CN111537008A - 面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构及制作方法，包括光纤(1)、敏感膜片(2)、多孔式封装壳(3)和多孔式套筒(5)；所述的光纤(1)固定在多孔式套筒(5)的一端，所述的敏感膜片(2)位于多孔式套筒(5)的另一端，所述的光纤(1)与敏感膜片(2)的中心平行且同轴，其中的中空区域为珐珀腔，所述的多孔式封装壳(3)固定在结构的外部，并通过顶部开孔与光纤(1)相连。与现有技术相比，本发明具有降低传感器工作过程中的声波损耗，加强传感器对微弱声波的检测能力，实现全向检测，提高光纤珐珀声波传感器的灵敏度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构及制作方法。
背景技术
光纤传感技术伴随着光电子和光纤通信产业的发展得以迅速发展。因为光学系统中的很多核心器件，例如光源的性价比快速增长，使得光纤传感测量系统得到了越来越广泛的实际应用。与传统的电学传感器相比，光纤传感器具有很多优良特征，主要包括：对电绝缘、无电传输、微型化、多参量、适合大容量分布式复用、带宽大等，能够在高温高压、强电磁干扰、强腐蚀性等十分恶劣的环境条件下工作，并且在数据传输和处理上，与光纤网络系统能够完全兼容。目前光纤传感技术一直是研究领域的热点，已经被广泛地应用，并发挥着越来越重要的作用。
光纤珐布里-珀罗型传感器，简称光纤珐珀传感器，是采用光纤既作为传光媒质，又构成敏感部件，实现对于多种参量的测量。它利用了光学上的珐布里-珀罗干涉仪原理进行传感。这种传感器可以利用多光束干涉，双光束干涉，也可以利用白光干涉，它的传感探头尺寸可以做到很小，形状非常灵活，具有极高的灵敏度以及动态响应速度，成为近年来光纤传感技术研究的热点之一。微机电系统(Microelectromechanical systems,MEMS)技术的核心是微电子、微机械加工与封装技术的巧妙结合。光纤MEMS珐珀传感器则是引入MEMS加工工艺制作敏感元件，继承了MEMS技术与光纤传感技术的优点，具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好等特点。另外，由于MEMS技术可以大规模集成化生成，一旦技术成熟，产品定型，即可批量化、低成本制造，符合当前的光纤传感研究趋势，具有广泛的应用前景。光纤MEMS珐珀传感器一般只需配合单根光纤使用，从而避免了双根光纤匹配的问题，进一步优化了传感探头的结构。光纤珐珀传感器性能稳定可靠，可用于温度、应力、压力、折射率、磁场、电压、液位、流速、声音、振动、气体和加速度等物理量的长时间连续安全检测，在各种微弱的动态参量，例如声压、振动等方面也具有不可取代的位置。
光纤珐珀声波传感器的探头由光纤、敏感芯片、珐珀腔和支撑套管等部分组成，用于接收外界的声波信息，通过敏感芯片的振动完成声信号到光信号的转变。由于探头易受到损伤，所以一般需要对探头进行封装处理以达到保护的目的。目前国内有着多种封装结构，经典珐珀腔的封装通常采用玻璃套管包裹光纤，对光纤起到保护作用，光纤端面和敏感芯片构成珐珀腔，最外层使用金属或非金属外壳封装，比如松套管对芯片进行保护，大多数封装结构均与此类似。由于封装一般是按照传感器的尺寸进行定制，所以市场上没有成熟的产品。然而目前的封装结构虽然能一定程度上起到对探头的保护作用，但仅有一个端面能进行声波的接收，其他方向均为封闭结构，这就使得声波在传输过程中存在极大损耗。大量声波信号的损失，导致传感器的灵敏度降低，对微弱声波的检测能力下降。同时支撑膜片的套筒也阻止了部分方向声波的进入，致使传感器无法实现全方位检测，但是，关于光纤珐珀声波传感器敏感芯片封装结构的相关文献目前鲜有报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构及制作方法，用于降低传感器工作过程中的声波损耗，加强传感器对微弱声波的检测能力，实现全向检测，提高光纤珐珀声波传感器的灵敏度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，包括光纤、敏感膜片、多孔式封装壳和多孔式套筒；所述的光纤固定在多孔式套筒的一端，所述的敏感膜片位于多孔式套筒的另一端，所述的光纤与敏感膜片的中心平行且同轴，其中的中空区域为珐珀腔，所述的多孔式封装壳固定在结构的外部，并通过顶部开孔与光纤相连。
优选地，所述的封装结构整体采用光敏树脂、不锈钢或高温合金材料制作而成。
优选地，所述的多孔式封装壳的表面设有多个封装壳孔，任意方向的声波均可通过这些封装壳孔到达敏感膜片.
优选地，所述的多孔式套筒设有多个套筒孔，使得敏感膜片背面与侧面各个方向的声波均能到达敏感膜片。
优选地，所述的多孔式封装壳和多孔式套筒均采用机械加工技术或3D打印技术制作的部件。
优选地，所述的多孔式封装壳分上下两部分，分别加工成型最后拼接在一起形成完整封装外壳.
优选地，所述的多孔式封装壳为球壳结构、椭球壳结构或抛物线壳结构。
优选地，所述的封装壳孔(4)为圆柱状孔、圆台状孔或者喇叭状孔。
优选地，所述的套筒孔(6)为圆柱状孔、圆台状孔或者喇叭状孔。
一种用于权利要求1所述的面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：通过机械加工技术或3D打印技术制作多孔式封装壳以及多孔式套筒，将光纤从预先设计好的上半壳顶部小孔中插入；
步骤2：将利用MEMS工艺制作的敏感膜片与多孔式套筒的一个端面贴合，使敏感膜片的中心与多孔式套筒的中心重合，然后利用环氧树脂或紫外线固化胶将敏感膜片固定；
步骤3：将光纤从多孔式套筒的另一端插入，通过调节使光纤端面与敏感膜片的中心平行且同轴，调节光纤进入多孔式套筒的长度来调节珐布里-珀罗腔的腔长，调节到合适腔长后，光纤与多孔式套筒以及多孔式封装壳的上半部分之间均用环氧树脂或紫外线固化胶来固定；
步骤4：将多孔式封装壳的下半部分与上半部分拼接成型，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用这样的封装结构，敏感膜片能够接收到各个方向入射的声波，实现全方位检测，多孔状结构大大降低了声波的损耗，提高了传感器对微弱声波的检测能力。
2)本发明采用多孔式封装结构，既能够起到对光纤珐珀声波传感器探头的保护作用，降低声波传输的损耗，实现传感器的全向检测，又不影响其声波检测的灵敏度。
3)本发明可作为光纤珐珀声波传感器较为成熟的封装结构进行推广使用。
附图说明
图1为光纤珐珀声波传感器封装结构整体截面图；
图2(a)为多孔式封装壳的球壳结构示意图；
图2(b)为多孔式封装壳的椭球壳结构示意图；
图2(c)为多孔式封装壳的抛物线壳结构结构示意图；
图3(a)为封装壳孔和套筒孔的圆柱状孔结构示意图；
图3(b)为封装壳孔和套筒孔的圆台状孔结构示意图；
图3(c)为封装壳孔和套筒孔的喇叭状孔结构示意图；
图4(a)为封装结构与光纤珐珀声波传感器的组装过程步骤1示意图；
图4(b)为封装结构与光纤珐珀声波传感器的组装过程步骤2示意图；
图4(c)为封装结构与光纤珐珀声波传感器的组装过程步骤3示意图。
其中，1.光纤，2.敏感膜片，3.多孔式封装壳，4.封装壳孔，5.多孔式套筒，6.套筒孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种光纤珐珀声波传感器多孔式的封装结构。外部封装结构为一个空心球状多孔外壳，球壳表面多孔，任意方向的声波均可通过这些孔到达敏感膜片，不会被阻挡；敏感膜片下方有空心圆柱形套筒支撑，同时套筒也采用多孔式，使得膜片背面与侧面各个方向的声波均能到达膜片。采用这样的封装结构，敏感膜片能够接收到各个方向入射的声波，实现全方位检测，多孔状结构大大降低了声波的损耗，提高了传感器对微弱声波的检测能力。
实施例1
本发明提出的光纤珐珀声波传感器多孔式的封装结构及其制作方法，封装整体结构参照图1，图1为封装结构整体截面图。器件主要包括光纤1、敏感膜片2、多孔式封装壳3和多孔式套筒5。
所述封装结构整体采用光敏树脂制作，光纤1固定在多孔式套筒5的一端，敏感膜片2位于多孔式套筒5的另一端，光纤1与敏感膜片2的中心平行且同轴，中空区域即为珐珀腔，多孔式封装壳3固定在结构的外部，通过顶部小孔与光纤1相连。
多孔式封装壳3和多孔式套筒5采用3D打印技术制作。多孔式封装壳3分上下两部分，分别加工成型最后拼接在一起形成完整封装外壳。多孔式封装壳3采用球壳结构，如图2(a)。
封装壳孔4和套筒孔6采用圆柱状孔，具体结构参照图3(a)。
多孔式的封装结构的基本工作原理为：各个方向的声波均能通过多孔式封装壳3表面的封装壳孔4到达结构内部，降低了声波的损耗；进入封装结构内部后的声波可通过多孔式套筒5表面的套筒孔6到达敏感膜片2，引起膜片的振动，实现传感器对声波的全向检测。
传感器的完整封装过程如下：
步骤1：参阅图4(a)，通过3D打印技术制作多孔式封装壳3以及多孔式套筒5，将光纤1从预先设计好的上半球壳顶部小孔中插入；
步骤2：参阅图4(b)，将利用MEMS工艺制作敏感膜片2与多孔式套筒5的一个端面贴合，使敏感膜片2的中心与多孔式套筒5的中心重合，然后利用环氧树脂将敏感膜片2固定；
步骤3：参阅图4(c)，将光纤1从多孔式套筒5的另一端插入，通过调节使光纤1端面与敏感膜片2的中心平行且同轴，调节光纤1进入多孔式套筒5的长度来调节珐布里一珀罗腔的腔长，调节到合适腔长后，光纤1与多孔式套筒5以及多孔式封装壳3的上半部分之间均用环氧树脂来固定；
步骤4：参阅图1，将多孔式封装壳3的下半部分与上半部分拼接成型，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。
实施例2
本发明提出的光纤珐珀声波传感器多孔式的封装结构及其制作方法，封装整体结构参照图1，图1为封装结构整体截面图。器件主要包括光纤1、敏感膜片2、多孔式封装壳3和多孔式套筒5。
所述封装结构整体采用不锈钢制作，光纤1固定在多孔式套筒5的一端，敏感膜片2位于多孔式套筒5的另一端，光纤1与敏感膜片2的中心平行且同轴，中空区域即为珐珀腔，多孔式封装壳3固定在结构的外部，通过顶部小孔与光纤1相连。
进一步的，多孔式封装壳3和多孔式套筒5采用机械加工制作。多孔式封装壳3分上下两部分，分别加工成型最后拼接在一起形成完整封装外壳。多孔式封装壳3采用椭球壳结构，如图2(b)，或多孔式封装壳3采用抛物线壳结构，如图2(c)。
封装壳孔4和套筒孔6采用圆台状孔，具体结构参照图3(b)，或者封装壳孔4和套筒孔6采用喇叭状孔，具体结构参照图3(c)。
多孔式的封装结构的基本工作原理为：各个方向的声波均能通过多孔式封装壳3表面的封装壳孔4到达结构内部，降低了声波的损耗；进入封装结构内部后的声波可通过多孔式套筒5表面的套筒孔6到达敏感膜片2，引起膜片的振动，实现传感器对声波的全向检测。
传感器的完整封装过程如下：
步骤1：参阅图4(a)，通过机械加工制作多孔式封装壳3以及多孔式套筒5，将光纤1从预先设计好的上半球壳顶部小孔中插入；
步骤2：参阅图4(b)，将利用MEMS工艺制作敏感膜片2与多孔式套筒5的一个端面贴合，使敏感膜片2的中心与多孔式套筒5的中心重合，然后利用环氧树脂将敏感膜片2固定；
步骤3：参阅图4(c)，将光纤1从多孔式套筒5的另一端插入，通过调节使光纤1端面与敏感膜片2的中心平行且同轴，调节光纤1进入多孔式套筒5的长度来调节珐布里一珀罗腔的腔长，调节到合适腔长后，光纤1与多孔式套筒5以及多孔式封装壳3的上半部分之间均用环氧树脂来固定；
步骤4：参阅图1，将多孔式封装壳3的下半部分与上半部分拼接成型，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。
因此本发明一种应用于光纤珐珀传感器探头的多孔式减损封装结构：封装结构外壳采用多孔排布，旨在任意方向的声波均可通过封装外壳上的通孔进入结构内部，降低声波的损耗；膜片支撑套筒同样采用多孔式，使得各个方向的声波均能通过套筒到达敏感膜片，实现传感器的全向检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，包括光纤(1)、敏感膜片(2)、多孔式封装壳(3)和多孔式套筒(5)；所述的光纤(1)固定在多孔式套筒(5)的一端，所述的敏感膜片(2)位于多孔式套筒(5)的另一端，所述的光纤(1)与敏感膜片(2)的中心平行且同轴，其中的中空区域为珐珀腔，所述的多孔式封装壳(3)固定在结构的外部，并通过顶部开孔与光纤(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的封装结构整体采用光敏树脂、不锈钢或高温合金材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的多孔式封装壳(3)的表面设有多个封装壳孔(4)，任意方向的声波均可通过这些封装壳孔(4)到达敏感膜片(2)。
4.根据权利要求1所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的多孔式套筒(5)设有多个套筒孔(6)，使得敏感膜片(2)背面与侧面各个方向的声波均能到达敏感膜片(2)。
5.根据权利要求1所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的多孔式封装壳(3)和多孔式套筒(5)均采用机械加工技术或3D打印技术制作的部件。
6.根据权利要求1所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的多孔式封装壳(3)分上下两部分，分别加工成型最后拼接在一起形成完整封装外壳。
7.根据权利要求6所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的多孔式封装壳(3)为球壳结构、椭球壳结构或抛物线壳结构。
8.根据权利要求3所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的封装壳孔(4)为圆柱状孔、圆台状孔或者喇叭状孔。
9.根据权利要求4所述的一种面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构，其特征在于，所述的套筒孔(6)为圆柱状孔、圆台状孔或者喇叭状孔。
10.一种用于权利要求1所述的面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过机械加工技术或3D打印技术制作多孔式封装壳(3)以及多孔式套筒(5)，将光纤(1)从预先设计好的上半壳顶部小孔中插入；
步骤2：将利用MEMS工艺制作的敏感膜片(2)与多孔式套筒(5)的一个端面贴合，使敏感膜片(2)的中心与多孔式套筒(5)的中心重合，然后利用环氧树脂或紫外线固化胶将敏感膜片(2)固定；
步骤3：将光纤(1)从多孔式套筒(5)的另一端插入，通过调节使光纤(1)端面与敏感膜片(2)的中心平行且同轴，调节光纤(1)进入多孔式套筒(5)的长度来调节珐布里-珀罗腔的腔长，调节到合适腔长后，光纤(1)与多孔式套筒(5)以及多孔式封装壳(3)的上半部分之间均用环氧树脂或紫外线固化胶来固定；
步骤4：将多孔式封装壳(3)的下半部分与上半部分拼接成型，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。
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