CN116067477A - 一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器 - Google Patents

一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器 Download PDF

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韦妍
王陈
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Abstract

本发明公开提出了一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，属于光学微纳传感器制备技术领域。包括单模光纤、以及集成于单模光纤端部的支架、波导微环和振动膜片；振动膜片通过支架固定在单模光纤的轴线上，波导微环位于单模光纤与振动膜片之间，波导微环的光信号输入/输出端与单模光纤一端相连，波导微环距离单模光纤的最远端为水平段；振动膜片靠近波导微环的端面上设有与波导微环水平段平行的波导。外部声压作用于振动膜片使其发生形变，进而改变振动膜片与波导微环的间距，使得其耦合效率发生变化，从而改变返回光的强度，通过检测光强的变化即可实现对超声波信号的探测；在振动膜片谐振频率处，该传感器灵敏度最高。

Description

一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器
技术领域
本发明属于光学微纳传感器制备技术领域，尤其涉及一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器。
背景技术
随着现代工业技术的发展，超声传感器涉及到航空航天、海洋探测、物体成像、地震波检测、生物信号检测、局部放电检测以及无损探伤等领域。相较于电学式超声传感器，光纤超声传感器具有器件体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，在众多光纤超声传感器中，相位调制型光纤传感器虽然灵敏度高、动态范围大，但解调系统相对复杂，且易受环境因素的影响。相比之下，强度调制型光纤传感器解调系统简单、成本低，也更易实现。
目前基于强度调制的超声传感器主要是利用声波振动影响光纤中光的损耗、耦合、反射等。1977年，Nelson等首次报道了光纤传感器用于动态应变探测，光纤弯曲放置在U形装置内，声波振动引起光纤弯曲改变，通过探测光强度的变化实现频率为1163Hz的声波探测，但该传感器灵敏度较低且具有初始弯曲损耗。在此基础上Chen等提出了一种熔融锥型耦合器并用于超声检测，基于锥形耦合器的超声传感器具有较高的灵敏度，在几十kHz到几百kHz的频段中具有较高的响应，传感器探测频率为155kHz的信号的灵敏度为5.6V/kPa。尽管采用熔融拉锥微纳型结构可提高其超声测量灵敏度，但工艺相对复杂，难以实现传感器结构尺寸的一致性。对于传统熔融锥型耦合器来说，其性能往往与制作工艺相关联，其尺寸较大、稳定性也较差，很难实现高可靠性。
近些年来，基于微纳波导耦合原理的超声传感器受到科研人员广泛的关注，其主要代表之一为基于回音壁模的波导微环谐振器，其传感灵敏度与传感器的品质因子成线性关系，由于其对表面粗糙度要求极为苛刻，常常需要借助电子束加工或高精度光刻工艺实现高灵敏度传感，这也在一定程度上限制了器件的实用性。Wei等人设计了一种反射式波导微环谐振器，尽管其品质因子较低，但采用干涉相位解调技术可在一定程度上弥补传感器的缺陷，其灵敏度可达289.16mV/MPa。虽然这增加了系统解调复杂性，但是采用3D激光直写技术降低了器件制备工艺要求，这也对器件设计提供了新的研究思路。
基于现有的超声传感器技术，如何在降低传感器尺寸的同时提升传感器的灵敏度，是本领域不断探索的方向。
发明内容
为了解决现有技术制备光学式超声传感器结构尺寸较大，制备工艺复杂，灵敏度低等问题，本发明提出了一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，采用双光子3D打印技术，在单模光纤的平端面上制备光学式超声传感器，该超声传感器具有波导微环和振动膜片构成波导耦合，声波引起膜片振动并导致波导耦合间距发生改变，从而使波导耦合效率发生变化，通过膜片振动效应引起的耦合效应远远大于声波直接作用在波导上产生耦合效应，耦合效率可以通过改变振动膜片和波导微环之间的设计距离进行调节。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，包括单模光纤、以及集成于单模光纤端部的支架、波导微环和振动膜片；
所述的振动膜片通过支架固定在单模光纤的轴线上，所述的波导微环位于单模光纤与振动膜片之间，波导微环的光信号输入/输出端与单模光纤一端相连，波导微环距离单模光纤的最远端为水平段；
所述的振动膜片靠近波导微环的端面上设有与波导微环水平段平行的波导。
作为发明的优选，所述的波导微环通过圆台波导固定在单模光纤一端，所述的圆台波导的大端面与单模光纤一端相连，圆台波导的小端面与波导微环的光信号输入/输出端相连。
作为发明的优选，位于振动膜片端面上的波导为柱形波导，所述的柱形波导固定在振动膜片的中心位置。
作为发明的优选，所述的柱形波导的直径为2～5微米，长度为20～40微米。
作为发明的优选，位于振动膜片端面上的波导与波导微环水平段之间留有间隙，所述间隙小于100纳米。
作为发明的优选，所述的振动膜片为圆形，与所述的单模光纤同轴。
作为发明的优选，所述的振动膜片厚度为3～10微米，直径为100～150微米。
作为发明的优选，所述的波导微环关于单模光纤的轴线对称，波导微环的横截面为半径2～5微米的圆。
作为发明的优选，所述的超声传感器采用基于双光子聚合的3D打印技术制备，集成于单模光纤端部的结构材质均为光固化材料。
作为发明的优选，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环和位于振动膜片端面上的波导位于支架的内部。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明使用双光子3D打印技术直接在光纤端面制备一体化微纳超声传感器，集成度高、结构体积小，稳定性好。
(2)相比较于传统的声波直接作用波导的传感机制，该传感器利用膜片振动效应，可高灵敏度调控波导微环耦合效率，实现超声信号高灵敏测量，当入射声频等于膜片谐振频率时，可实现传感器声压灵敏度最大。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中示出的传感器结构的显微镜图像；
图3为本发明实施例中制备传感器测试实验装置示意图；
图4为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像；
图5为本发明实施例中对传感器测试后得到的脉冲响应信号时域图像对应快速傅里叶变换解调出超声波频率信号；
图6为本发明实施例中对传感器测试后得到的频率为640kHz连续正弦波信号时域图像；
图中：1-单模光纤，2-支架，3-圆台波导，4-波导微环，5-振动膜片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步说明。
本发明提供了一种膜片振动型波导微环超声传感器件，由双光子聚合3D打印技术制备得到，打印的超声传感器结构位于光纤端面，其结构紧凑，整体体积尺寸小于160微米，并且利用波导微环和振动膜片的强度耦合特性，可实现对高频超声波的探测。
如图1所示，本发明提出的膜片振动型波导微环超声传感器件的结构包括单模光纤1、中空圆柱形支架2、波导微环3、圆环波导4和振动膜片5。其中，所述的中空圆柱形支架2、波导微环3、圆环波导4、振动膜片5均为光固化材料材质，由基于双光子聚合的3D打印技术制备得到。其中，中空圆柱形支架2和单模光纤起到连接作用，保持结构稳定，波导微环3、圆环波导4和振动膜片5构成强度调制型传感器。
本实施例中，单模光纤1的直径为125微米，使用的商用双光子3D打印机为Nanoscribe公司Professional GTII型号，材料为光敏材料IP-DIP材料，该材料具有较低的杨氏模量，具有较高的声压灵敏度，打印超声传感器的中空圆柱形支架2直径为125微米，长度为130～150微米；波导微环3底半径为8～10微米，顶半径为2～5微米，长度为20～40微米，衔接在圆台上的圆环波导4半径为2～5微米；振动膜片5厚度为3～10微米，直径为125微米，圆柱形波导位于振动膜片中心且与波导微环顶部水平部分平行，直径为2～5微米，长度为20～40微米，可以根据所需要探测超声波频率进行调整。图2为本发明实施例中示出的传感器结构的显微镜图像。
本发明的超声传感器工作原理是基于波导耦合原理，其中圆环波导4和振动膜片5构成波导耦合，当输入光从单模光纤1输入到波导微环3中时，进入波导中的光分成两路分别沿顺时针和逆时针两个方向在圆环波导4内进行传输，微环顶部水平段与振动膜片中心的波导部分平行且波导的间距小于100纳米以实现波导消逝场耦合。
对于两个相互耦合的波导A和B，在两个波导距离靠近出现耦合时，波场可以近似地表达为两个无扰动时波场的和，公式为：
Figure BDA0004000961240000041
耦合方程为
Figure BDA0004000961240000042
其中，K是耦合系数，β为传播常数，EA(z)、EB(z)分别是波导A和波导B的电场，EAy(x)、EBy(x)分别是两个波导电场y方向的分量，Ey是总波场，i，j是虚部，kA、kB是耦合系数，z是z方向位移量。
耦合波导A和波导B的功率为：
Figure BDA0004000961240000051
其中，PA0、PB0分别是波导A、B在z＝0处的功率，Δk是位相失配因子，PA(z)、PB(z)分别是波导A和波导B的功率；
由式(3)可知，当[K2+(Δk)2]1/2z＝π/2时，PA(z)功率达到最大值，及两个导模之间实现最大的功率转换。这个距离z定义为耦合长度，用Lc表示，公式为：
Figure BDA0004000961240000052
当ka＝kb时，即两个波导的传播常数相同时，在z＝Lc处实现功率的完全转换，即Δk＝0，相应的耦合长度为：
Figure BDA0004000961240000053
由此可见，定向耦合器的耦合效率取决于耦合区长度，而耦合区长度仅取决于耦合系数K。耦合系数越大，能量完全转移所需耦合长度越小，器件尺寸越小。
对于标准圆形振动膜片，谐振频率可表示为：
Figure BDA0004000961240000054
式中，ω为谐振频率；α为频率因子；D为抗弯刚度；E为杨氏模量；μ为泊松比；r为敏感膜片的有效半径；h为敏感膜片的厚度；ρ为敏感膜材料的密度。
当传感区域内折射率和入射光波长保持不变时，外部超声压力作用于振动膜片5，膜片会发生变形，改变膜片与波导微环的间距，对应从波导微环中返回的光强发生变化，通过解调出相应光强，能够有效地解调出超声波信号强度和频率信息。
本发明的膜片振动耦合型波导微环超声传感器件通过调节传感器结构的几何尺寸，可以有效拓宽传感器的频率响应带宽，具体的，通过调节圆形振动膜片几何参数即膜片厚度和有效半径，能够调整该波导微环超声传感器对应超声频率响应范围和声压响应灵敏度。
为了对本实施例中制备得到的超声传感器频率响应特性进行测试分析，搭建了图3所示实验装置，由超声声源部分、光学超声传感器部分和数据处理部分三部分构成。所述的超声声源部分由信号发生器和超声换能器构成，本实施例中采用压电换能器；所述的光学超声传感器部分由可调谐激器、光纤环形器、光纤端膜片振动型波导微环超声传感器、光电探测器和示波器构成；所述的数据处理部分包括数据采集器和电脑组成。
将膜片振动型波导微环超声传感器件和超声换能器置于水箱中，用于测试水中的超声波信号。将信号发生器连接至水箱内的压电换能器，压电换能器产生超声波信号，超声波信号类型由信号发生器的输入决定；可调谐激光器输出单一波长的激光，通过光纤环形器到达光纤端膜片振动型波导微环超声传感器，传感器中单模光纤的一端接收到光信号后，光信号从单模光纤的另一端部传入波导微环，分为顺逆两束光信号并在波导微环绕一圈后返回，从传感器返回的光信号通过光纤环形器后由光电探测器接收；通过光电探测器将返回的光信号转换为电信号并在示波器上显示，同时通过数据采集器获取示波器上显示的数据进行处理。同时，在光信号传输过程中，传感器中的振动膜片在压电换能器产生的超声波信号压力作用下发生变形，改变振动膜片与波导微环的间距，对应从波导微环中返回的光强会发生变化，通过解调出光电探测器接收到的返回光信号，能够有效地解调出超声波信号强度和频率信息。
本实施例中，利用图3所示的实验装置测试传感器频率响应带宽，信号发生器输入脉冲信号，将传感器与压电换能器正对放置，间隔可设置为1-10厘米之间，压电换能器发出的超声波经过水域传输到达传感器，引起振动膜片5变形振动，由于振动膜片与波导微环之间的间距发生变化，从波导微环返回的信号光强发生对应变化，经过光纤环形器后传输到光电探测器上，通过示波器得到如图4所示为接收到冲击信号后时域图像，对接收到冲击信号频率分量进行分析，将采集到的冲击信号进行快速傅里叶变换后，得到各频率分量如图5所示，结果表明该传感器具有宽带的频率响应带宽，且存在一个高频特征频率分量(800kHz附近)，高频特征频率分量利用振动膜片结构振动探测，并且在特征频率附近处的幅度大小，即对应声压灵敏度，远高于其他频率处声压灵敏度，且能够稳定接收单频连续正弦波信号。
同样利用图3所示实验装置，测试传感器在单频超声波频率下响应，实验中信号发生器输入固定频率连续正弦波信号，将传感器与压电换能器正对放置，间隔可设置为1-10厘米之间，信号发生器产生连续的正弦波信号输入到压电换能器上，压电换能器产生超声波经过水域后到达光纤端面超声传感器，引起振动膜片变形振动，由于振动膜片和波导微环的间距发生变化，传感器返回的信号光强发生对应变化，经过光纤环形器后传输到光电探测器上，利用示波器记录采集到超声波信号，如图6是超声波对应640kHz正弦波信号时域波形，该结果表明该传感器具有准确的探测单一频率超声波对应的频率信息。
为了达到说明和描述的目的，本发明提供了前述的关于本发明的说明性示例。这并非旨在详尽地叙述本发明或将本发明限制为所叙述的精确形式，可根据上述说明可以进行修改和变更。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理，并且作为本发明的实际应用，以使本领域技术人员能够在各种实施例中使用本发明，并且进行特定用途的各种修改。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)、以及集成于单模光纤(1)端部的支架(2)、波导微环(4)和振动膜片(5)；
所述的振动膜片(5)通过支架(2)固定在单模光纤(1)的轴线上，所述的波导微环(4)位于单模光纤(1)与振动膜片(5)之间，波导微环(4)的光信号输入/输出端与单模光纤(1)一端相连，波导微环(4)距离单模光纤(1)的最远端为水平段；
所述的振动膜片(5)靠近波导微环(4)的端面上设有与波导微环(4)水平段平行的波导。
2.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(4)通过圆台波导(3)固定在单模光纤(1)一端，所述的圆台波导(3)的大端面与单模光纤(1)一端相连，圆台波导(3)的小端面与波导微环(4)的光信号输入/输出端相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，位于振动膜片(5)端面上的波导为柱形波导，所述的柱形波导固定在振动膜片(5)的中心位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的柱形波导的直径为2～5微米，长度为20～40微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，位于振动膜片(5)端面上的波导与波导微环(4)水平段之间留有间隙，所述间隙小于100纳米。
6.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的振动膜片(5)为圆形，与所述的单模光纤(1)同轴。
7.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的振动膜片(5)厚度为3～10微米，直径为100～150微米。
8.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(4)关于单模光纤(1)的轴线对称，波导微环(4)的横截面为半径2～5微米的圆。
9.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的超声传感器采用基于双光子聚合的3D打印技术制备，集成于单模光纤(1)端部的结构材质均为光固化材料。
10.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环(4)和位于振动膜片(5)端面上的波导位于支架的内部。
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