CN110220584B - 光学声敏元件以及包括其的光学声传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器，该光学声敏元件包括：拾音结构和光学检测结构。拾音结构包括支座、拾音膜片和支撑梁，拾音膜片通过至少一根支撑梁固定于支座上，由拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，拾音膜片具有一位于非封闭腔体内的反光面。光学检测结构用于发出光信号并使光信号照射至该反光面上进行反射，以及接收被该反光面反射的光信号；其中，拾音膜片感应声信号而产生机械振动，从而对光信号在被光学检测结构接收前进行调制。本发明的结构设计能放大拾音膜片感应外界声信号所产生的最大位移，结合光学检测方法能有效增强元件声响应灵敏度，尤其适用于对微弱声波的高灵敏度低噪声探测。

Description

光学声敏元件以及包括其的光学声传感器

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域和声波探测领域，尤其涉及一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器。

背景技术

传统的声传感器为电学量传感器，主要包括电容式、电磁式及压阻式。电学量声传感器易受电磁干扰，灵敏度较低。与电学量声传感器比较，基于光学测量原理的声传感器抗电磁干扰能力强、灵敏度高、适合微弱声信号探测，能够在复杂电磁环境中可靠工作。这些优点使得光学声传感器在工业、交通、公共安全、医疗等领域具有广阔的应用前景。光学声传感器适用于环境噪声监测、油气水输送管道泄漏检测、机械设备故障诊断、电力、电机等设备运行状况的在线监测与故障预警，低小慢飞行物的探测与定位，以及医疗核磁影像诊断过程中的语言通信等。目前，光学声传感器已经在国内外引起高度重视和广泛研究。

光学声传感器通常由拾音膜片和光学检测结构组成，其灵敏度直接依赖于入射光在拾音膜片上的照射区域的振幅，该振幅越大，灵敏度越高。在制作光学声传感器的过程中，灵活调节入射光在拾音膜片上的照射位置，使其位于拾音膜片的最大振幅区域，这样就能使传感器获得最大灵敏度。现有的光学声传感器普遍采用周边紧固的拾音膜片制作而成，这种周边紧固结构使得拾音膜片在受迫振动时受到的阻尼很大，产生的振幅很小，尤其是在拾音膜片较厚的情况下，即使是其最大振幅也非常小。由此可见，周边紧固的拾音膜片会严重制约光学声传感器的灵敏度，从而使得传感器在探测极微弱声信号的时候，传感器信号很容易被噪声淹没。现实生活中，尤其针对微弱声信号探测，高灵敏度光学声传感器具有广泛的重要的应用需求，这种应用需要目前还得不到满足。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明主要目的在于提供一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器，以至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

作为本发明的一个方面，提供了一种光学声敏元件，包括拾音结构和光学检测结构，其中：

拾音结构，包括支座、拾音膜片和支撑梁，其中，所述拾音膜片通过至少一根所述支撑梁固定连接于所述支座上，由所述拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，所述拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，所述拾音膜片具有一位于所述非封闭腔体内的反光面；

光学检测结构，用于发出光信号并使光信号照射至所述非封闭腔体内的反光面上进行反射，以及接收被所述反光面反射的光信号；

其中，所述拾音膜片感应声信号而产生机械振动，所述机械振动对所述光信号在被所述光学检测结构接收前进行了调制。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁与拾音膜片形成共面结构；作为优选，所述支撑梁和拾音膜片为材质相同的一体式结构。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁通过键合或胶粘方式固定于所述支座上；或者所述支撑梁和支座为材质相同的一体式结构。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁与所述拾音膜片形成非共面结构。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片通过键合或胶粘方法固定于所述支撑梁上。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁与支座为材质相同的一体式结构。

在本发明的一些实施例中，所述光学检测结构发出的光信号在所述拾音膜片反光面上的照射区域是拾音膜片振动幅度最大的区域。

在本发明的一些实施例中，所述支撑梁的数量为1，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的远离支撑梁的一端部；或者

所述支撑梁的数量大于1，固定于拾音膜片的周缘且呈均匀分布，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的中心区域。

在本发明的一些实施例中，所述光学检测结构是法布里-珀罗干涉检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿原路反射回到光学检测结构。

在本发明的一些实施例中，所述光学检测结构包括单模光纤，所述单模光纤的一端面经光学抛光后设置于非封闭腔体内，使得所述端面与所述拾音膜片的反光面相对且相距不足1mm，由所述拾音膜片的反光面与所述端面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔；或者

所述光学检测结构包括平面光栅，所述平面光栅既能产生反射衍射又能产生透射衍射，所述平面光栅设置于所述非封闭腔体内，使得所述平面光栅的上表面与所述拾音膜片的反光面相对且相距小于1mm，由所述平面光栅的上表面与所述反光面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。

在本发明的一些实施例中，所述光学检测结构是反射光强度检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿不同路径反射回到光学检测结构。

在本发明的一些实施例中，所述光学检测结构包括两根光纤，倾斜地设置于非封闭腔体内，并以拾音膜片的法线为基准对称，分别用于发出光信号以及接收被所述反光面反射的光信号。，

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片为具有弹性的膜片。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片为由单一材料形成的均匀膜片，优选为硅膜片、金属膜片、玻璃膜片或有机聚合物膜片。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片为由多种材料形成的多层膜片或复合膜片，优选为硅-金属双层膜片、硅-玻璃双层膜片、硅-有机聚合物双层膜片、Si-Si₃N₄双层膜片、金属-玻璃双层膜片、金属-有机聚合物双层膜片或玻璃-有机聚合物双层膜片。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片，其形状为圆形或多边形；当所述拾音膜片的形状是多边形时，所述拾音膜片与支撑梁的连接点是多边形的一条边的中点或者是多边形的一个顶点。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片的与反光面相对的外表面的部分区域被刻蚀成为多个凹槽结构，而在所述外表面未被刻蚀的区域形成网格状的支撑骨架。

在本发明的一些实施例中，所述拾音膜片的刻蚀区域的厚度为1～10μm，所述拾音膜片的未刻蚀区域的厚度为10～200μm；所述拾音膜片的刻蚀区域面积占拾音膜片的外表面面积的50～80％。

作为本发明的另一个方面，提供了一种光学声传感器，包括如上所述的光学声敏元件，作为声传感探头。

在本发明的一些实施例中，所述光学声传感器还包括光电探测器，用于将被所述光学声敏元件的光学检测结构接收的光信号转化为电信号而输出。

从上述技术方案可知，本发明公开的方法具有以下优点：

(1)与常规光学声敏元件相比，本发明利用支撑梁支撑拾音膜片的结构能够放大声敏元件对声波的响应，灵敏度高。

(2)与常规光学声敏元件相比，本发明光学声敏元件采用非封闭腔体，不需要专门设置均压孔，简化了制作工艺。

附图说明

图1A～图1E为根据本发明第一实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；

图2为图1A所示的拾音结构的立体图；

图3为根据本发明第一实施例基于光纤法布里-珀罗干涉检测结构的光学声敏元件的剖视图；

图4A～图4B为根据本发明第一实施例光学声敏元件的光信号在拾音膜片反光面上的照射区域示意图；

图5A～图5F为根据本发明第二实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；

图6为图5D所示的拾音结构立体图；

图7为根据本发明第二实施例基于光栅法布里-珀罗干涉检测结构的光学声敏元件的剖视图；

图8A～图8B为根据本发明第三实施例光学声敏元件的拾音结构的立体图；

图9为根据本发明第三实施例基于双光纤反射光强度检测结构的光学声敏元件的剖视图；

图10A为根据本发明第四实施例采用光栅法布里-珀罗干涉检测结构和图1D所示的拾音结构构成的光学声敏元件对1000Hz空气声波的时域响应曲线；

图10B为对图10A所示的实测时域响应结果进行FFT变换得到的被测空气声波的频谱曲线。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-拾音结构

11-支座； 111-底盘；

12-拾音膜片； 121-反光面；

122-刻蚀区域； 123-未刻蚀区域

13a～13d-支撑梁；

14-非封闭腔体；

2、2a、2b-光纤；

3-平面光栅； 31-上表面。

具体实施方式

本发明提供了一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器，利用支撑梁与拾音膜片连接的结构，放大膜片的最大振幅，能够有效增强声敏元件灵敏度，尤其适用于对微弱声波信号的高灵敏度低噪声探测。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要事先说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。

第一实施例：

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种光学声敏元件。图1A～图1E为根据本发明第一实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；图2为图1A所示的拾音结构的立体图；图3为根据本发明第一实施例光学声敏元件的剖视图；图4为根据本发明第一实施例光学声敏元件的光信号在拾音膜片反光面上的照射区域示意图。

本实施例光学声敏元件包括拾音结构和光学检测结构，如图1A～图1E所示，本实施例的拾音结构1包括支座11、拾音膜片12和支撑梁13a～13d，其中拾音膜片12通过至少一根支撑梁13a～13d固定连接于支座11上，由拾音膜片12与支座11形成一非封闭腔体14，拾音膜片12面积大于所有支撑梁面积之和，拾音膜片12具有一位于非封闭腔体14内的反光面121；如图3所示，本实施例的光学检测结构用于发出光信号并使光信号照射至非封闭腔体内的反光面121上进行反射，以及接收被反光面121反射的光信号；由此拾音膜片12感应声信号而产生的机械振动能够在光信号被光学检测结构接收前对其进行调制。

以下分别对本实施例光学声敏元件的各个组成部分进行详细描述。

拾音结构1是本发明光学声敏元件的核心元件。

如图1A和图2所示，本实施例中支座11呈圆筒状结构，在不同实施例中圆筒的两个端口可以具有相同尺寸或不同尺寸，通过机械加工、铸造加工、3D打印或MEMS工艺加工制成。支座11的结构并不局限于此，还可为例如方筒状结构等。在支座11的底部还设置有底盘111，便于光学检测结构的设计或固定，将在下文详细说明，容易理解，并不局限于底盘结构来实现光学检测结构的设计或固定。

拾音膜片12为圆形弹性膜片，其尺寸小于支座11上端口尺寸。在不同实施例中，拾音膜片12为由硅、金属、玻璃、有机聚合物等材料中的一种材料制成的均匀膜片；或者为由硅、金属、玻璃、有机聚合物中的多种材料制成的多层膜片或复合膜片，例如为硅-金属双层膜片、硅-玻璃双层膜片、硅-有机聚合物双层膜片、Si-Si₃N₄双层膜片、金属-玻璃双层膜片、金属-有机聚合物双层膜片或玻璃-有机聚合物双层膜片，通过化学成膜方法或物理成膜方法或化学成膜与物理成膜相结合的方法加工制成。一般拾音膜片的厚度介于10～200μm，具体的厚度值是根据材料种类而确定的。

值得指出的是，如图1E所示，为了减轻拾音膜片的质量，拾音膜片12的与反光面相对的外表面的部分区域可以被刻蚀成为多个凹槽结构，如图1E中所示刻蚀区域122，而在外表面未被刻蚀的区域形成网格状的支撑骨架，如图1E中所示未刻蚀区域123，在部分区域被刻蚀后，通过支撑骨架仍能够使得拾音膜片保持一定的刚性。刻蚀的方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀等。减轻拾音膜片的质量有助于抑制膜片惯性带来的影响，如惯性导致的传感器响应滞后。

具体地，拾音膜片的刻蚀区域122的厚度为1～10μm，拾音膜片的未刻蚀区域123的厚度为10～200μm；拾音膜片的刻蚀区域占拾音膜片的外表面面积的50～80％。刻蚀区域的分布或形状并无特别限制，例如可以设置在拾音膜片的中间区域或者均匀地分布于拾音膜片上。

如图1A所示，支撑梁13a～13d为长条形弹性膜片，一端连接支座11，另一端连接拾音膜片12，并与拾音膜片12形成共面结构，此时由支座11和拾音膜片12形成的内部空间即为非封闭腔体。支撑梁13a～13d的面积之和应当小于拾音膜片12，拾音膜片12的面积越大，越容易在声压作用下发生形变而起振并增大振幅，从而提高灵敏度。

在不同实施例中，支撑梁的数量可以是不小于1的任意整数，当数量大于1时，例如如图1A所示的四根支撑梁13a～13d，如图1B所示的三根支撑梁13a～13c，又如图1C所示的两根支撑梁13a～13b，此时，支撑梁的排布以拾音膜片12的中心为基准，在拾音膜片12的周缘均匀分布，以保证拾音膜片12中心与支座11上端口中心重合。

在不同实施例中，支撑梁的材料为硅、金属、玻璃、塑料中的一种，通过机械加工、铸造加工、3D打印或MEMS工艺加工制成。在本实施例中，支撑梁13a～13d、拾音膜片12和支座11为材质相同的一体式结构，有利于结构的稳固，在其他一些实施例中，支撑梁13a～13d和拾音膜片12为材质相同的一体式结构，且是通过键合或胶粘方式固定于支座11上。

本实施例中，如图3所示，光学检测结构为法布里-珀罗干涉检测结构，包括光纤2，光纤2为匹配光信号波长的单模光纤，光纤2从底盘111的通孔伸入非封闭腔体内，垂直设置于拾音膜片12反光面下方，然后与底盘111固定，光纤2位于非封闭腔体内的端面经过光学抛光，并与反光面相距不足1mm，该光纤端面与拾音膜片12的反光面构成光纤法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。光纤2发出的光照射到拾音膜片12的反光面后沿原路反射回到光纤2，光纤2的该端面正对拾音膜片中的最大振幅点，如图4A和4B所示，在不同实施例中，当支撑梁数量为1时，光纤2端面正对拾音膜片12中支撑梁13a连接点对面的边缘位置，即入射光照射到拾音膜片反光面上与支撑梁成一直线的远离支撑梁的一端，这里需要指出的是：由于拾音膜片的振动很弱，即使其远离支撑梁的一端，其幅度也非常小，振动引起的反光面的倾角很小，反射光虽然轻微偏离入射光路径，但仍然能够被光纤2接收，可以认为反射光仍能够沿原路返回。当支撑梁数量大于1时，光纤2端面正对拾音膜片12的中心位置，即入射光照射到拾音膜片12的反光面上的中心区域。

本发明的第一个示例性实施例，其声敏感机制是：外界声信号作用于拾音膜片12和支撑梁13，膜片和支撑梁均在声压作用下发生弯曲形变，相对于常规的周边固支膜片，拾音膜片12与支座11通过有限的支撑梁13连接，各支撑梁除受到自身表面的声压载荷之外，还因其支撑拾音膜片12的作用而分摊拾音膜片12表面的声压载荷，因此支撑梁13发生较大振幅的振动，同时拾音膜片12中与各支撑梁连接区域的振幅也增大，支撑梁13与拾音膜片12同向振动，振幅叠加，使得整体拾音结构的最大振幅得到了放大，继而增大了光纤端面与拾音膜片反光面构成的法布里-珀罗干涉腔腔长的变化，整个光学声敏元件输出的相位调制型光信号增大，从而增强了元件声响应的灵敏度。在拾音膜片12和单个支撑梁13的尺寸一定时，支撑梁的数量越少，分担在每个支撑梁上的声压载荷越大，支撑梁13及拾音膜片12中与各支撑梁连接区域的变形越大，整体拾音结构的最大振幅也就越大，尤其是当支撑梁数量减为1时，光学结构检测点移到拾音膜片12的边缘，在上述支撑梁连接结构放大振幅的效果上又增加了一倍的膜片内部形变量，从而使光学声敏元件获得最大的灵敏度。

容易理解，以上公开的光学声敏元件可以作为声传感器探头与其他如检测光源、光电探测器等常规元件配合使用，构成光学声传感器。

至此，本发明第一实施例光学声敏元件介绍完毕。

第二实施例：

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种光学声敏元件。图5A～5F为根据本发明第二实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；图6为图5D所示的拾音结构的立体图；图7为根据本发明第二实施例光学声敏元件的剖视图。如图5A～5D、6、7所示，与第一实施例的光学声敏元件相比，本实施例光学声敏元件的区别在于：

拾音膜片12为正多边形弹性膜片。在不同实施例中，如图5A～5C所示，以拾音膜片12为正方形为例，支撑梁13a～13d与拾音膜片12的固定连接点均是正多边形的边的中点，或如图5D～5F所示，该固定连接点均是正多边形的顶点，由此形成了支撑梁13a～13d在拾音膜片12周缘的均匀分布。

如图7所示，光学检测结构为包含平面光栅3的法布里-珀罗干涉检测结构，平面光栅3匹配光信号波长，既能产生反射衍射又能产生透射衍射。平面光栅3位于非封闭腔体内，固定设置于拾音膜片12的下方，其上表面31与拾音膜片12反光面平行，且两者相距小于1mm。本实施例中，平面光栅3制作于底盘111朝向非封闭腔体的表面，容易理解底盘111应当对光信号透明，光信号垂直透过底盘111经过平面光栅3产生一次反射衍射光束和一次透射衍射光束，一次透射衍射光束垂直照射到拾音膜片12的反光面后沿原路反射回到平面光栅3上表面并产生二次反射衍射光束和二次透射衍射光束，一次反射衍射光束和二次透射光束沿相同路径自底盘111出射后能够被一外部的光电探测器接收，平面光栅3上表面31与拾音膜片12的反光面构成光栅法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。

至此，本发明第二实施例光学声敏元件介绍完毕。

第三实施例：

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种光学声敏元件。图8A～图8B为根据本发明第三实施例光学声敏元件的拾音结构的立体图；图9为根据本发明第三实施例光学声敏元件的剖视图。如图8A～图8B、9所示，与第一实施例的光学声敏元件相比，本实施例光学声敏元件的区别在于：

如图8A所示，支撑梁13a～13b为制作在支座11上端面上的台阶结构，作为优选，支撑梁13a～13b与支座11为材质相同的一体式结构，有利于结构稳固。在不同实施例中，当支撑梁的数量大于1时，各支撑梁高度相同，均匀分布在支撑梁13a～13b的周缘，使拾音膜片12中心与支撑梁13a等的排布中心重合。

拾音膜片12与支撑梁13a～13b形成非共面结构，拾音膜片12的边缘通过键合或胶粘方式固定在支撑梁13a～13b的上端面，在不同实施例中，当支撑梁的数量大于1时，拾音膜片12的面积大于支座11上端口面积，显然也大于支撑梁13a、13b的横截面积之和，而如图8B所示，当支撑梁的数量等于1时，拾音膜片12的尺寸不必限制一定要大于支座11上端口尺寸，形成悬挂式拾音膜片结构。

如图9所示，光学检测结构包含两根光纤2a，2b，分别用于发出以及接收光信号，二者均为匹配光信号波长的光纤，两根光纤2a，2b分别从底盘111的通孔伸入非封闭腔体内并呈一定角度设置于拾音膜片下方，然后将光纤2a，2b与底盘111固定。光纤2a，2b伸入非封闭腔体内的部分以膜片的法线为基准对称，构成反射光强度检测结构。光信号经一根光纤2a倾斜照射到拾音膜片的最大振幅区域，之后被反射到另一根光纤2b进行接收。

至此，本发明第三实施例光学声敏元件介绍完毕。

第四实施例：

在本发明的第四实施例中，提供了一种光学声敏元件，并通过测试得到其对1000Hz空气声波的时域响应曲线和频响曲线。

首先实验制作了基于光栅法布里-珀罗干涉检测结构和图1D所示的拾音结构的光学声敏元件，其中拾音结构材质为玻璃，拾音膜片为直径10毫米的圆形，膜片厚度为150微米，支撑梁宽5毫米，支撑梁位于拾音膜片和支座间的径向长度为2毫米。利用射频溅射方法在拾音膜片朝向非封闭腔室内表面上淀积有一层的50纳米后的铬膜，作为拾音膜片的反光面，它与自制光学声敏元件的平面光栅上表面组成法布里-珀罗干涉腔，光栅周期为2微米。利用650nm激光垂直照射光学声敏元件的平面光栅，平面光栅产生一次反射衍射光束和一次透射衍射光束，一次透射衍射光束垂直照射到反光面的如图4B所示的区域后沿近似原路返回平面光栅，并产生二次透射衍射光束和二次反射衍射光束。一次反射衍射光束与二次透射衍射光束沿相同路径射入一光电探测器，转化为电信号输出，光电探测器的输出电信号被与其电连接的计算机采集、存储和处理。将一市售的扬声器置于与光学声敏元件相距1米的位置，开启扬声器，使其发出1000Hz的空气声波，然后利用计算机连续记录光电探测器的输出信号，由此获得光学声敏元件对该空气声波的时域响应。图10A给出了实验测得的光学声敏元件的时域响应曲线。对该曲线进行FFT变换就获得了如图10B所示的光学声敏元件频响曲线。从图10A可以看出光学声敏元件的响应曲线平整规则，信噪比大，灵敏度高。图10B给出的频响曲线包含一尖锐的峰值，峰值对应的频率为1kHz，与扬声器产生的空气声波频率一致，说明本发明公开的光学声敏元件具有卓越的可靠性。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)第一、二实施例中各支撑梁的远离拾音膜片的一端还可以通过键合或胶粘等方式固定在支座的端面上；

(2)第一、二实施例中的支撑梁还可以是梯形等非等宽的长条形弹性膜片；

(3)第三实施例中的支撑梁还可以是固定在支座上端面的其它形状的台阶；

(4)各实施例中的拾音结构和光学检测结构均可任意组合。

综上所述，本发明提供了一种光学声敏元件以及包含其的光学声传感器，利用支撑梁支撑拾音膜片的结构设计放大拾音膜片感应外界声信号所产生的最大位移，结合光学检测方法能够有效增强元件声响应灵敏度，尤其适用于对微弱声波的高灵敏度低噪声探测。

还需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种光学声敏元件，包括拾音结构和光学检测结构，其特征在于：

拾音结构，包括支座、拾音膜片和支撑梁，其中，所述拾音膜片通过至少一根所述支撑梁固定连接于所述支座上，由所述拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，所述拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，所述拾音膜片具有一位于所述非封闭腔体内的反光面，所述拾音膜片的与反光面相对的外表面的部分区域被刻蚀成为多个凹槽结构，而在所述外表面未被刻蚀的区域形成网格状的支撑骨架；

光学检测结构，用于发出光信号并使光信号照射至所述非封闭腔体内的反光面上进行反射，以及接收被所述反光面反射的光信号；

其中，所述拾音膜片感应声信号而产生机械振动，所述机械振动对所述光信号在被所述光学检测结构接收前进行了调制。

2.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁与拾音膜片形成共面结构。

3.根据权利要求2所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁和拾音膜片为材质相同的一体式结构。

4.根据权利要求2所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁通过键合或胶粘方式固定于所述支座上。

5.根据权利要求2所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁和支座为材质相同的一体式结构。

6.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁与所述拾音膜片形成非共面结构。

7.根据权利要求6所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片通过键合或胶粘方法固定于所述支撑梁上。

8.根据权利要求6所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁与支座为材质相同的一体式结构。

9.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构发出的光信号在所述拾音膜片反光面上的照射区域是拾音膜片振动幅度最大的区域。

10.根据权利要求9所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁的数量为1，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的远离支撑梁的一端部。

11.根据权利要求9所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁的数量大于1，固定于拾音膜片的周缘且呈均匀分布，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的中心区域。

12.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构是法布里-珀罗干涉检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿原路反射回到光学检测结构。

13.根据权利要求12所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构包括单模光纤，所述单模光纤的一端面经光学抛光后设置于非封闭腔体内，使得所述端面与所述拾音膜片的反光面相对且相距不足1mm，由所述拾音膜片的反光面与所述端面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。

14.根据权利要求12所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构包括平面光栅，所述平面光栅既能产生反射衍射又能产生透射衍射，所述平面光栅设置于所述非封闭腔体内，使得所述平面光栅的上表面与所述拾音膜片的反光面相对且相距小于1mm，由所述平面光栅的上表面与所述反光面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。

15.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构是反射光强度检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿不同路径反射回到光学检测结构。

16.根据权利要求15所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构包括两根光纤，倾斜地设置于非封闭腔体内，并以拾音膜片的法线为基准对称，分别用于发出光信号以及接收被所述反光面反射的光信号。

17.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片为具有弹性的膜片。

18.根据权利要求17所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片为由单一材料形成的均匀膜片。

19.根据权利要求18所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片为硅膜片、金属膜片、玻璃膜片或有机聚合物膜片。

20.根据权利要求17所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片为由多种材料形成的多层膜片或复合膜片。

21.根据权利要求20所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片为硅-金属双层膜片、硅-玻璃双层膜片、硅-有机聚合物双层膜片、Si-Si₃N₄双层膜片、金属-玻璃双层膜片、金属-有机聚合物双层膜片或玻璃-有机聚合物双层膜片。

22.根据权利要求17所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片，其形状为圆形或多边形，当所述拾音膜片的形状是多边形时，所述拾音膜片与支撑梁的连接点是多边形的一条边的中点或者是多边形的一个顶点。

23.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述拾音膜片的刻蚀区域的厚度为1～10μm，所述拾音膜片的未刻蚀区域的厚度为10～200μm；所述拾音膜片的刻蚀区域面积占拾音膜片的外表面面积的50～80％。

24.一种光学声传感器，其特征在于，所述光学声传感器包括如权利要求1至23任意一项所述的光学声敏元件，作为声传感探头。

25.根据权利要求24所述的光学声传感器，其特征在于，所述光学声传感器还包括光电探测器，用于将被所述光学声敏元件的光学检测结构接收的光信号转化为电信号而输出。

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