕其外围固定的绷紧圆形膜片20的小横向位移运动u以及厚度h、半径a和密度ρ的方程为：

$(\mathrm{h\&rho;}\frac{{\&PartialD;}^2}{{\&PartialD;t}^2}+D{\&dtri;}^4-\mathrm{h\&sigma;}{\&dtri;}^2)u={\mathrm{Pe}}^{\mathrm{j\&omega;t}}---\left(5\right)$

例如参见S.Timoshenko和S.Woinowsky-Krieger，Theory of Plates andShells(McGraw-Hill,New York,1959)；以及M.Di Giovanni,Flat andCorrugated Diaphragm Design Handbook(Marcel Dekker,美国纽约,1982)。其中σ为残余应力，而D抗挠刚度，由

定义，E为杨氏模量，υ为泊松比。与声波长度相比，膜片尺寸小，所以将入射压力建模为具有振幅P和频率ω的平面波（频率的单位为Hz，参考f=ω/2π）。

能够解析求解方程（5），从而获得谐振频率和模场分布（resonancefrequencies and mode profiles）的表达式。具有低残余应力（low residualstress）（例如，a²hσ<＜D）的膜片20的挠度分布（bending profile）能够表达为：

u(r，t)=u0e^jwt(1-r²/a²)²        （6）

其中，u₀=c_mP为中心位移振幅，而c_m=a⁴/64D为膜片20的机械顺从性（硬度的倒数）。在水中能够忽略膜片20的机械谐振，因为水的阻抗决定了膜片的机械性。因此，假设方程（6）在感兴趣的频率范围都有效。对于大位移（u₀>h/5），弯曲膜片20的张应力变得明显，所以对于给定的压力，膜片20更难偏斜。在该情况下，能够通过以下方程计算中心位移：

$u_0=c_{m}P-\frac{(1+v)(7-v)}{16h^2}{u}_0^3---\left(7\right)$

例如参见M.Di Giovanni,Flat and Corrugated Diaphragm DesignHandbook(Marcel Dekker,美国纽约,1982)。方程（5）对实心膜片建模，因此不考虑光子晶体反射元件22的孔对膜片的机械性能的影响。穿孔使得膜片20的弹性高度各向异向，这使得机械建模复杂化。此外，可能通过使用修正弹性常数模拟作为均质膜片的结构。通过使穿孔膜片的应变能量等于等效实心膜片的应变能量建立光子晶体反射元件22的有效弹性常数。例如参见M.Pedersen,W.Olthuis,以及P.Bergveld，“Onthe mechanical behaviour of thin perforated plates and their application insilicon condenser microphones”，Sensors and Actuators A,vol.54,499-504页(1996)。

能够以修正弹性常数将穿孔板作为实心同向板建模。通过使两种板的应变能相等建立有效弹性常数，产生以下材料常数：

可能一起求解方程（8）和（9），从而计算有效杨氏模量E'，以及有效泊松比υ'。作为替换方式，方程（10）产生有效抗挠刚度D'：

忽略υ中的二阶相，产生方程（11）中的D'的表达式：

其中，

为填充因数，由光子晶体反射元件的显露面积和总面积的比定义。其中限定光子晶体反射元件22的总面积（a_PC=25μm）比膜片20（半径a=150μm）小。因此，弹性系数不是贯穿膜片20都恒定。特别地，膜片的抗挠刚度D_dia随着半径位置而变化，所以D_dia(r>a_PC)=D以及D_dia(r≤a_PC)＝D′。为了使用方程（5）中的简单模型，假设复合膜片等效于具有近似满足

的有效抗挠刚度D″的均匀膜片。类似地，使用单一密度ρ″。为了计算这些有效弹性系数，可能使用有限元分析或重叠法。通过方程（11）的修正弹性系数表示的对具有50μm直径中心区域的复合300μm直径膜片的有限元模拟产生有效抗挠刚度（D″=0.76D）以及有效密度（ρ″=0.70ρ）。在制作的结构中，可以忽略残余应力。为了线性位移体系而获得这些值。按照方程（7），考虑非线性位移体系的模拟产生相同的结果。

通过计算膜片30的动能（U_k），然后使其等于包括具有通过相应于体积流速的由

限定的单一速度

的集中质量（M_dia）的等效体系确定膜片20的声质量。假设该结果为时谐e^jwt，因此u(r)=jωu(r)。然后使用计算膜片20的声质量：

$M_{\mathrm{dia}}=\frac{3h{\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;\&prime;}}{5{\mathrm{\&pi;a}}^2}---\left(12\right)$

类似地，计算膜片20中的势能（U_p），然后关联具有集总弹簧常数（k_dia）和由

限定的作为体积位移的单一位移

厄等效系统。使用

计算该等效弹簧常数。膜片的顺从性（C_dia）为该弹簧常数的倒数，因此C_dia=1/k_dia，声波顺从性为：

$C_{\mathrm{dia}}=\frac{{\mathrm{\&pi;a}}^6}{192D^{\&prime;\&prime;}}---\left(13\right)$

膜片20的顺从性特别重要，因为其确定了作为压力的函数的膜片20的位移。由于传感器10的光学部分仅检测膜片位移，所以集总模型的主要目的在于计算贯穿该顺从性的压力（P_dia）和噪声。

膜片的辐射阻抗

周围流体在传感器10的整体机械性能中起重要作用，并且为对传感器动力学具有明显影响的其他声质量和顺从性建模所必需。流体的出现也产生耗散，引起热机械噪声，这也利用经声阻的损失建模。当计算声质量和声阻时，能够假设在一些实施例中，流动为层流并且流体不能压缩。为了计算顺从性，考虑流体的可压缩性。

在一些实施例中，膜片20在水中的有效声质量超过真空中的声质量一个量级。这是因为，当膜片20振荡时，流体与其一起运动。因此，能够包括称为辐射质量（M_rad）这样的质量项从而考虑运动的流体。振荡膜片20也将其部分能量辐射到流体中，产生耗散通道。为了考虑该辐射损耗，能够包括声辐射阻力。能够通过近似将膜片视为安装在无限反射板中的刚性活塞而计算该辐射质量和辐射阻力，产生：

$M_{\mathrm{rad}}=\frac{{8\mathrm{\&rho;}}_0}{{3\mathrm{\&pi;}}^{2}a}---\left(14\right)$

$R_{\mathrm{rad}}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_0}{2\mathrm{\&pi;c}}{\mathrm{\&omega;}}^2---\left(15\right)$

例如参见L.L.Beranek,Acoustics(American Institute of Physics,美国纽约,1986)；以及M.Rossi,Acoustics and Electroacoustics (Artech House,Inc.,1988)。其中，ρ₀为流体密度，而c表示流体中的声速。与和质量电抗并联的恒定分流声阻相比，本文所述的建模使用传统的与质量电抗并联的取决于频率的声阻。例如参见L.L.Beranek,Acoustics (AmericanInstitute of Physics,美国纽约,1986)。

在一些实施例中，考虑到传感器头部尺寸在大多数的频率范围内都小于波长，所以无线反射板近似过于简单。因为期望的传感器具有这样的自噪声，其能够受辐射损耗限制而高于30kHz，其中海洋噪声主要受水分子的布朗运动支配，所以在一些实施例中，辐射损失的精确建模很重要。在一些实施例中，有限闭合反射板可能是一种更好的结构描述。为有限反射板建模能够相当有挑战性，但是能够如下概括该结果：在低频率时，传感器类似于无限管末端的活塞，以便辐射损耗大约为无限反射板的值的一半。在较高频率时，当头部尺寸变得可与波长相比时，阻抗值就接近于无限反射板的阻抗值。例如参见P.H.G.Crane,"Methodfor the calculation of the acoustic radiation impedance of unbaffled andpartially baffled piston sources,"J.Sound Vib.,vol.5,257-277页(1967)；以及T.Mellow和L.

"On the sound field of an oscillating diskin a finite open and closed circular baffle,"J.Acoust.Soc.Am.,vol.118,1311-1325页(2005)。

然而在特征化实验和预想实际应用中，传感器10安装在更多的结构上。基于该实际反射板结构的尺寸、形状和刚性的理论处理太复杂。但是，基于高于30kHz时这些反射板常常大于波长（<5cm）的事实，能够假设方程（14）和（15）中的无限反射板模型足够为传感器10的一些实施例的建模。如果使用更复杂的反射板模型，就能够调整热噪声对环境大海噪声的影响，从而反映传感器反射板结构所暴露的最小噪声水平。

流经光子晶体反射元件的孔

流经光子晶体反射元件22的孔的水能够受到粘滞阻力。该粘滞阻力具有两种影响，这是因为来自孔围绕物的流体的水平流动（压膜流），以及通过孔体的流体的垂直流动（泊肃叶流）。来自每个孔的水平流影响为：

其中，m为流体的动态粘滞度，而l为腔体间隔。例如参见D.Homentcovschi和R.N.Miles,"Modeling of viscous damping ofperforated planar microstructures.Applications in acoustics,"J.Acoust.Soc.Am.,vol.116,2939-2947页(2004)；以及Z.

"On acousticalresistance due to viscous losses in the air gap of electrostatic transducers,"Acustica,vol.19,295-299页(1967)。与使用穿孔背板的大多数传声器相比，边界条件能够防止膜片运动导致该压膜流。能够通过与使流体流过孔的相同压力场移动穿孔膜片20。结果，膜片20上出现的孔可能不明显降低压膜阻尼。

另一方面，每个孔的垂直流影响为：

例如参见L.L.Beranek,Acoustics(American Institute of Physics,美国纽约,1986)；M.Rossi,Acoustics and Electroacoustics(Artech House,Inc.,1988)；以及D.Homentcovschi和R.N.Miles,"Modeling of viscousdamping of perforated planar microstructures.Applications in acoustics,"J.Acoust.Soc.Am.,vol.116,2939-2947页(2004)。在该方程中，能够使用有效厚度

当孔直径a_hole和厚度h可比较时，就能够使用该修正厚度，从而对空末端的影响进行修正。例如参见D.Homentcovschi以及R.N.Miles,"Viscous damping of perforated planar micromechanicalstructures,"Sensors and Actuators A,vol.119,544-552页(2005)。与流阻相比，孔的辐射阻力不明显，并且不将其包括在模型中。也能够考虑孔的声质量，并且表达为：

$M_{\mathrm{hole}}=\frac{{4\mathrm{\&rho;}}_0{h}^{\&prime;\&prime;}}{{3\mathrm{\&pi;a}}_{\mathrm{hole}}^2}---\left(18\right)$

例如参见L.L.Beranek,Acoustics(American Institute of Physics,美国纽约,1986)；和M.Rossi,Acoustics and Electroacoustics(Artech House,Inc.,1988)。为了包括孔的辐射质量，能够定义有效厚度

由于在一些实施例中孔提供并联通道，所以能够通过等于孔数目的因子降低整体孔阻抗。

空腔效应

通过光学腔40流动至膜片尺寸通道90能够受到称为压膜阻力的一种阻力：

$R_{\mathrm{gap}}=\frac{3\mathrm{\&mu;}}{{2\mathrm{\&pi;l}}^3}---\left(19\right)$

例如参见J.B.Starr,"Squeeze-film damping in solid-state accelerometers,"in IEEE Workshop in Solid-State Sensor and Actuator 4th Technical Digest,44-47页(1990)。流经光子晶体反射元件22的孔的所有体积都能够通过光学腔40，因此能够以公式（19）表达该阻力。然而，因为在一些实施例中，膜片直径明显比光纤直径大，所以仅有一部分由移动膜片20导致的体积流必须流经腔体40。因此，两种情况下的有效阻力不同，所以膜片运动产生的流动受到实际腔体阻力的摩擦，在刚性活塞近似中表达：

$R_{\mathrm{gap}}^{\&prime;}=R_{\mathrm{gap}}\frac{a_f^2}{a^2},---\left(20\right)$

其中a_f为光纤30的半径。法布里-珀罗腔40和背仓65为存储势能的流体体积，因此能够通过弹簧效应阻止膜片的运动。能够通过两种声学顺从性——腔体顺从性（C_cav）和背仓顺从性（C_bc）解决该效应：

$C_{\mathrm{cav}}=\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_f^{2}l}{{\mathrm{\&rho;}}_0{c}^2},$ $C_{\mathrm{bc}}=\frac{{\mathrm{\&pi;a}}_{\mathrm{bc}}^{2}L}{{\mathrm{\&rho;}}_0{c}^2},---\left(21\right)$

其中a_bc和L分别为背仓65的半径和长度。例如参见L.L.Beranek,Acoustics(American Institute of Physics,美国纽约,1986)；以及M.Rossi,Acoustics and Electroacoustics(Artech House,Inc.,1988)。因为腔体阻抗由于其腔体体积小儿在感兴趣的频率范围内非常大，所以在计算中能够忽略该腔体顺从性。另一方面，背仓65的相对大体积包括其声质量：

$M_{\mathrm{bc}}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{0}L}{{3\mathrm{\&pi;a}}_{\mathrm{bc}}^2}---\left(22\right)$

例如参见id。在一些实施例中，对于低频率，该质量的电抗小，但是能够决定高于27kHz的赫尔姆霍兹频率的背仓阻抗。

流经光纤周围的环形通道

光纤30及其所穿过的膜片尺寸通道90限定将光学腔40连接至背仓65的环形开口。在传感器10的建模中能够包括这些环形通道的阻抗和声质量。计算产生类似于公式（17）和（18）的表达式：

$R_{\mathrm{chan}}=\frac{8\mathrm{\&mu;l}}{{\mathrm{\&pi;a}}^4}{f}_R\left(\mathrm{\&epsiv;}\right),---\left(23\right)$

$M_{\mathrm{chan}}=\frac{4{\mathrm{\&rho;}}_{0}l}{{3\mathrm{\&pi;a}}^2}{f}_M\left(\mathrm{\&epsiv;}\right),---\left(24\right)$

其中，l为环形通道的长度。项f_R(ε)和f_M(ε)为ε＝a_f/a的函数。

通过下列方程描述通过长度l、外部直径a以及内部直径_af的环形通道的轴向压力流的曲线：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&upsi;}}{\&PartialD;r}=\frac{\mathrm{Pa}}{2\mathrm{\&mu;l}}(k^2/\mathrm{\&xi;}-\mathrm{\&xi;}),---\left(25\right)$

其中ξ＝r/a。例如参见R.A.Worth,"Accuracy of the parallel-plateanalogy for representation of viscous flow between coaxial cylinders,"J.Appl.Polym.Sci.,vol.24,319-328(1979)。平面ξ＝κ相应于零切应力。对方程（25）积分，并且对于r=a_f和r=a使用无滑动边界条件u=0，获得以下轴向速度：

$\mathrm{\&upsi;}=\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{4\mathrm{\&mu;l}}[(1-{\mathrm{\&xi;}}^2)-(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)\ln /\ln \mathrm{\&epsiv;}],---\left(26\right)$

其中ε＝a_f/a。使用

产生环状通道的声阻：

$R_{\mathrm{chan}}=\frac{8\mathrm{\&mu;l}}{{\mathrm{\&pi;a}}^4}{f}_R\left(\mathrm{\&epsiv;}\right),$ $\mathrm{where}{f}_R\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\frac{\ln \mathrm{\&xi;}}{(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^4)\ln \mathrm{\&epsiv;}+{(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)}^2}---\left(27\right)$

类似地，使用

产生环状通道的声质量：

$M_{\mathrm{chan}}=\frac{4{\mathrm{\&rho;}}_{0}l}{{3\mathrm{\&pi;a}}^2}{f}_M\left(\mathrm{\&epsiv;}\right),$ $\mathrm{where}{f}_M\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\frac{6{(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)}^3+9(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^4)\ln \mathrm{\&epsiv;}+4(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^6){\ln }^2\mathrm{\&epsiv;}}{4[(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^4)\ln \mathrm{\&epsiv;}+{(1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2)}^2{]}^2}---\left(28\right)$

在环状通道的极限（a_f=0）中，方程（27）和（28）分别等于方程（17）和（18），因为 $\underset{\mathrm{\&epsiv;}\&RightArrow;0}{\lim }{f}_R\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=\underset{\mathrm{\&epsiv;}\&RightArrow;0}{\lim }{f}_M\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=1.$

虽然能够将光纤30的表面视为非常光滑，但是如上所述，以DRIE蚀刻的硅侧壁具有平均高度为~0.25μm的扇边形结构。该粗糙表面能够提高流阻，能够通过提高水的粘滞度或者降低通道直径对其建模。基于以下文献中的测量和计算，即G.M.Mala和D.Li,"Flow characteristics ofwater in microtubes,"Int.J.Heat Fluid Flow,vol.20,142-148页(1999)；以及Y.Hu,C.Werner和D.Li,"Influence of three-dimensional roughnesson pressure-driven flow through microchannels,"J.Fluids Eng.,vol.125,871-879页(2003)，扇边形粗糙度（~0.25μm）能够使流阻提高超过约10%。因此，可能调整最优通道尺寸从而补偿该效应。

建模结果

传感器系统响应

在示例性实施例中，在图3A中示出通过集总元件模型计算的在1Hz-100kHz频率范围的第一传感器（例如，300μm直径膜片）的响应。在表I中总结第一传感器设计的结构参数。

表I——传感器系统内的示例性传感器的结构尺寸

在低频率时，在25Hz高通截止点，水趋向于流经光子晶体反射元件22的孔体而非移动膜片20。第一传感器对静水压力不敏感，所以该传感器能够在例如深海应用中使用。在~10kHz，存在由膜片机械性能和随其一起移动的水质量确定的谐振。水质量能够提高膜片20的有效质量约60倍，所以与在空气中运行相比，该谐振降低。能够通过图34中的声学电路的高频部分确定相应频率w₀=(M₀C₀)^-1/2，其中M₀=M_rad+M_dia+M_chan+M_bc而1/C₀=1/C_dia+1/C_bc。在截止点和谐振之间存在宽有用平带，其中大多数入射压力贯穿膜片20下降。

如本文所述，公用背仓65允许传感器系统200内的传感器之间的交叉耦合。如图35A中所示，以约16kHz的另外谐振特征的形式。该频率相应于第二传感器（例如，212μm直径）的谐振，因此该谐振特征为来自给传感器的交叉耦合的结果。不存在来自谐振为23kHz的第三传感器（例如，150μm直径）的耦合。第三传感器的谐振频率基本上接近背仓的赫尔姆霍兹频率，后者相应于27kHz为如本文所述公开的，通过设计背仓65和并联传感器，以便谐振接近赫尔姆霍兹谐振，就能够抑制耦合。

集总建模的一种限制在于，其不考虑出现在背仓65内部的相应于约50kHz的高于ω=πc/L的声学谐振。这些谐振影响背仓阻抗，所以其在谐振频率附近从低值到高值波动。例如参见L.L.Beranek,Acoustics(American Institute of Physics,美国纽约,1986)。该影响远非赫尔姆霍兹谐振产生的阻抗降低那样强。虽然背仓阻抗的变化对传感器响应有次级影响，在实际响应频谱中可能可见这些谐振，因此在一些实施例中不期望该谐振。能够通过使用扬声器箱中使用的类似方法降低该谐振：例如通过为背仓65加吸声或阻抗匹配层衬里，以便抑制驻波。由于背仓65相对于典型扬声器箱的小尺寸，所以可能改进该方法。

热噪声

图35B示出被传递至膜片20的总热噪声（20°C），以及来自几个耗散通道的影响，即辐射损耗（虚线）、通过光子晶体反射元件22的孔的流体（点线）、以及通过光学腔40和环状通道（的流体点划线）。在低频率时，通过光子晶体反射元件22的小孔的高耗散流能够确定本底噪声。在约1kHz时，通过光子晶体反射元件22的孔的流体能够基本上降低，所以通过环形通道的耗散能够决定噪声。在约40kHz时，膜片20的运动再辐射比通过其他通道损失更多的能量，所以辐射损耗能够决定本底噪声。辐射损耗限制本底噪声为该传感器系统200能够达到的基本最小值。图35C示出总噪声，以及来自第二传感器（虚线）以及第三传感器（点线）的影响。在约27kHz时，来自第二和第三传感器的噪声影响最小，因为背仓65处于其赫尔姆霍兹谐振，并且如上所述防止传感器之间的交叉耦合。对于~10的光学精细度，示出实际测量中遇到的典型光电子噪声谱。该噪声具有这样的白噪声组分，其由激光的相对强度噪声（RIN）（-155dB/Hz）以及低于1kHz的1/f噪声组分决定。

最小可检测压力

将膜片20上的噪声归一化为响应产生图36A中所示的最小可检测压力（MDP）。MDP曲线显示，在一些实施例中基本不存在灵敏性中的谐振。除了由于传音引起的小谐振特征，能够抵偿谐振效应。由于通过传感器的热机械噪声设置本底噪声（自噪声），所以也能够放大谐振噪声。通过设计，能够将传感器系统200的顺从性调整至高值，以便自噪声对光电子噪声占优势。虽然提高顺从性使得传感器系统200更易受到布朗运动的影响，但是它也提高了信号。这能够使与本底噪声由光电子噪声设置的情况相比，信噪比（SNR）最终更大。能够通过使用本方法实现SNR的基本限制。在一种方法中，通过使传感器系统200噪声更大提高传感器200的灵敏性。由于在该情况下，信号和噪声来自相同的来源（声源），噪声和信号中的谐振能够抵偿，所以在图36A中未观察到MDP峰值。在该实施例中，最优化MDP曲线，从而通过调谐各种参数，诸如通道长度、背仓体积以及光子晶体结构中的孔数目而匹配海洋的最小环境噪声水平（参见表II）。计算的MDP曲线和海洋噪声之间的匹配使得该传感器系统200在至少为1Hz-100kHz的非常宽的频率范围内具有可能最高的灵敏性。如图36B所示，当仅使用一个传感器时，能够获得甚至更好的匹配。

动态范围

在传感器系统200中的三个膜片20中，最大的膜片20（例如直径为300μm）通常是最易碎的。因此，可通过该膜片20的断裂应力限制传感器系统200的安全运行压力范围。对于1Gpa的屈服强度，能够将传感器系统200暴露于~1MPa (240dB re.1cPa)的最大压力而不损伤膜片20（例如参见W.N.Sharpe,Jr.,K.Jackson,K.J.Hemker,以及Z.Xie,"Effect of specimen size on Young's modulus and fracture strength ofpolysilicon,"J.Micromech.Syst.,vol.10,317-326页(2001)），并且假设光子晶体反射元件22的孔不起裂纹扩展点的作用。然而在一些实施例中，在这样大的压力下，由于湍流和可能的气穴现象，可能对校准传感器系统200产生挑战。在一些实施例中，气穴效应也可能在低于膜片的破碎极限的压力下破坏传感器系统200，降低最大安全压力。在海水中，气穴现象能够在低至0.18MPa的压力下产生（在10m深度约10kHz测量）。例如参见V.A.Akulichev和V.I.Il’ichev,"Acoustic cavitation thresholdsof sea water in different regions of the world ocean,"Acoust.Phys.,vol.51,128-138页(2005)。能够将最大安全压力降低至~220dB。

对于高性能应用，在一些实施例中，动态范围内的限制因素可能为传感器系统响应的线性。图37A显示光学信号和膜片位移的计算线性。由于将该值归一化，所以其与膜片尺寸独立。S_FP为来自法布里-珀罗光学腔40的光学信号的振幅。在线性体系中，该振幅通过常数σ_FP与膜片位移振幅u₀成比例，所以S_FP=σ_FPu₀。图37A中的图假设~10的光学精细度（参考光纤法布里-珀罗干涉仪的精细度，其与自由空间法布里-珀罗腔的精细度不同。例如参见O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino以及O.Solgaard,"Asymmetrical spectral response in fiber Fabry–Perotinterferometers,"J.Lightwave Technol.,vol.28,5648-5656页(2009)）。虽然法布里-珀罗检测提供高位移灵敏性从而检测小压力振幅，但是其线性可能受限。对于仅为~5nm的压力振幅，法布里-珀罗光学腔40的线性能够下降至90%。在一些实施例中，该非线性能引起传感器系统信号中的谐波失真。虽然传感器系统响应的线性因素能够取决于特殊应用而变化，但是对约-30dB的总谐波失真（THD）计算本文公开的一些实施例的传感器动态范围。为了对给定压力确定THD，纯正弦波的振幅随着图37A的线性曲线扭曲。该扭曲波的傅里叶变换产生谐波功率波谱。通过将较高谐波中的总功率分为基本谐波中的功率而计算该THD。

对于传感器系统200中的第一传感器，如图37B所示，约0.6Pa（115dB）的压力振幅导致约-30dB的THD。第一传感器能够在1Hz带宽中检测的最小压力为~10μPa(20dB)。因此，第一传感器能够针对受限于约20dB至115dB范围的压力。如本文所公开，可能通过利用第二传感器和第三传感器提高该动态范围。虽然传感器系统200中的所有三个传感器都测量相同的声学信号，但是他们光学去耦。因此，不危及第一传感器的高灵敏性时，第二和第三传感器的光学参数，诸如精细度能够变化。第二传感器的光学精细度能够变为~1，基本相应于双束干涉。较小的顺从性和较低精细度允许在损害灵敏性的情况下检测较大信号，对于该传感器，提供约35dB至140dB的压力范围。

如本文所公开，传感器系统200中的光学去耦传感器允许在定制光学检测计划时的更大自由度。例如，在一些实施例中，第三传感器不要求高位移灵敏性，因为将其设计为测量大信号。因此，如本文所公开，能够使用较小灵敏性但是比法布里-珀罗更线性的另一光学检测计划。例如，使用在其末端无反射元件的光纤，以便从其末端面无明显反射（二氧化硅-水界面反射小于0.3%）。在该实施例中，防止了光学干涉。检测膜片位移而非测量被耦合回光纤的光功率。因为从光纤30的尖端发出的光的衍射，所以该耦合随着光学腔40的间隔而变化。例如参见O.Kilic,M.Digonnet,G.Kino,和O.Solgaard,"Asymmetrical spectralresponse in fiber Fabry–Perot interferometers,"J.Lightwave Technol.,vol.28,5648-5656页(2009)。在线性体系中，光耦合振幅通过常数σ_c与膜片位移振幅成比例，以便S_C=σ_Cu₀。如图37A所示，通过该检测计划，限制因子能够与膜片位移成线性。由于该计划的不良灵敏性，所以第三传感器能够测量的最小位移受RIN的限制。这与在第一传感器和第二传感器中使用的法布里-珀罗检测形成对比，其中限制主要是传感器的自噪声。传感器系统200内的第三传感器能够检测约80dB至180dB范围的压力。因此，本文所公开的该例子表明，通过使用并联传感器，传感器系统200能够有约160dB（20dB至180dB）的动态范围，在一些实施例中，其仅受膜片位移与压力的线性限制。

第一传感器和第三传感器的动态范围能够交迭约35dB（80dB至115dB）。因此，在一些实施例中，不可在利用-30dB的THD的应用中使用第二传感器。然而，对于低于-65dB的THD，第一传感器和第三传感器的动态范围可能完全不交迭，因为如图37B中所示的第一传感器和第三传感器的THD曲线的斜率完全不同。对于功率耦合检测，关于压力振幅的THD的变化可能为法布里-珀罗检测（约30dB/16dB vs.约30dB/32dB）的两倍快，所以对于较低THD，动态范围之间的交迭能够逐渐降低。结果，对于利用约-60dB或更好的THD的应用，能够使用传感器系统200内的第二传感器，以便在动态范围之间存在足够交迭。作为例子，第一传感器、第二传感器以及第三传感器的-70dB THD的动态范围约为20dB-75dB、约为35dB-100dB、以及约为80dB-160dB。

在一些条件下，压力范围的上限和下限能够不同。对于下限，能够假设1Hz检测带宽。因此，对于较大带宽，能够提高每个传感器的MDP，因此能够降低动态范围。该降低也能够降低传感器系统200中的并联传感器的压力范围的交迭。例如，即使对于约100Hz的大测量带宽，在-30dB THD体系中，第一传感器和第三传感器之间仍存在约15dB的交迭。然而，对于优于-40dB的稍微更严苛THD，该交迭可能不足，所以能够使用第二传感器覆盖全部动态范围。对于上限，假设不发生湍流，所以基于层流的分析模型仍有效。湍流能够在雷诺数（Re）大于~1500的微流体通道中发生。例如参见K.V.Sharp和R.J.Adrian,"Transition fromlaminar to turbulent flow in liquid filled microtubes,"Exp.Fluids,vol.36,741-747页(2004)；以及C.Rands,B.W.Webb,和D.Maynes,"Characterization of transition to turbulence in microchannels,"Int.J.HeatMass Transfer,vol.49,pages 2924-2930(2006)。

本文所述的分析模型的优点在于，其允许计算通过每个膜片尺寸通道90的流速。由于雷诺数与流速成比例，所以可能分析传感器系统200的各个部分，从而获得流动特征。设置湍流的第一地点为环状通道（例如，膜片尺寸通道90），因为它们虽然水利直径相对小，但是能够容纳所有的流动（不象例如光学腔40）。图38示出对于在传感器系统200的第三传感器上入射的约180dB恒定压力的三个流道90的雷诺数。计算不同频率的雷诺数，并且改变入射压力，以便最小膜片上的压力（例如，直径150μm）在传感器系统200的最大假设范围（约180dB）都恒定。

在该实施例中，图38中所示的结果指示，在传感器系统200的动态范围内部期望有湍流，因此层流模型及其预测的压力范围的上限有效。在一些实施例中，因为湍流，所以动态范围不能充分提高。即使通过更线性的膜片结构和位移传感机构，该动态范围最终也能够受湍流的限制。

示例性光学声学传感器系统的实验特征

在图39中所示的计划中描述处于填充蒸馏水的容器内的示例性光学传感器系统200。通过具有~1550nm波长的光纤耦合激光询问光学传感器系统200。激光首先穿过光学计算器，后者将光进给至光学传感器系统200，并且将从传感器系统200反射的光引导至光接收器（例如NewFocus 2053-FC）。该光接收器由以下部件组成，即砷化镓铟PIN光电二极管、设置为10的增益级以及设置为10Hz的高通滤波器。

以基准传感器系统（例如Celesco LC-10）校准光学传感器系统200。基准传感器系统具有锆钛酸铅反射元件22，其在约0.1Hz至120kHz的宽频率范围内具有约39.8μV/Pa的校准灵敏性。基准传感器系统200被连接至低噪声前置放大器（例如Ithaco 1201），其增益约为10，以及高通截止点约为10Hz。

两个传感器系统的电输出端被连接至动态信号分析仪（DSA）（例如HP 3562A），其将原始信号转化为各种数据，诸如频率响应、相干、噪声谱以及总谐波失真。DSA也具有内置信号源，其用于驱动声源。来自DSA的驱动信号被进给至连接至声源的宽带功率放大器（例如Krohn-Hite 7500）。声源为声学发射器，其由刚性圆形活塞（例如USRDC100）组成，后者的直径匹配20cm的容器直径。通过使圆柱形容器内的水容量上下移动而产生声音。来自基准传感器系统的测量信号被通过DSA中的内部反馈电路进给至信号源，从而连续调整声源的输出。这样做是为了频率范围内都保持在传感器系统上入射的压力振幅稳定为1Pa。恒定入射压力为两个传感器系统都提供更平稳的频率响应，产生光学传感器系统200的更精确校准。

两个传感器系统安装在隔振级上，后者包括位于具有花托形状的稍微缩小空气填充橡胶垫上的金属板。金属容器为具有约56cm高度的平面驻波管。期望第一交叉模式的截止频率为~4kHz。因此，高于该频率时，在该管中出现驻波谐振。通过以下两种方式抑制这些谐振所能够对校准进程进行的任何影响：将两个传感器系统彼此靠近安装（距离<1cm），并且对于更高频率，在设置中使用具有小于2.5cm直径的另外的金属管。该管的外部覆盖有标准管隔热材料，后者由包括封闭空气气穴的0.95cm厚的聚乙烯组成。由于空气气穴和水之间的大阻抗失配，所以隔热材料提供对容器谐振的良好声学隔离。管的较小直径提供~35kHz的更高交叉模式截止点，对高于约1kHz的频率产生更平稳谐振。

在图40中示出通过DSA测量的基准和光学传感器系统光谱之间的相干性。图40示出，两个传感器系统信号从~150Hz至~15kHz强相干。高于~10kHz的弱相干暗示光学传感器系统信号受噪声支配。图41A示出光学传感器系统200的测量频率响应。通过DSA将光学传感器系统200的功率谱（以V为单位）分为校准基准传感器系统的功率谱（以Pa为单位）而计算频率响应。在~2.2kHz，该响应具有谐振。在谐振频率之上，响应逐渐下降，接近高于~10kHz的噪声水平，所以相干退化。

传感器系统200的谐振在背离计算值（2.2kHz而非10kHz）的相当低的频率发生。在各种原因中，诸如制作误差引起的稍微更大或更小硬膜片20，本文所述的一种重要原因在于困在背仓65中的空气。未测量空气泡的精确尺寸，但是通过传感器头部的半透明部分视觉评估大约为1-2mm的量级。通过用于具有1mm等效半径的空气泡地分析模型获得图41A中的理论拟合。图41B显示，也通过该模型获得具有理论拟合的传感器系统200的经验MDP。如上所述，对于因为受困空气引起的背仓65中的较高可压缩性提供的100Hz至10kHz的频率范围，传感器系统200能够测量低至3.5μPa/Hz^1/2的压力。

为了测量传感器系统响应的线性，在200Hz驱动声源，并且测量光学传感器系统200的功率谱。以4Pa下的校准基准传感器系统测量200Hz的入射压力。图42示出光学传感器系统200的测量功率谱。其也显示，无关相对大的入射功率（例如，饱和度弱），来自基本谐波的信号都充分强。DSA测量-29dB的THD，验证传感器的响应非常线性。

上文已描述各个实施例。虽然已参考这些特殊实施例描述了本发明，但是该说明有意例证本发明而非有意进行限制。本领域技术人员应明白不偏离附加权利要求限定的本发明的真正精神和范围的各种更改和应用。

Claims (30)

1.一种声学传感器，包括：

膜片，所述膜片包括反射元件；

光纤，所述光纤相对所述反射元件定位，以便通过所述反射元件反射所述光纤发出的光，其中所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔；以及

结构性元件，所述结构性元件机械耦合所述膜片和所述光纤，其中所述结构性元件包含二氧化硅。

2.根据权利要求1所述的声学传感器，其中至少一部分由所述反射元件反射的光传播到所述光纤中。

3.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光纤的所述第一端包括第二反射元件，所述第二反射元件和所述反射元件在两者之间形成法布里-珀罗腔。

4.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光纤包含熔凝二氧化硅，以及所述结构性元件包含熔凝二氧化硅。

5.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述反射元件包括光子晶体结构。

6.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片包含二氧化硅。

7.根据权利要求6所述的声学传感器，其中所述膜片具有大约等于所述光纤的所述第一端和所述反射元件之间的距离的厚度。

8.根据权利要求1所述的声学传感器，还包括与所述膜片间隔的并且定位在所述光学腔内的包含二氧化硅的补偿元件。

9.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片具有横向尺寸，并且所述横向尺寸与所述光纤直径的比在1.2至8之间。

10.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片具有可移动部分，所述可移动部分具有一面积，并且所述面积与所述光纤的横截面面积的比在1.4至64之间。

11.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片包括一个或更多流体管。

12.根据权利要求11所述的声学传感器，其中所述一个或更多流体管与所述反射元件分离。

13.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光学腔包含液体。

14.根据权利要求13所述的声学传感器，还包括至少一个基本可压缩和基本有弹性的元件，从而提高灵敏性。

15.根据权利要求14所述的声学传感器，其中所述至少一个基本可压缩和基本有弹性的元件为气泡。

16.一种声学传感器，包括：

反射元件；

光纤，所述光纤相对所述反射元件定位，以便通过所述反射元件反射所述光纤发出的光，其中所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔，所述光学腔包含具有随着温度变化的折射率的介质；以及

位于所述光学腔内的元件，其具有补偿所述随温度变化的折射率的热膨胀系数和厚度。

17.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述介质为水。

18.根据权利要求17所述的声学传感器，其中所述光学腔内的元件包含二氧化硅，并且具有大约等于所述光纤的所述第一端和所述反射元件之间的距离的厚度。

19.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述光学腔内的元件为机械耦合至所述反射元件的膜片。

20.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述光学腔内的元件被机械耦合至所述光纤。

21.一种制作声学传感器的方法，包括：

提供包括反射元件的膜片；

相对所述反射元件定位光纤，以便光从所述光纤发出并且从所述反射元件反射，其中相对于所述反射元件定位所述光纤包括在两者之间形成光学腔；以及

通过结构性元件将所述膜片机械耦合至所述光纤，其中所述结构性元件包含二氧化硅。

22.根据权利要求21所述的方法，其中提供包括反射元件的膜片包括提供作为所述反射元件的光子晶体结构。

23.根据权利要求22所述的方法，其中提供光子晶体结构包括提供通过光刻制作的光子晶体结构。

24.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述膜片硅酸盐粘结至所述结构性元件。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括使用包含二氧化硅的具有光学腔的元件。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括选择包含二氧化硅的元件的厚度，所述厚度大约等于所述光纤的第一端和所述膜片之间的距离。

27.根据权利要求21所述的方法，还包括选择膜片直径，从而提高机械顺从性。

28.根据权利要求21所述的方法，还包括选择膜片横截面面积从而提高机械顺从性。

29.根据权利要求21所述的方法，还包括使用与所述反射元件分离的一个或更多流体管。

30.根据权利要求21所述的方法，还包括使用至少一个基本可压缩和基本有弹性的元件从而提高灵敏性。

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