CN108132093A - 一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法。本发明的一种悬膜光纤声波传感器，包括光纤、光纤器件、套筒、悬膜，所述光纤连接在所述光纤器件上，所述光纤器件设置在所述套筒的内壁上，所述悬膜设置在所述套筒的端面上，所述悬膜上设置有局部减薄区域，所述光纤器件射出的出射光束正对着所述悬膜上的所述局部减薄区域，所述悬膜上的所述局部减薄区域将所述出射光束的反射光束反射到所述光纤器件上。其有益效果是：本发明的悬膜光纤声波传感器采用局部减薄的悬膜结构，打破了现有技术中悬膜尺寸需要大于光纤器件的尺寸的制约，实现了传感器的高频响应，从而具有高频、高灵敏度、高可靠性且低成本的优势。

Description

一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法，该悬膜光纤声波传感器用于检测物体的振动。

背景技术

光纤传感器是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号，适用于易燃、易爆及电磁干扰等环境中，具体参见(IEEE Sensors Journal，vol.8，pp.1184-1193，2008)。

光纤传感器通常分为光纤光栅结构和弹性悬膜结构：

(1)光纤光栅传感器，需要配置可调谐激光器或光谱分析仪等来监控反射波长，因此，系统价格昂贵；并且，光纤光栅对温度敏感，热胀冷缩会导致光栅的反射波长随温度改变，从而降低检测精度。

(2)基于弹性悬膜的光纤传感器，则是通过监测悬膜反射回的光强变化，而非波长变化，以获知悬膜的形变，因此检测系统结构简单，检测成本低。

申请号为201110419923.7，发明名称为“一种光纤压力传感器及其制备方法”提出了悬膜偏心反射结构，即光纤或光纤器件置于悬膜的偏心位置，用于接收反射光束。这种结构要求悬膜的直径大于光纤器件的直径，因此无法大幅缩小悬膜直径，很难提高悬膜的振动频率，理由是其振动频率受限于悬膜直径。

因此，研发基于弹性悬膜结构的高频、高灵敏度且低成本的光纤声波传感器，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法，该传感器采用光纤器件接收悬膜反射回的光束，并采用微孔结构将悬膜的局部区域减薄，从而减小悬膜的有效振动面积，提高响应频率。

本发明的一种悬膜光纤声波传感器，其技术方案为：

一种悬膜光纤声波传感器，包括光纤、光纤器件、套筒和悬膜，其特征在于：所述光纤连接在所述光纤器件上，所述光纤器件设置在所述套筒的内壁上，所述悬膜设置在所述套筒的端面上，所述悬膜上设置有局部减薄区域，所述光纤器件射出的出射光束正对着所述悬膜上的所述局部减薄区域。

其中，所述悬膜包括第一膜片和第二膜片，所述第一膜片粘贴于第二膜片上，所述第一膜片上设置有第一通孔，所述第一通孔所在的位置为所述悬膜上的所述局部减薄区域。

其中，所述第一膜片的厚度大于10纳米，所述第二膜片的厚度大于1纳米，所述第一通孔的孔径大于0.01微米，所述光纤器件射出的出射光束的直径大于0.01微米。

其中，所述悬膜还包括第三膜片，所述第三膜片设置在所述第一膜片和第二膜片之间，所述第三膜片上设置有第二通孔，所述第二通孔在所述第三膜片上的位置与所述第一通孔在所述第一膜片上的位置相同，所述第二通孔的大小等于所述第一通孔的大小。

所述第一膜片的厚度大于10纳米，所述第二膜片的厚度大于1纳米，所述第三膜片的厚度大于1纳米，所述第二通孔的孔径大于0.01微米。

所述光纤器件为微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器或光学透镜。

其中，所述悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形；所述悬膜的材质为金属、玻璃、半导体或石英。

其中，所述悬膜上设置有金属薄膜或光学介质膜。

本发明还提供了一种悬膜光纤声波传感器的制备方法，包括如下几个步骤：

(1)制作具有局部减薄区域的悬膜；

(2)将带有局部减薄区域的悬膜粘贴在套筒的端面上；

(3)将光纤器件固定在套筒的内壁上，并使得光线器件射出的出射光束入射到所述悬膜的局部减薄区域上，所述悬膜的局部减薄区域将出射光束反射回所述光纤器件。

其中，在步骤(1)中，将一个悬膜与另一个带孔的悬膜贴合，所述孔底部所在的位置为所述悬膜上的局部减薄区域。

其中，在步骤(1)中，采用一个带夹层结构的悬膜，所述夹层结构作为腐蚀停止层，首先从悬膜的一侧腐蚀一个凹坑，然后除去凹坑内的腐蚀停止层，所述凹坑底部所在的位置为所述悬膜上的局部减薄区域。

本发明的实施包括以下技术效果：

本发明中：(1)、悬膜光纤声波传感器采用局部减薄的悬膜结构，外界声波引起的悬膜振动集中在局部减薄区域，这种振动区域的减小可以提升响应频率，从而打破了现有技术中悬膜尺寸需要大于光纤器件的尺寸的制约，从而实现了传感器的高频响应；(2)、本发明的悬膜仅在局部区域减小悬膜厚度，悬膜不容易破裂，因此器件的可靠性高，还可实现高频和高灵敏度响应；(3)、由于局部减薄区域的尺寸接近或小于光纤器件射出的出射管束，因此无需采用偏心反射结构，也可以实现角度敏感探测，有利于进一步减小传感器尺寸；(4)本发明的传感器具有高频、高灵敏度、高可靠性且低成本的优势。

附图说明

图1为本发明的一种悬膜光纤声波传感器的结构示意图。

图2为本发明的一种悬膜光纤声波传感器的悬膜的结构示意图。

图3为本发明的一种悬膜光纤声波传感器对光束的反射示意图。

图4本发明的一个实施例中悬膜的制备方法。

图5本发明的另一个实施例中悬膜的制备方法。

图中，1-光纤，2-光纤器件，3-套筒，4-出射光束，5-反射光束，6-悬膜，7-第二膜片，8-第一膜片，9-第一通孔，10-第三膜片，11-第二通孔。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明提供的一种悬膜光纤声波传感器，包括光纤1、光纤器件2、套筒3和悬膜6，所述光纤1连接在所述光纤器件2上，所述光纤器件2设置在所述套筒3的内壁上，所述悬膜6设置在所述套筒3的端面上，所述悬膜6上设置有局部减薄区域，所述光纤器件2射出的出射光束4正对着所述悬膜6上的所述局部减薄区域，所述悬膜6上的所述局部减薄区域将所述出射光束4的反射光束5反射到所述光纤器件上。

本发明提供的一种悬膜光纤声波传感器，如图1所示，其工作原理是：在光纤器件2的端面固定悬膜6，光纤器件2射出的出射光束4经悬膜6上的局部减薄区域反射后的反射光束5返回到光纤器件2中，并被光电探测器所探测；当外界振动，如空气或水中的声波，使得悬膜6发生形变时，光纤器件2与悬膜6的间距、以及光束反射角都会发生改变，导致返回光纤器件2的光束强度发生改变，从而根据光强变化探测外界振动。其中，传感器的工作频率与悬膜的振动频率有关。对于圆形悬膜，其最低价振动模的频率与悬膜直径的平方成反比。因此，为了提高器件的工作频率，需要减小悬膜直径。

传统的悬膜光纤传感器，其光纤器件固定在套筒侧壁上，即光纤器件的轴向沿着套筒侧壁设置，弹性悬膜固定在套筒端面。因此，悬膜的直径或边长D1需要大于套筒内径或边长，同时套筒内径或边长需要大于光纤器件的直径或边长D2。总之，悬膜的直径或边长尺寸D1需要大于光纤器件尺寸直径或边长D2，即D1>D2，而光纤器件无法大幅缩小，因此悬膜直径或边长D1无法大幅减小。

本发明提供的一种悬膜光纤声波传感器，如图1和2所示，其悬膜6的局部区域的厚度减薄，该减薄区域对振动更为敏感，因此，该减薄区域成为检测振动的敏感区域，即，有效振动区域缩减至减薄区域，从而打破了“悬膜尺寸需要大于光纤器件尺寸”的制约，器件的工作频率，不再由整个悬膜6的直径或边长D1决定，而是由悬膜的减薄区域尺寸d1决定。

本发明的悬膜6，如图1和2所示，其局部减薄区域正对着光纤器件的出射光束4，并将出射光束的反射光束5反射回光纤器件2。

优选地，所述悬膜6包括第一膜片8和第二膜片7，所述第一膜片8粘贴于第二膜片7上，所述第一膜片8上设置有第一通孔9，所述第一通孔9所在的位置为所述悬膜上的所述局部减薄区域。其中，所述第一膜片8的厚度为10-1000μm，所述第二膜片7的厚度为0.1-200μm，所述第一通孔9的孔径为0.01-1mm，所述光纤器件射出的出射光束4的直径为0.01-1mm。

优选地，所述悬膜6还包括第三膜片10，所述第三膜片10设置在所述第一膜片8和第二膜片7之间，所述第三膜片10上设置有第二通孔11，所述第二通孔11在所述第三膜片10上的位置与所述第一通孔9在所述第一膜片8上的位置相同，所述第二通孔11的大小等于所述第一通孔9的大小。其中，所述第一膜片8的厚度为0.01-1000μm，所述第二膜片7的厚度为0.001-200μm，所述第三膜片10的厚度为1-1000nm，所述第二通孔11的孔径为0.1-0.3mm，所述光纤器件射出的出射光束4的直径为0.1-2mm。

本发明一种悬膜光纤声波传感器，如图3所示，当局部减薄区域的尺寸或直径d1接近或小于光纤器件2发射的出射光束4的尺寸或直径d2时，即使光束入射至减薄区域的正中心位置，即非偏心反射结构，减薄悬膜的形变也会导致大部分光束的反射角发生改变，即入射角敏感机理。悬膜的减薄区域尺寸d1的减小，可获得高频响应；悬膜的减薄区域厚度T的减小，可获得高灵敏度。

本发明的悬膜，有以下两种制备方式：(1)如图4所示，将一个薄悬膜与另一个带孔的厚悬膜粘贴，此时孔的尺寸d1为悬膜的振动区域，即，局部减薄区域的尺寸为d1；(2)如图5所示，采用一个带夹层结构的悬膜，其中间的夹层作为腐蚀停止层，可以从悬膜的一侧腐蚀一个凹坑，该凹坑的底部是腐蚀停止层，然后除去凹坑内的腐蚀停止层，此时凹坑底部为局部减薄区域，凹坑底部只剩一层薄层，作为有效振动区域，凹坑尺寸为d1。

优选地，本发明的光纤器件2，可将光纤1射出的光束转换成平行光束，所述光纤器件2包括微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器、或光学透镜等，其中，优选光纤准直器，所述光纤准直器包括双光纤准直器、三光纤准直器、或四光纤准直器等多光纤准直器。这种光纤器件，其接收光功率对光束入射角敏感，经悬膜反射的光束，其传播方向的稍微改变，可以引起接收功率的大幅变化，因此，传感器的灵敏度高。

优选地，本实施例中的悬膜6的形状可选圆形、三角形、矩形或多边形；更优选地，所述悬膜6的形状为圆形。

优选地，本实施例中的悬膜6的材质为金属、玻璃、半导体(包括硅、砷化镓)或石英；更优选地，可以在悬膜6上镀金属薄膜或光学介质膜，以高光学反射率。

本实施例提供的悬膜光纤声波传感器采用局部减薄的悬膜结构，打破了现有技术中悬膜尺寸需要大于光纤器件的尺寸的制约，从而实现了传感器的高频响应；并且本实施例中的悬膜仅在局部区域减小薄膜厚度，薄膜不容易破裂，因此器件的可靠性高，还可实现高频和高灵敏度响应；而由于局部减薄区域的尺寸接近或小于光纤器件射出的出射管束，因此无需采用偏心反射结构，也可以实现角度敏感探测，有利于进一步减小传感器尺寸；因此本实施例的传感器具有高频、高灵敏度、高可靠性且低成本的优势。

下面以两个具体的实施例对本发明提供的悬膜光纤声波传感器的制备方法进行阐述。

实施例1

首先，如图4所示，在厚度为100μm的石英薄片8上打孔9，所述孔的孔径d1为0.3mm。

然后，如图4所示，将厚度为10μm厚的英薄片7与石英薄片8用胶粘合在一起成为悬膜6。

最后，如图1所示，将悬膜6粘贴在套筒3的端面上，套筒的内径为4mm，随后将双光纤准直器2固定在套筒3的内壁上，所述双光纤准直器的直径D2为3mm，并使得准直器2射出的平行光束4，垂直入射到悬膜6的小孔区域9，光束直径d2为0.5mm。

如图1-3所示，当声波入射到悬膜6的表面时，由于小孔9的薄膜厚度最薄，厚度T只有10微米，因此小孔9位置的石英薄片7发生形变，并将出射光束4反射回光纤准直器2，即反射光束5返回光纤准直器2。由于小孔9的直径d1小于出射光束4的直径d2，因此小孔悬膜发生弯曲形变时，大部分反射光束5的反射角发生了改变，使得反射光束5返回准直器2的功率减小，从而根据光功率变化探测外界声波信号。

实施例2

首先，如图5所示，在硅衬底上用KOH溶液选择腐蚀孔径d1为0.1mm的小孔11，其中硅膜7的厚度为2μm，夹层氧化硅10为200nm，硅膜8的厚度为100μm。

接着用HF溶液选择腐蚀氧化硅夹层10。此时小孔区域11仅剩硅膜7，腐蚀后的硅衬底作为悬膜6。

最后，如图1所示，将硅悬膜6粘贴在套筒3的端面上，随后将拉锥光纤2固定在内径为2mm套筒3内壁上，所述拉锥光纤2直径D2为1mm，该悬膜的总厚度为102.2微米，小孔区域13的厚度为2微米；并使得拉锥光纤2射出的平行光束4垂直入射到悬膜6的小孔区域13，其中，光束直径d2为0.3mm。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种悬膜光纤声波传感器，包括光纤、光纤器件、套筒和悬膜，其特征在于：所述光纤连接在所述光纤器件上，所述悬膜上设置有局部减薄区域，所述光纤器件射出的出射光束正对着所述悬膜上的所述局部减薄区域，所述悬膜上的所述局部减薄区域将所述出射光束的反射光束反射到所述光纤器件上。

2.根据权利要求1所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述悬膜包括第一膜片和第二膜片，所述第一膜片粘贴于第二膜片上，所述第一膜片上设置有第一通孔，所述第一通孔所在的位置为所述悬膜上的所述局部减薄区域。

3.根据权利要求2所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述第一膜片的厚度大于10纳米，所述第二膜片的厚度大于1纳米，所述第一通孔的孔径大于0.01微米，所述光纤器件射出的出射光束的直径大于0.01微米。

4.根据权利要求2所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述悬膜还包括第三膜片，所述第三膜片设置在所述第一膜片和第二膜片之间，所述第三膜片上设置有第二通孔，所述第二通孔在所述第三膜片上的位置与所述第一通孔在所述第一膜片上的位置相同。

5.根据权利要求4所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述第一膜片的厚度大于10纳米，所述第二膜片的厚度为大于1纳米，所述第三膜片的厚度大于1纳米，所述第二通孔的孔径大于0.01微米。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述光纤器件为微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器或光学透镜。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形；所述悬膜的材质为金属、玻璃、半导体或石英。

8.根据权利要求7所述的一种悬膜光纤声波传感器，其特征在于：所述悬膜上设置有金属薄膜或光学介质膜。

9.一种悬膜光纤声波传感器的制备方法，其特征在于：包括如下几个步骤：

(1)制作具有局部减薄区域的悬膜；

(2)将带有局部减薄区域的悬膜粘贴在套筒的端面上；

(3)将光纤器件固定在套筒的内壁上，并使得光线器件射出的出射光束入射到所述悬膜的局部减薄区域上，所述悬膜的局部减薄区域将出射光束反射回所述光纤器件。

10.根据权利要求9所述的一种悬膜光纤声波传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，将一个悬膜与另一个带孔的悬膜贴合，所述孔底部所在的位置为所述悬膜上的局部减薄区域；或者

在步骤(1)中，采用一个带夹层结构的悬膜，所述夹层结构作为腐蚀停止层，首先从悬膜的一侧腐蚀一个凹坑，然后除去凹坑内的腐蚀停止层，所述凹坑底部所在的位置为所述悬膜上的局部减薄区域。