CN108627236A - 一种硅基膜片式光纤激光水听器 - Google Patents

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李振
姜文征
张海岩
王学锋
赵俊鹏
赵晨
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

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Abstract

本发明涉及一种硅基膜片式光纤激光水听器，包括：硅膜片、含有源光纤光栅的光纤、陶瓷管壳；采用硅膜片作为声波拾取单元，光纤光栅作为敏感单元，相比目前光纤激光水听器的封装方式，硅膜片在保证较高灵敏度的同时具有更高的谐振频率，同时采用MEMS技术可以将结构做到直径6mm以内，适合应用在超细型水听器阵列系统中，便于水下小型移动平台使用。

Description

一种硅基膜片式光纤激光水听器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光水听器，尤其涉及一种硅基膜片式光纤激光水听器，属于光纤传感领域技术领域。
背景技术
光纤激光水听器依托“有源”光纤光栅技术，将“有源”光纤光栅作为敏感元件，在掺铒或铒镱共掺光纤上刻写具有一定相移的光纤布拉格光栅形成分布反馈式光纤激光器。通过检测外界声压作用于该激光器谐振腔后引起的相移变化获得水声信号。由于“分布反馈式光纤激光器是在光纤上直接刻蚀光栅，其直径就是光纤的直径，所以对其封装后得到的光纤激光水听器不仅具有光纤水听器低频高灵敏度、抗电磁干扰等优点，其直径、重量等也远小于普通水听器和干涉式光纤水听器，例如专利号为ZL200610171660.1的中国发明专利公开了一种光纤光栅水听器，该水听器主体为一具有轴对称结构的圆柱型支撑同，通过弹性体将光纤光栅固定在圆形弹性筒中，实现对声信号的拾取感知。在光纤激光水听器试验测试过程中发现单纯采用圆柱型支撑筒封装结构的光纤激光水听器虽然能够实现水声信号的接收测试，但是在宽频带下频响曲线起伏较大，在低频和高频之间往往存在多出谐振峰，特别是在小直径下，由于结构自身的振动特性，往往很难兼顾低频和高频响应的一致性，严重影响光纤激光水听器在宽频带内的使用。因此，如何改善光纤激光水听器在细径尺寸下的频响特性也是超细径光纤激光水听器大规模应用必须解决的重要技术之一。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种硅基膜片式光纤激光水听器，该水听器采用MEMS工艺在硅基底上刻蚀膜片，使光纤光栅埋入膜片，利用硅膜片做声波拾取单元，光纤光栅只作为声光转换单元，其优点在于结合了硅材料极高的弹性模量、MEMS技术微小型化、光纤光栅高灵敏度的特点，使本发明可以在小尺寸下具有很高的谐振频率，保证光纤激光水听器在宽频带内具有良好的频响特性和较高的灵敏度。
本发明所采用的技术方案为：一种硅基膜片式光纤激光水听器，包括：硅膜片、光纤、陶瓷管壳；光纤包含有源光纤光栅；硅膜片的下表面中部设置有敏感区，硅膜片除敏感区外的其余部分沿硅膜片纵向对称轴设有第一过纤槽；光纤沿硅膜片纵向安装在硅膜片的第一过纤槽中，有源光纤光栅置于硅膜片的敏感区；安装有光纤的硅膜片安装在陶瓷管壳内，光纤从陶瓷管壳两侧伸出，在陶瓷管壳上对应敏感区位置处开有透声窗。
所述陶瓷管壳上设置有安装槽、第二过纤槽，第二过纤槽沿陶瓷管壳纵向，安装槽关于第二过纤槽对称，安装槽中部开有透声窗，安装有光纤的硅膜片安装在安装槽中，光纤沿第二过纤槽放置，透声窗位于安装槽中部。
所述硅膜片采用刻蚀工艺制作，膜片敏感区厚度为300um，除敏感区外的其余部位厚度为500um，硅膜片长度为40mm，第一过纤槽的深度为200um，敏感区长度为15mm，硅膜片宽度为2mm。
所述光纤在安装时，加载设定的拉力f，通过紫外胶粘在第一过纤槽中。
所述硅膜片通过环氧胶固定在陶瓷管壳内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明创新性的采用硅膜片作为光纤激光水听器声波拾取单元，光纤光栅只作为声光转换单元，充分利用单晶硅高弹性模量高谐振频率的特点，在同等尺寸下可以大大提高结构的谐振频率，拓展光纤激光水听器的谐振频率；
(2)本发明水听器利用MEMS技术微型化的特点，将硅膜片刻蚀的非常薄，当1Pa作用力作用在膜片表面时，其变形量是非常可观的，从而使光纤激光水听器具有更高的灵敏度；
(3)本发明与现有技术相比，克服了现有技术中有源器件在使用时需要供电，易受电磁干扰的缺陷，特别是克服了输出的声波信号容易受到电磁环境和长线传输衰减严重的缺陷，在工程实际应用中，具有更好的稳定性。
附图说明
图1为本发明硅基膜片式光纤激光水听器结构三维图；
图2为本发明硅基膜片式光纤激光水听器结构的硅膜片结构；
图3为本发明的光纤光栅与硅膜片组合方式；
图4为本发明的陶瓷封装管壳示意图；
图5为本发明硅基膜片式光纤激光水听器的谐振响应曲线；
图6为本发明硅基膜片式光纤激光水听器的膜片变形云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
一种硅基膜片式光纤激光水听器，如图1所示，包括：硅膜片1、含有源光纤光栅的光纤2(以下简称光纤2)、陶瓷管壳3；如图2、图3所示，在硅膜片1的下表面设有第一过纤槽101和敏感区102，光纤2置于硅膜片1的第一过纤槽101中，光纤光栅要置于硅膜片2的中间，加载一定拉力f，并利用紫外胶将光纤2粘在第一过纤槽101中；如图4所示，陶瓷管壳3设有第二过纤槽301、透声窗302和安装槽303，将安装有光纤2的硅膜片1放在陶瓷管壳3的安装槽303中，并利用环氧胶进行固定。
本发明中所述的硅膜片1采用MEMS技术中的刻蚀工艺完成，优选的膜片敏感区102厚度为300um，其余部位厚度为500um，硅膜片1长度为40mm，第一过纤槽101的深度为200um，敏感区102长度为15mm，硅膜片宽度为2mm。
工作时，声波作用在硅膜片1表面，硅膜片1在声压作用下发生变形，导致埋在其中的光纤光栅产生伸长或压缩变化，导致有源光纤光栅输出的光波长发生变化，通过测量光波波长的变化并经过适当转换就可以得出声信号的变化情况。
硅基膜片式光纤激光水听器采用硅膜片1作为声波拾取单元，光纤光栅作为敏感单元，相比目前光纤激光水听器利用光纤光栅作为敏感单元和声波拾取单元，并利用聚氨酯橡胶材料增敏的封装方式，硅膜片1在保证较高灵敏度的同时具有更高的谐振频率，这是由于单晶硅的弹性模量(140Gpa)远高于聚氨酯橡胶材料(约为6Gpa)，根据弹性力学中频率f与弹性模量的关系(式中，k为弹性模量，m为质量)可以看出该种设计在同等尺寸下可以提高结构的谐振频率，同时采用MEMS刻蚀技术可以将硅膜片刻蚀的非常薄，如图5、图6所示，当1Pa作用力作用在膜片表面时，其变形量是非常可观的，从而使光纤激光水听器具有更高的灵敏度。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种硅基膜片式光纤激光水听器，其特征在于，包括：硅膜片(1)、光纤(2)、陶瓷管壳(3)；光纤(2)包含有源光纤光栅；硅膜片(1)的下表面中部设置有敏感区(102)，硅膜片(1)除敏感区(102)外的其余部分沿硅膜片(1)纵向对称轴设有第一过纤槽(101)；光纤(2)沿硅膜片(1)纵向安装在硅膜片(1)的第一过纤槽(101)中，有源光纤光栅置于硅膜片(1)的敏感区(102)；安装有光纤(2)的硅膜片(1)安装在陶瓷管壳(3)内，光纤(2)从陶瓷管壳(3)两侧伸出，在陶瓷管壳(3)上对应敏感区(102)位置处开有透声窗(302)。
2.根据权利要求1所述的一种硅基膜片式光纤激光水听器，其特征在于，所述陶瓷管壳(3)上设置有安装槽(303)、第二过纤槽(301)，第二过纤槽(301)沿陶瓷管壳(3)纵向，安装槽(303)关于第二过纤槽(301)对称，安装槽(303)中部开有透声窗(302)，安装有光纤(2)的硅膜片(1)安装在安装槽(303)中，光纤(2)沿第二过纤槽(301)放置，透声窗(302)位于安装槽(303)中部。
3.根据权利要求1或2所述的一种硅基膜片式光纤激光水听器，其特征在于，所述硅膜片(1)采用刻蚀工艺制作，膜片敏感区(102)厚度为300um，除敏感区(102)外的其余部位厚度为500um，硅膜片(1)长度为40mm，第一过纤槽(101)的深度为200um，敏感区(102)长度为15mm，硅膜片(1)宽度为2mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种硅基膜片式光纤激光水听器，其特征在于，所述光纤(2)在安装时，加载设定的拉力f，通过紫外胶粘在第一过纤槽(101)中。
5.根据权利要求4所述的一种硅基膜片式光纤激光水听器，其特征在于，所述硅膜片(1)通过环氧胶固定在陶瓷管壳(3)内。
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