CN110160625A

CN110160625A - 一种低频声波传感器

Info

Publication number: CN110160625A
Application number: CN201910426940.XA
Authority: CN
Inventors: 鲁平; 傅鑫; 张万金; 桂吟秋; 刘德明
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2019-08-23

Abstract

本发明公开了一种低频声波传感器，包括：输入光纤、薄膜以及基底单元；基底单元介于薄膜和输入光纤之间；薄膜沉积于基底单元的正面；薄膜的厚度为沉积厚度；薄膜的直径为基底单元背面刻蚀至薄膜下表面的第二刻蚀窗口的直径；基底单元用于控制薄膜的直径；薄膜用于接收低频声波，并与输入光纤构成FP腔体；薄膜与输入光纤的端面距离为FP腔体的腔长，沉积方法为化学气相沉积；基底单元背面刻蚀的方法为反应例子刻蚀；本发明可精密控制薄膜的厚度、薄膜直径以及FP腔体的腔长，因此，低频声波传感器有良好的一致性。同时由于本发明中薄膜具有较小的尺寸，可实现高的谐振频率，在250Hz以下的低频测试频段具有平坦的响应特性。

Description

一种低频声波传感器

技术领域

本发明属于光学传感测量技术领域，更具体地，涉及一种低频声波传感器。

背景技术

低频声波在很多场合具有重要的研究与应用价值，例如在火山喷发、地震、泥石流、龙卷风等自然灾害中，以及管道泄漏等人为安全事故中都会产生低频声波信号，且由于低频声波在空气中的传播损耗小，易于衍射，传播距离长，因此对低频声波信号的探测对于各种灾害事故的提前预警与探测具有重要的意义。

较为传统的低频声波探测技术通常基于压电式的传感器，当受到声波信号作用时，压电材料在声压的作用下产生时变的交流电压信号，通过探测压电传感器的输出电压信号，实现对声波信号的测量。由于这类传感器通常需要较复杂的电气负载结构实现电压信号的读取，因此不适用于高温高湿、高腐蚀性、复杂电磁环境的恶劣场合。

为了解决传统压电传感器的缺陷，光纤传感技术被广泛的应用到声波传感测量领域。基于光纤的声波传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势。国内外研究学者提出了基于不同结构的光纤式声波传感器，例如光纤光栅、特种光纤、光纤干涉仪结构等。在众多的声波传感器结构中，基于法布里-珀罗(FP)干涉微腔结构的声波传感器受到了极大的关注。由于其反射式的工作特性，易于制备成为探针式传感单元，体积紧凑，易于实际应用。这类传感器通常由一个固定的光学反射端面与一个具有光学反射能力的膜片构成，膜片在声压的作用下会与声信号产生同频振动，从而对FP腔的腔长产生调制，进而实现对FP腔反射光信号的相位调制。目前为止，国内外不同的科研单位与研究人员提出了基于各种不同结构与材料的FP式光纤传感器，但许多传感单元结构中的膜片是通过手工贴合的方式固定的，因此尺寸无法做到足够小，影响传感器的低频响应特性，并且膜片的具有随机的内应力，且FP传感器的制备一致性很难保证。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低频声波传感器，旨在解决现有的FP传感器的制备方法无法精准控制小尺寸的薄膜厚度、薄膜直径以及FP腔体的腔长导致测量低频声波信号一致性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种低频声波传感器，包括：输入光纤、薄膜以及基底单元；

基底单元介于薄膜和输入光纤之间；基底单元用于控制薄膜的直径；薄膜用于接收低频声波，构成FP腔体；所述薄膜与输入光纤的端面距离为FP腔体的腔长。

薄膜沉积于基底单元的正面；薄膜的厚度为沉积厚度；薄膜的直径为基底单元背面刻蚀至薄膜下表面的刻蚀窗口的直径。

优选地，薄膜为复合薄膜或单层薄膜；

优选地，复合薄膜包括A层单元和B层单元；A层单元为SiO₂或SiN_x，B层单元为金属；A层单元沉积于基底单元正面，B层单元沉积于A层单元上；

优选地，单层薄膜为Ti或Au或Pt；

优选地，基底单元为Si或SiGe或InP或InSb；

优选地，基底单元背面刻蚀的方法为：反应离子刻蚀。

优选地，薄膜沉积于基底单元上表面的方法为：化学气相沉积；

优选地，基底单元采用反应离子刻蚀在基底单元背面刻蚀形成插芯卡槽；其第二刻蚀窗口的直径小于第一刻蚀窗口的直径，且第二刻蚀窗口位于第一刻蚀窗口中；第一刻蚀窗口的刻蚀深度小于基底单元厚度；插芯卡槽用于固定输入光纤；

优选地，一种低频声波传感器还包括：D型插芯和插芯套筒；插芯套筒位于插芯卡槽内侧，D型插芯位于插芯套筒内侧；插芯套筒的内径与D型插芯的外径相等；插芯套筒的外径与插芯卡槽的内径相等；输入光纤嵌于D型插芯内部，输入光纤的端面与薄膜为两个反射面；D型插芯靠近插芯套筒的一侧研磨后形成开腔气孔，开腔气孔用于平衡薄膜两侧的气压；D型插芯用于固定光纤；插芯套筒用于固定D型插芯；

优选地，插芯套筒与插芯卡槽用键合剂连接；

优选地，低频声波传感器测量的声波频率小于250Hz。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

(1)本发明通过采用PCVD的工艺沉积薄膜，并采用RIE刻蚀工艺控制薄膜的直径，薄膜的厚度以及直径大小可精密加工，进而保证实际薄膜对声波灵敏度以及薄膜谐振频率的控制，同时通过调整薄膜与输入光纤端面之间的距离可精确控制FP腔体的腔长，因此，本发明公开的低频声波传感器有良好的一致性。

(2)本发明提供的低频声波传感器采用采用FP光学微腔干涉结构，利用LPCVD材料生长工艺、DRIE刻蚀工艺等技术手段进行微小尺寸的精密加工，获取的传感器单元与传统的马赫-泽德干涉式与迈克尔逊干涉式光纤式声波传感器相比具有较小的尺寸，且由于光学微腔的反射式工作原理，易于制成探针形式，同时由于本发明中薄膜具有较小的尺寸，可实现高的谐振频率，从而在250Hz以下的低频测试频段均具有平坦的响应特性。

(3)本发明提供的一种低频声波传感器，由于采用D型插芯与插芯套筒的组合结构形成了连通腔体内外的通气孔，并且薄膜采用氮化硅-钛复合薄膜，使传感器可工作于高压力环境，并且在液体环境中可保持FP腔的反射率与干涉信号对比度，因此传感器可适用于高压、高湿、甚至液体等恶劣的应用环境。

附图说明

图1是本发明提供的低频声波传感器的硅微机械加工过程示意图；

图2是本发明提供的低频声波传感器的结构示意图；

图3是本发明提供的低频声波传感器进行低频声波信号测试的示意图；

图4是本发明提供的低频声波传感器测量0.1Hz～250Hz声波信号的频域结果图；

图5是本发明提供的低频声波传感器的低频响应曲线测试结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种低频声波传感器，包括：输入光纤、薄膜以及基底单元；

基底单元介于薄膜和输入光纤之间；薄膜沉积于基底单元的正面；薄膜的厚度为沉积厚度；薄膜的直径为基底单元背面刻蚀至薄膜下表面的第二刻蚀窗口的直径；

基底单元用于控制薄膜的直径；薄膜用于接收低频声波，并与输入光纤构成FP腔体；薄膜与输入光纤的端面距离为FP腔体的腔长。

优选地，薄膜为复合薄膜或单层薄膜；若薄膜为复合薄膜，则复合薄膜包括A层单元和B层单元；A层单元为SiO₂或SiN_x，B层单元为金属；A层单元沉积与基底单元正面，B层单元沉积于A层单元上；若薄膜为单层薄膜，则单层薄膜为Ti或Au或Pt；

优选地，基底单元为Si或SiGe或InP或InSb；

优选地，沉积方法为化学气相沉积(PCVD)；基底单元背面刻蚀的方法为反应例子刻蚀(RIE)；

优选地，基底单元背面设置有插芯卡槽结构；插芯卡槽结构用于固定输入光纤；插芯开槽结构采用反应离子刻蚀在基底单元背面刻蚀，其第二刻蚀窗口的直径小于第一刻蚀窗口的直径，且第二刻蚀窗口位于第一刻蚀窗口中，第一刻蚀窗口的刻蚀深度小于基底单元厚度；

优选地，低频声波传感器还包括：D型插芯和插芯套筒；

插芯套筒位于插芯卡槽内侧，D型插芯位于插芯套筒内侧；插芯套筒的内径与D型插芯的外径相等，其外径与插芯卡槽的内径相等；输入光纤嵌于D型插芯内部，输入光纤的端面与薄膜为两个反射面；

D型插芯靠近插芯套筒的一侧研磨后形成开腔气孔，开腔气孔用于平衡薄膜两侧的气压；D型插芯用于固定光纤；插芯套筒用于固定D型插芯；所述插芯卡槽用于固定插芯套筒。

实施例

图1为本发明提供的一种基于硅微机械加工的光学微腔低频声波传感器的硅微机械加工过程示意图；从图1可知，制备过程如下：

在边长为4mm，厚度为400μm的硅偏上采用低压力化学气相沉积法(LPCVD)沉积一层氮化硅薄膜，再在氮化硅表面沉积一层金属钛层，完成氮化硅-钛的复合薄膜；

在硅片背面采用深反应离子刻蚀工艺制备直径2.5mm的插芯卡槽；

利用深反应离子刻蚀在插芯卡槽内以第二刻蚀窗口的大小刻蚀至氮化硅层；

将端面切平的单模光纤插入D型插芯，光纤端面与复合薄膜构成两个反射面，形成FP光学微腔低频声波传感器。

图2为基于硅微机械加工的光学微腔低频声波传感器的剖面图；从图2可知，硅片边长为4mm；插芯套筒的内径为1.25mm；插芯套筒外径为2.5mm；复合薄膜、D型插芯、插芯套筒从内到外层层嵌套；同时采用插芯套筒与D型插芯的组合结构实现开腔气孔，使得传感器在工作时保证腔体内外压力平衡，可以适用于高压力工作环境；

优选地，D型插芯采用标准1.25mm直径的陶瓷插芯研磨而成，研磨厚度h需满足：

0.625mm-r_FP＜h＜0.625mm

其中0.625mm为D型插芯研磨前的半径，r_FP为FP腔的半径。

图3为针对本实施例提供的低频声波传感器进行低频声波信号测试的示意图，从图3可知，宽带光源发出的光信号通过环形器进入所制备的光学微腔低频声波传感器。传感器与一个标准传声器(B&K 4193-L-004)共同置于一个低频声场耦合腔内(B&K WB-3570)，耦合腔产生低频声压信号作用于传感器与标准传声器。传感器反射回的宽带光经环形器入射到光纤光栅解调模块；进入解调模块的光信号通过透镜进行准直与整形，并由体相位光栅进行衍射分光，不同波长的光被衍射至不同的方向，并由铟镓砷探测阵列上的不同像元探测接收，从而生成光谱数据。光谱数据经解调模块输出后，由白光干涉相位解调算法对传感光谱进行分析运算，提取出传感器空间频率处的相位，由解调得到的时域相位信号可表示作用于传感器的声波信号。

实施例中，分别测试了传感器在0.1-250Hz频段内的声波信号作用下的解调输出信号的频谱图，如图3所示。对各个频率进行传感器灵敏度标定，频响曲线如图4所示，从图4可知，传感器在0.5-250Hz内表现出平坦的响应特性，灵敏度波动不超过0.8dB。

综上所述，本发明通过采用PCVD的工艺沉积薄膜，并采用RIE刻蚀工艺控制薄膜的直径，薄膜的厚度以及直径大小可精密加工，进而保证实际薄膜对声波灵敏度以及薄膜谐振频率的控制，同时通过调整薄膜与输入光纤端面之间的距离可精确控制FP腔体的腔长，因此，本发明公开的低频声波传感器有良好的一致性；同时由于本发明中薄膜具有较小的尺寸，可实现高的谐振频率，从而在250Hz以下的低频测试频段均具有平坦的响应特性。

同时由于采用D型插芯与插芯套筒的组合结构形成了连通腔体内外的通气孔，并且薄膜采用氮化硅-钛复合薄膜，使传感器可工作于高压力环境，并且在液体环境中可保持FP腔的反射率与干涉信号对比度，因此传感器可适用于高压、高湿、甚至液体等恶劣的应用环境。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低频声波传感器，其特征在于，包括：输入光纤、薄膜以及基底单元；

所述基底单元介于薄膜和输入光纤之间；所述薄膜沉积于基底单元的正面；所述薄膜的厚度为沉积厚度；薄膜的直径为基底单元背面刻蚀至薄膜下表面的第二刻蚀窗口的直径；

所述基底单元用于控制薄膜的直径；所述薄膜用于接收低频声波，并与输入光纤构成FP腔体；所述薄膜与输入光纤的端面距离为FP腔体的腔长。

2.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，所述薄膜为复合薄膜或单层薄膜。

3.如权利要求2所述的低频声波传感器，其特征在于，所述复合薄膜包括A层单元和B层单元；所述A层单元为SiO₂或SiN_x，所述B层单元为金属；A层单元沉积与基底单元正面，B层单元沉积于A层单元上。

4.如权利要求2所述的低频声波传感器，其特征在于，所述单层薄膜为Ti或Au或Pt。

5.如权利要求1至4中任一所述的低频声波传感器，其特征在于，所述基底单元为Si或SiGe或InP或InSb。

6.如权利要求5所述的低频声波传感器，其特征在于，所述沉积为化学气相沉积。

7.如权利要求1至6任一所述的低频声波传感器，其特征在于，所述基底单元背面刻蚀的方法为反应离子刻蚀。

8.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，所述基底单元背面设置有插芯卡槽结构；所述插芯卡槽结构用于固定输入光纤；所述插芯开槽结构采用反应离子刻蚀在基底单元背面刻蚀，其第二刻蚀窗口的直径小于第一刻蚀窗口的直径，且第二刻蚀窗口位于第一刻蚀窗口中，第一刻蚀窗口的刻蚀深度小于基底单元厚度。

9.如权利要求8所述的低频声波传感器，其特征在于，还包括：D型插芯和插芯套筒；

所述插芯套筒位于插芯卡槽内侧，所述D型插芯位于插芯套筒内侧；所述插芯套筒的内径与D型插芯的外径相等，其外径与插芯卡槽的内径相等；所述输入光纤嵌于D型插芯内部，输入光纤的端面与薄膜为两个反射面；

所述D型插芯靠近插芯套筒的一侧研磨后形成开腔气孔，所述开腔气孔用于平衡薄膜两侧的气压；D型插芯用于固定光纤；插芯套筒用于固定D型插芯；所述插芯卡槽用于固定插芯套筒。

10.如权利要求8或9所述的低频声波传感器，其特征在于，测量的声波频率小于250Hz。