CN106644039A - 一种光纤微型水听器 - Google Patents

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刘彬
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Abstract

本发明光纤微型水听器属于声压传感器技术领域；该水听器包括四层结构，第一层是膜片，所述膜片为PDMS平膜或PET纹膜，第二层是中心有圆形通孔的第一支撑层，第三层是中心有圆形通孔的第二支撑层，第四层是中心有圆形通孔、边缘有通气孔的第三支撑层；膜片、第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层依次中心对准键合在一起；第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层的圆形通孔直径依次减小，呈阶梯状排列；在第三支撑层的圆形通孔中安装有插芯，插芯的中心插有光纤；从膜片到光纤端面为F‑P腔；本发明光纤微型水听器，能够解决膜片材料或膜片形状所带来的技术问题。

Description

一种光纤微型水听器
技术领域
本发明光纤微型水听器属于声压传感器技术领域。
背景技术
现阶段，出现了一类膜片式光纤F-P(法布里珀罗)水听器，在原理上具有灵敏度高、响应速度快的技术优势。这类水听器的特点是敏感膜片和光纤端面构成F-P腔，外界声压信号会使敏感膜片发生振动，进而改变F-P腔的腔长，导致反射光信号发生变化，通过检测该变化，即可实现对外界声压相关信息的检测。
水听器的性能与膜片直接相关。目前，这类水听器的膜片为硅、二氧化硅、氮化硅或PET材料制作的平膜，这些膜片应用在膜片式光纤F-P水听器中，会有以下问题：
第一、对于膜片材料而言，基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高；而基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度；
第二、对于平膜结构而言，外界压力会使平面变成非平面，面形的误差会直接传递到反射光信号中，使反射光信号存在误差，这又降低了检测的准确性。
发明内容
针对膜片式光纤F-P(法布里珀罗)水听器膜片材料与膜片形状的问题，本发明公开了一种光纤微型水听器；通过改变平膜材料，解决基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高的问题，以及基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度的问题；通过改变膜片形状，解决了面形误差传递到反射光信号中，使反射光信号存在误差，降低检测的准确性的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种光纤微型水听器，包括四层结构，第一层是膜片，所述膜片为PDMS平膜或PET纹膜，第二层是中心有圆形通孔的第一支撑层，第三层是中心有圆形通孔的第二支撑层，第四层是中心有圆形通孔、边缘有通气孔的第三支撑层；膜片、第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层依次中心对准键合在一起；第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层的圆形通孔直径依次减小，呈阶梯状排列；在第三支撑层的圆形通孔中安装有插芯，所述插芯由固化胶固定在第三支撑层的顶部，插芯的中心插有光纤，所述光纤由固化胶固定在插芯上，光纤的端面研磨平整；从膜片到光纤端面为F-P腔；膜片在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。
上述光纤微型水听器，在PDMS平膜或PET纹膜中间镀有金属层。
以上光纤微型水听器，所述PET纹膜为中间平整、边缘带有褶皱波纹的结构；所述中间平整部分的直径大于光纤的直径，中间平整部分到光纤端面为F-P腔；所述褶皱波纹的截面形状为周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。
以上光纤微型水听器，所述PET纹膜的加工方法包括以下步骤：
步骤a、在基底上涂一层光刻胶，所述基底是平面单晶硅基底或平面玻璃基底；
步骤b、利用光刻方法，将光刻掩模版上的波纹结构转移到光刻胶上；
步骤c、利用反应离子刻蚀技术刻蚀基底，将光刻胶上的波纹结构转移到基底上；如果：
基底是单晶硅，刻蚀气体为六氟化硫；
基底是玻璃，刻蚀气体为三氟甲烷；
步骤d、以步骤c得到的带有波纹结构的基底为压印模板，利用热固化胶遇热流动的特性填充压印模板，液态的热固化胶挤压PET膜片得到PET纹膜，脱模后得到PET波纹膜片。
有益效果：
第一、对于基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高的问题，本发明采用了PDMS材料，简化了加工工艺，减少了制作周期，降低了制作成本。
第二、对于基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度的问题，本发明采用了PDMS材料，利用其表面张力小的特点，配合第三支撑层边缘有通气孔的结构设计，确保PDMS膜片两侧压力差值小于阈值，使PDMS膜片不易破损的机械特性充分发挥，从而大幅降低膜片的制作厚度，提高了光纤微型水听器的机械灵敏度。
第三、对于平膜结构在外界压力下变成非平面，使得反射光信号存在误差，降低了检测准确性的问题，本发明又设计出了一套采用PET纹膜作为膜片的技术方案，纹膜结构，可以改善膜片中心点的变形，确保膜片中心在外界压力下仍然为近似的平面，有效降低反射光信号误差，有利于提高检测准确性。
附图说明
图1是本发明光纤微型水听器具体实施例一的结构示意图。
图2是本发明光纤微型水听器具体实施例二的结构示意图。
图3是本发明光纤微型水听器具体实施例三的结构示意图。
图4是本发明光纤微型水听器具体实施例四的结构示意图。
图5是PET纹膜褶皱波纹的截面示意图。
图6是PET纹膜加工方法的工艺流程图。
图7是光刻掩模版的示意图。
图中：1PET纹膜、2第一支撑层、3第二支撑层、4第三支撑层、5插芯、6光纤、7固化胶、8金属层、9基底、10光刻胶、11热固化胶、12PDMS平膜。
具体实施例
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例的光纤微型水听器，结构示意图如图1所示。该光纤微型水听器包括四层结构，第一层是膜片，所述膜片为PDMS平膜12，第二层是中心有圆形通孔的第一支撑层2，第三层是中心有圆形通孔的第二支撑层3，第四层是中心有圆形通孔、边缘有通气孔的第三支撑层4；膜片、第一支撑层2、第二支撑层3和第三支撑层4依次中心对准键合在一起；第一支撑层2、第二支撑层3和第三支撑层4的圆形通孔直径依次减小，呈阶梯状排列；在第三支撑层4的圆形通孔中安装有插芯5，所述插芯5由固化胶7固定在第三支撑层4的顶部，插芯5的中心插有光纤6，所述光纤6由固化胶7固定在插芯5上，光纤6的端面研磨平整；从膜片到光纤6端面为F-P腔；膜片1在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。
具体实施例二
本实施例的光纤微型水听器，结构示意图如图2所示。该光纤微型水听器包括四层结构，第一层是膜片，所述膜片为PET纹膜1，第二层是中心有圆形通孔的第一支撑层2，第三层是中心有圆形通孔的第二支撑层3，第四层是中心有圆形通孔、边缘有通气孔的第三支撑层4；膜片、第一支撑层2、第二支撑层3和第三支撑层4依次中心对准键合在一起；第一支撑层2、第二支撑层3和第三支撑层4的圆形通孔直径依次减小，呈阶梯状排列；在第三支撑层4的圆形通孔中安装有插芯5，所述插芯5由固化胶7固定在第三支撑层4的顶部，插芯5的中心插有光纤6，所述光纤6由固化胶7固定在插芯5上，光纤6的端面研磨平整；从膜片到光纤6端面为F-P腔；膜片1在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。
具体实施例三
本实施例的光纤微型水听器，在具体实施例一的基础上，进一步限定在PDMS平膜12中间镀有金属层8，如图3所示。
具体实施例四
本实施例的光纤微型水听器，在具体实施例二的基础上，进一步限定在PET纹膜1中间镀有金属层8，如图4所示。
对于具体实施例三和具体实施例四需要说明的是，由于F-P腔内信号非常微弱，容易受到噪声干扰，因此为了提高信噪比，进而提高光纤微型水听器的测量精度，需要在不改变环境因素下直接增加信号强度。在PDMS平膜12或PET纹膜1中间镀有金属层8的结构设计，利用金属层8能够增加PDMS膜片1对入射光的反射率，直接增加F-P腔的信号强度，提高信噪比，进而提高光纤微型水听器的测量精度。
具体实施例五
本实施例的光纤微型水听器，在具体实施例二或具体实施例四的基础上，进一步限定PET纹膜1的结构。所述PET纹膜1为中间平整、边缘带有褶皱波纹的结构；所述中间平整部分的直径大于光纤6的直径，中间平整部分到光纤6端面为F-P腔；所述褶皱波纹的截面形状为周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。
在本实施例中，所述褶皱波纹的截面形状为周期性的矩形，如图5所示。
具体实施例六
本实施例的光纤微型水听器，在具体实施例二、具体实施例四或具体实施例五的基础上，进一步限定PET纹膜1的加工方法，该加工方法的工艺流程图如图6所示，包括以下步骤：
步骤a、在基底9上涂一层光刻胶10，所述基底9是平面单晶硅基底或平面玻璃基底；
步骤b、利用光刻方法，将如图7所示的光刻掩模版上的波纹结构转移到光刻胶10上；
步骤c、利用反应离子刻蚀技术刻蚀基底9，将光刻胶10上的波纹结构转移到基底9上；如果：
基底9是单晶硅，刻蚀气体为六氟化硫；
基底9是玻璃，刻蚀气体为三氟甲烷；
步骤d、以步骤c得到的带有波纹结构的基底9为压印模板，利用热固化胶11遇热流动的特性填充压印模板，液态的热固化胶11挤压PET膜片得到PET纹膜，脱模后得到PET波纹膜片1。

Claims (4)

1.一种光纤微型水听器，其特征在于，包括四层结构，第一层是膜片，所述膜片为PDMS平膜(12)或PET纹膜(1)，第二层是中心有圆形通孔的第一支撑层(2)，第三层是中心有圆形通孔的第二支撑层(3)，第四层是中心有圆形通孔、边缘有通气孔的第三支撑层(4)；膜片、第一支撑层(2)、第二支撑层(3)和第三支撑层(4)依次中心对准键合在一起；第一支撑层(2)、第二支撑层(3)和第三支撑层(4)的圆形通孔直径依次减小，呈阶梯状排列；在第三支撑层(4)的圆形通孔中安装有插芯(5)，所述插芯(5)由固化胶(7)固定在第三支撑层(4)的顶部，插芯(5)的中心插有光纤(6)，所述光纤(6)由固化胶(7)固定在插芯(5)上，光纤(6)的端面研磨平整；从膜片到光纤(6)端面为F-P腔；膜片(1)在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。
2.根据权利要求1所述的光纤微型水听器，其特征在于，在PDMS平膜(12)或PET纹膜(1)中间镀有金属层(8)。
3.根据权利要求1或2所述的光纤微型水听器，其特征在于，所述PET纹膜(1)为中间平整、边缘带有褶皱波纹的结构；所述中间平整部分的直径大于光纤(6)的直径，中间平整部分到光纤(6)端面为F-P腔；所述褶皱波纹的截面形状为周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。
4.根据权利要求1、2或3所述的光纤微型水听器，其特征在于，所述PET纹膜(1)的加工方法包括以下步骤：
步骤a、在基底(9)上涂一层光刻胶(10)，所述基底(9)是平面单晶硅基底或平面玻璃基底；
步骤b、利用光刻方法，将光刻掩模版上的波纹结构转移到光刻胶(10)上；
步骤c、利用反应离子刻蚀技术刻蚀基底(9)，将光刻胶(10)上的波纹结构转移到基底(9)上；如果：
基底(9)是单晶硅，刻蚀气体为六氟化硫；
基底(9)是玻璃，刻蚀气体为三氟甲烷；
步骤d、以步骤c得到的带有波纹结构的基底(9)为压印模板，利用热固化胶(11)遇热流动的特性填充压印模板，液态的热固化胶(11)挤压PET膜片得到PET纹膜，脱模后得到PET波纹膜片(1)。
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