CN114199361B - 一种集成光纤声波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成光纤声波传感器，包括光纤器件、弹性悬膜、以及声波挡板，弹性悬膜表面具有微孔阵列，其中每个微孔对应一个声波传感单元；声波挡板用于反射声波，以识别声波的传播方向；光纤器件射出的光束，入射到弹性悬膜上的微孔。本发明的弹性悬膜是一个独立的整体，便于在悬膜上加工各种微结构，易于制备传感单元阵列；本发明的微孔可以独立振动，而且光纤器件阵列垂直正对微孔阵列，器件集成度高；本发明的集成传感单元阵列，通过对比不同传感单元的信号，易于消除外界干扰；本发明的微孔结构，通过协同减小微孔悬膜的直径和厚度，不仅能同时提高传感器的灵敏度和响应频率，还有利于提高集成度、增加光束平行度、增加灵敏度。

Description

一种集成光纤声波传感器

技术领域

本发明涉及一种集成光纤声波传感器，该光纤声波传感器可用于检测在气体、液体以及固体中传输的声波和振动。

背景技术

光纤传感器是以光为载体、光纤为传输媒介，来感知和传输外界信号，具有高灵敏度，并且适用于易燃、易爆及电磁干扰等环境(IEEE Sensors Journal,vol.8,pp.1184-1193,2008)。

光纤声波传感器的工作原理，通常分为相位检测和强度检测：

(1)相位检测：将声波信号转换成光波的相位信号，然后采用迈克尔逊(或Mach-Zehnder等)干涉仪来解调相位信号，因此检测系统昂贵笨重；并且，相位与波长成反比，而激光器波长对温度敏感，因此波长温漂的影响很大。

(2)强度检测：将声波信号转换成光波的强度信号，光强信号的检测系统具有轻便和低成本的优势；但是，检测灵敏度较低，而且传输损耗对强度信号会产生干扰，不适合远距离传输。

发明专利“一种光纤压力传感器及其制备方法”(201110419923.7)提出了一种新的强度检测原理——基于悬膜偏心反射结构的准直光偏角检测，可大幅提高强度检测的灵敏度(Applied Optics,vol.58,pp.7774,2019)。但是，如何实现可集成的光纤声波传感器，并消除外界干扰这一传统痼疾(包括环境温度和传输损耗的干扰)，仍然是当前面临的挑战。此外，如何识别声波的传播方向(即声波的矢量检测)也是面临的另一挑战。

因此，研发可集成的高性能光纤声波传感器，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，提供一种集成光纤声波传感器。

本发明的技术方案：

一种集成光纤声波传感器，包括光纤器件、弹性悬膜以及声波挡板；弹性悬膜上表面具有微孔阵列，其中每个微孔对应一个声波传感单元；声波挡板设置在弹性悬膜上表面，位于微孔周围，用于反射声波或聚焦至微孔底部，以识别声波的传播方向；光纤器件位于弹性悬膜下方，其射出的光束，入射到弹性悬膜上的微孔。

所述弹性悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形，其材质包括金属、塑料、陶瓷、玻璃、半导体(如硅和氮化镓)或石英。其中，优选圆形的石英膜或硅膜。

所述弹性悬膜通过刻蚀减薄弹性悬膜的局部区域，在其表面制备微孔，微孔未穿透弹性悬膜。

所述弹性悬膜还可以由一层柔性薄膜与另一层带孔薄膜贴合而成，从而形成微孔结构。其中，柔性薄膜的厚度，优选小于带孔薄膜的厚度。

所述微孔的底部厚度小于弹性悬膜的厚度，因此微孔底部区域可视为厚度减薄的悬膜(以下简称“微孔悬膜”)，从而每个微孔可作为声波传感单元。随着微孔悬膜的减薄，可以降低不同微孔悬膜之间的相互影响，因此每个微孔悬膜可独立振动(或接近独立振动)，从而成为独立的传感单元。微孔可在弹性悬膜任意一侧的表面上制备(如弹性悬膜的上表面或下表面)。

所述微孔的形状包括三角形、方形、矩形、多边形以及圆形(优选圆形)，其直径介于1微米至1厘米之间(优选50微米至1毫米之间)。

所述微孔悬膜的厚度介于2纳米至1毫米之间，优选50纳米至0.1毫米之间。在微孔悬膜表面，镀有光学反射膜(包括金属膜和光学介质膜)，以增加光学反射率。微孔悬膜的直径，可视为与微孔孔径相等；光学反射膜可镀在微孔悬膜任意一侧的表面(如微孔悬膜的上表面或下表面)。其中，不同的微孔，其直径和厚度可以存在差异，从而获得不同的振动灵敏度。

所述光纤器件与弹性悬膜下表面之间的距离小于10cm，是与光纤连接，以减小光纤射出光束的发散角，即光纤器件的出射光束具有更好的平行度(即平行光束)。其中，光纤器件射出的光束，其发散角小于5度，优选小于0.5度。出射光束的平行度越高，传感器越灵敏；光纤器件射出光束的直径，优选大于微孔孔径；射出与出射同义。

所述光纤器件选自微结构光纤、拉锥光纤、光波导、光纤准直器和光学透镜中一种。

所述声波挡板，位于微孔侧边，用于将特定入射方向的声波反射至微孔底部，从而使微孔悬膜能探测到特定方向的声波(即矢量检测)。其中，声波挡板的形状，除了平板状，还可以是弧形(例如耳状)，用于反射和聚焦声波。

所述声波挡板，还可以位于另一层的盖板表面，所述盖板具有小孔阵列(与弹性悬膜的微孔阵列一一对应)，且盖板的小孔孔径大于(或等于)弹性悬膜的微孔孔径。

所述声波挡板，是通过刻蚀(或黏贴)工艺制备而成。其中，刻蚀是指：刻蚀弹性悬膜(或盖板)的特定表面区域，使得未刻蚀区域形成挡板结构，被刻蚀的区域则构成弹性悬膜(或盖板)。其中，黏贴是指：通过胶粘(或键合)工艺，将制备好的挡板与弹性悬膜(或盖板)粘合在一起。所述声波挡板，其形状和朝向可以存在差异(如图4和图5)，用以反射和汇聚不同方向的声波。注：如果删除声波挡板，不影响本发明的声波传感器的集成特性(仅影响矢量检测)，因此本发明的集成声波传感器可以不包含声波挡板。

所述光纤器件对应固定在衬底上的凹槽阵列中。

所述光纤器件，其出射光束照射到单个(或多个)微孔悬膜表面，即一个光纤器件的出射光束可以同时照射到一个(或多个)微孔悬膜表面。

本发明还提供了一种集成光纤声波传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)制作具有微孔阵列的弹性悬膜；

(2)制作具有声波挡板和小孔阵列的盖板；

(3)将弹性悬膜和盖板依次粘贴在石英套筒的端面(或硅晶片的侧壁表面)，并且盖板上的小孔与弹性悬膜上的微孔一一对应；

(4)将光纤器件固定在套筒内(或硅晶片的表面凹槽内)，并使其发射的光束入射到微孔悬膜表面，并被微孔悬膜反射回光纤器件中(即光纤器件接收反射光束)。声压能够使微孔悬膜产生弯曲形变，从而导致光纤器件接收到的反射光强发生变化。

其中，在步骤(1)中，将一个悬膜与另一个带孔悬膜贴合，以构成整个弹性悬膜，此时孔底部的悬膜可视为微孔悬膜。

其中，在步骤(1)中，刻蚀弹性悬膜表面的圆孔区域，以形成微孔结构。该微孔未穿透弹性悬膜，微孔底部的薄膜作为微孔悬膜。

其中，在步骤(1)中，如果将声波挡板制备在弹性悬膜表面，则步骤(2)可以省去、步骤(3)中的盖板也可以省去。

本发明的有益效果：

1.本发明的弹性悬膜与光纤器件是相互分离的，弹性悬膜是一个独立的整体，因此便于在悬膜上加工各种微结构(如微孔和声波挡板)，以制备传感单元阵列，并实现声波矢量检测。与此相比，现有的光纤声波传感器(通常为相位检测型)，由于光纤自身的结构纤细(对声波不敏感)，需要将光纤固定在弹性悬膜表面(弹性悬膜带动光纤形变)，因此难以在悬膜表面加工各种微结构(由于光纤和悬膜结合为一体)，也难以制备传感单元阵列。

2.本发明的传感单元，由单个的微孔和光纤器件构成，由于同一弹性悬膜上可以制备多个微孔(即微孔阵列)，每个微孔可以独立振动，而且光纤器件阵列垂直正对微孔阵列(即垂直排列的光纤器件阵列)，因此器件集成度高。与此相比，现有的光纤声波传感器，光纤与悬膜是平行贴合，如果将多根光纤固定在同一悬膜表面，光纤之间的相互影响大，难以实现多个传感单元集成。

3.本发明的集成传感单元阵列，通过对比不同传感单元的信号，易于消除外界干扰。例如，外界环境温度和传输损耗的干扰，对所有传感单元的影响是相同的；因此，通过对比两个不同灵敏度的传感单元，可以扣除外界干扰。

4.本发明的微孔结构，通过协同减小微孔悬膜的直径和厚度，不仅能同时提高传感器的灵敏度和响应频率(Applied Optics,vol.58,7774,2019)，还有利于提高集成度。而且，微孔悬膜直径的缩小，还有利于增加光束平行度(发散角大的光线会入射到微孔之外，从而被衰减)，以提高传感器灵敏度。此外，当微孔孔径小于光束直径时，微孔悬膜的弯曲形变，更易于改变光束的反射角，从而增加灵敏度(即对反射角敏感)。

附图说明

图1是一种集成光纤声波传感器的结构示意图。

图2是利用微孔悬膜改变光束反射角的示意图。

图3是附着在盖板上的声波挡板的一种结构示意图。

图4是附着在弹性悬膜上的声波挡板的一种结构示意图。

图5是附着在弹性悬膜上的声波挡板的另一种结构示意图。

图6是利用微孔悬膜筛选光束发散角的示意图。

图7是集成光纤声波传感器的制备过程示意图(刻蚀衬底)。

图8是集成光纤声波传感器的制备过程示意图(组装部件)。

图中：1-光纤，2-光纤器件，3-出射光束，3.1-发散角小的光线，3.2-发散角大的光线，4-反射光束，5-弹性悬膜，6-微孔悬膜，7-声波挡板，8-入射声波，9-盖板，10-光学反射膜，11-衬底，12-凹槽阵列。

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。

如图1所示，本发明提供的一种集成光纤声波传感器，主要包括：光纤1、光纤器件2、弹性悬膜5、微孔悬膜6、声波挡板7、盖板9、以及光学反射膜10。所述光纤1与光纤器件2相连。所述弹性悬膜5的表面具有微孔阵列(微孔底部的薄膜作为微孔悬膜6)。所述光纤器件2的出射光束3，入射到微孔悬膜6，并被微孔悬膜6反射回光纤器件2(即反射光束4被光纤器件2所接收)。

如图2和图3所示，集成光纤声波传感器的工作原理是：当声波8入射到微孔悬膜6(图3)时，声压使微孔悬膜6弯曲形变(图2)；光纤器件2发出的出射光束3，入射到微孔悬膜6表面的光学反射膜10；由于微孔悬膜6的直径d接近(或小于)出射光束3的直径D(优选d<2D)，微孔悬膜6的形变会导致反射光束4的大部分光线发生偏转(如图2中仅中央一条光线能沿着原路返回，其余4条光线均偏离入射光路)，从而大幅降低光纤器件2接收到的反射光束4的强度(悬膜形变导致接收光功率急剧变化)，因此具有高灵敏度。

本发明的集成声波传感器，具有以下特点：如图3，由于微孔悬膜6的厚度(h2)要小于弹性悬膜5的厚度(h1+h2)，且优选h2<0.5h1，因此弹性悬膜5的振幅远小于微孔悬膜6的振幅(微孔悬膜6振动对弹性悬膜5影响很小)，从而每个微孔悬膜6均可独立振动(不同微孔悬膜6之间的相互影响很小)；如图2，光纤器件2可将光纤1的光束转成平行光束3射出，其接收的反射光功率对光束4的反射角敏感(根据光路可逆原理)，因此传感器具有高灵敏度；如图2和6，弹性悬膜6与反射膜10的直径相等(均为d)，该直径d小于(或接近)出射光束3的直径D，因此可以筛选出射光束3的发散角(即发散角大的光线3.2不会被反射膜10反射，只有发散角小的光线3.1才被反射膜10反射)，从而提高出射光束3的平行度。注：光纤器件2发出的光束，严格意义上是高斯光束，因此只在光束的束腰位置才可称为平行光束；本发明中的平行光束包括以下两种光束：发散角小于5度的光束，反射膜10位于光束束腰位置的光束。

注：图8中的光纤器件2可以是单根光波导(或多根平行排列的光波导)；图8中的光纤1可换成半导体激光器(或LED)和光电探测器(即光纤1的位置用于放置激光器和探测器)，此时激光器发射的激光束直接进入光纤器件2(随后转换成平行的出射光束3)，反射光束4进入光纤器件2之后被光电探测器所接收。

以下实施例对本发明提供的集成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100μm厚的石英薄片5(h1＝100μm)上刻蚀微孔阵列。所述微孔，其孔径d为0.3mm，且穿透石英薄片5。

然后，如图4所示，将10μm厚的石英薄片6(h2＝10μm)与石英薄片5用胶粘合在一起构成弹性悬膜5。注：此时将薄片5和6合在一起称为弹性悬膜5(厚度为110μm)。其中，孔底部薄片作为微孔悬膜6，该区域的厚度最薄(10μm)，远小于其他区域的厚度(110μm)，因此微孔悬膜6的振幅远大于弹性悬膜5的振幅(即微孔悬膜6可独立振动)。其中，在微孔悬膜6的下表面镀铝膜10用于反射光束3，铝膜的厚度200nm、光学反射率大于80％(未镀膜区域的反射率仅约4％)，因此只有铝膜10的区域才能有效反射出射光束3。

接着，如图3所示，取厚度1mm的石英片作为盖板9，并在盖板上刻蚀出穿透的小孔阵列(孔径0.5mm)，所述小孔阵列与弹性悬膜5上的微孔阵列一一对应；然后，将声波挡板7粘贴在盖板9的小孔侧边；最后，将盖板9与弹性悬膜5贴合，其中小孔阵列与微孔阵列一一对准。

最后，如图1所示，将每个光纤准直器2一一对准每个微孔悬膜6，且光纤准直器2垂直于微孔悬膜6，因此光纤准直器2构成平行阵列，具有高集成度。其中，光纤准直器2的出射光束3，其光束直径D为0.4mm、光束发散角为0.1度。

如图1-3所示，声波8被挡板7反射到微孔悬膜6表面时，由于微孔悬膜6的厚度最薄(仅10微米厚)，因此微孔悬膜6发生形变，并将出射光束3反射回光纤准直器2(即反射光束4被光纤准直器2接收)。由于微孔悬膜6的直径d小于出射光束4的直径D，因此小孔悬膜6发生弯曲形变时，反射光束4中大部分光线的反射角均发生偏转，使得反射光束4被光纤准直器2接收的功率大幅减小，从而根据接收光功率的变化获知外界声波信号。

如图1所示，不同的声波挡板7，其排列方向不同，因此可以反射不同方向的声波(即分辨声波的方向)。如图3所示的挡板7，对平行于弹性悬膜表面、且朝着左边传播的声波8，才有最佳的反射效果(其他方向的声波，被挡板反射后，不能垂直入射到微孔悬膜6的表面)。因此，通过对比不同方向挡板的传感单元，可以实现声波传播方向的识别(即声波的矢量检测)。

实施例2

如图5所示，在100μm厚的硅片上，用KOH溶液腐蚀出孔径d为0.02mm的微孔，其中微孔深度80μm(h1＝80μm)，微孔底部的膜厚20μm(h2＝20μm)。此时，100μm厚的硅衬底作为弹性悬膜5，微孔悬膜6为20μm厚。

然后，将声波挡板7粘贴在弹性悬膜6的微孔侧边(图5)。

最后，如图7，在硅衬底11表面刻蚀出V型凹槽阵列12；随后将拉锥光纤2平行排列在凹槽12内，并将弹性悬膜5与衬底11侧壁键合在一起(图8)。所述拉锥光纤2的直径50μm，其射出的平行光束3垂直入射到微孔悬膜6(直径20μm)的表面。其中，光束直径D为30μm。由于硅衬底是单晶结构，凹槽与侧壁之间严格垂直(例如V型凹槽和右侧壁分别由<111>和<110>晶面构成)，因此凹槽内的拉锥光纤2与弹性悬膜5之间易于实现垂直，从而降低组装难度。

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 (9)

1.一种集成光纤声波传感器，包括光纤器件、弹性悬膜以及多个声波挡板，其特征在于，弹性悬膜上表面具有微孔阵列，其中每个微孔对应一个光纤器件；声波挡板设置在弹性悬膜上表面，位于微孔周围，声波挡板的排列方向不同，用于反射不同方向的声波或聚焦至微孔底部，以识别声波的传播方向；光纤器件位于弹性悬膜下方，其射出的光束，入射到弹性悬膜上的微孔；

所述微孔的底部厚度小于弹性悬膜的厚度；

微孔悬膜表面镀有光学反射膜。

2.根据权利要求1所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述微孔孔径介于1微米至1厘米之间，微孔底部的微孔悬膜厚度介于2纳米至1毫米之间。

3.根据权利要求1或2所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述光纤器件与弹性悬膜下表面之间的距离小于10cm，光纤器件用于减小出射光束的发散角，使得光束发散角小于5度。

4.根据权利要求3所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述光纤器件选自微结构光纤、拉锥光纤、光波导、光纤准直器和光学透镜中一种。

5.根据权利要求1、2或4所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述声波挡板通过盖板固定在微孔周围。

6.根据权利要求3所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述声波挡板通过盖板固定在微孔周围。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述光纤器件对应固定在衬底上的凹槽阵列中。

8.根据权利要求3所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述光纤器件对应固定在衬底上的凹槽阵列中。

9.根据权利要求5所述的集成光纤声波传感器，其特征在于，所述光纤器件对应固定在衬底上的凹槽阵列中。

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