CN117968903A - 一种基于mems膜的组装式光纤f-p声压传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种基于MEMS膜的组装式光纤F‑P声压传感探头。其包括金属套管和金属盖体，所述金属盖体前后两端分别为开口端和封闭端，所述金属套管一端设置凸出的外螺纹段，金属套管一端通过外螺纹段连接金属盖体的开口端；金属盖体的封闭端内侧表面中心设置MEMS膜。本发明采用氮化硅膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜构成夹心式的MEMS膜，提高了MEMS膜的结构强度和弹性模量，提高了反射率和灵敏度；本发明MEMS膜的周期性环状方向波纹沟道结构能够充分释放MEMS膜的初始应力，再加上夹心式结构的叠加使得MEMS膜在声压作用下具有更大的位移量和高反射率，从而提高其声压检测的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头。
背景技术
光纤声压传感器是将外界声波信号调制到光纤中的光波特征参量（如：光强、相角、频率、偏振态等），再通过对光信号的处理还原外界声音信号的装置。光纤声压传感器具有高灵敏度、宽频带响应、良好的抗电磁干扰能力和易于复用等显著优势，广泛应用于国防安全、工业无损检测、医疗诊断以及建筑结构的健康监测等众多领域。
FP腔光纤声压传感器因其结构简单、灵敏度高、解调方法简单而被广泛研究，基于FP腔的光纤声压传感器作为一种新型传感器，和传统电压电容传感器相比，具有结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰并且易于集成化的特点，具有微型化、集成化的发展趋势。
传统的光纤法布里珀罗声压传感探头一般通过在毛细管的一段镀上声压敏感振动膜片，另外一段插入单模光纤并与敏感振动膜片间隔一段距离组成光纤法布里珀罗腔，空气为法布里-珀罗腔介质，单模光纤断面和振动膜片组成光纤法布里珀罗腔的两个反射面，基于这种结构的光纤声压探头，影响灵敏度关键因素就是振动膜片的反射率和形变量。现有的单一材料振动敏感膜只具有高反射率和高形变中的单一特点甚至都不具备，且振动膜片的稳定性和一致性反应差，并且传感探头一体化的设计也使光纤法布里珀罗声压传感探头无法进行二次加工和问题组件更换，这些不足之处很大程度上严重限制了光纤声压传感探头的性能提升和市场批量化生产。
发明内容
本申请针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，改善了振动膜片稳定性和一致性，提高了振动膜片的反射率和形变量，提高了信号解调的灵敏度；同时，采用组装式的传感探头结构方便进行问题组件拆装更换或二次加工。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，包括金属套管和金属盖体，所述金属盖体前后两端分别为开口端和封闭端，所述金属套管一端设置凸出的外螺纹段，金属套管一端通过外螺纹段连接金属盖体的开口端；金属盖体的封闭端内侧表面中心设置MEMS膜，金属套管内中心设置前后贯通的安装孔，所述安装孔内插装陶瓷插芯，所述陶瓷插芯内中心设置前后贯通的光纤插孔，所述光纤插孔内插装单模光纤，所述单模光纤一端伸入金属盖体内腔中并面向所述MEMS膜，MEMS膜和单模光纤的端面相互平行设置，MEMS膜和单模光纤的端面构成F-P腔，中间的空气为F-P腔介质。
进一步的，金属盖体的封闭端外侧表面中心设置贯通的声波孔，声波孔将金属盖体内腔和外部环境连通。
进一步的，金属盖体的封闭端外侧表面设置多个贯通的通气孔，多个通气孔沿着圆周方向均匀分布，多个通气孔将金属盖体内腔和外部环境连通。
进一步的，通气孔的数量为2~4个。
进一步的，MEMS膜包括氮化硅膜层，氮化硅膜层表面设置多个环状方形沟道，氮化硅膜层上下表面设置聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层将氮化硅膜层上下表面完全覆盖，从而形成夹心结构。
进一步的，氮化硅膜层的厚度为150-300mm，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层的厚度为150-300mm。
进一步的，环状方形沟道的数量为3-7个。
本发明的有益效果如下：
本发明采用氮化硅膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜构成夹心式的MEMS膜，提高了MEMS膜的结构强度和弹性模量，提高了反射率和灵敏度；本发明MEMS膜的周期性环状方向波纹沟道结构能够充分释放MEMS膜的初始应力，再加上夹心式结构的叠加使得MEMS膜在声压作用下具有更大的位移量和高反射率，从而提高其声压检测的灵敏度；本发明的金属套管和金属盖体的组装拼接，能够更好的实现声压传感探头的批量化生产，在出现问题组件的过程中能够更方便的实现组件的替代，保证产品的合格率；本发明在带有MEMS膜的金属盖体的顶端设计有多个通气孔结构，这使得MEMS膜片上的每一处的内外压强一致且均匀，以此改善了光纤法布里-珀罗传感器的频谱响应曲线平坦度，提高传感器的稳定性。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的MEMS膜制作工艺中第一步示意图。
图4为本发明的MEMS膜制作工艺中第二步示意图。
图5为本发明的MEMS膜制作工艺中第三步示意图。
图6为本发明的MEMS膜制作工艺中第四步示意图。
图7为本发明的MEMS膜制作工艺中第五步示意图。
其中：1、金属套管；2、金属盖体；3、单模光纤；4、陶瓷插芯；5、MEMS膜；6、通气孔；7、外螺纹段；8、安装孔；9、声波孔。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头包括金属套管1和金属盖体2，金属盖体2前后两端分别为开口端和封闭端，金属套管1一端设置凸出的外螺纹段7，金属套管1一端通过外螺纹段7连接金属盖体2的开口端，实现金属套管1和金属盖体2的组装拼接，能够更好的实现声压传感探头的批量化生产；同时，在出现问题组件的过程中能够更方便的实现组件的替代，保证产品的合格率。
如图1所示，金属盖体2的封闭端内侧表面中心设置MEMS膜5，金属套管1内中心设置前后贯通的安装孔8，安装孔8内插装陶瓷插芯4，陶瓷插芯4内中心设置前后贯通的光纤插孔，光纤插孔内插装单模光纤3，陶瓷插芯4对单模光纤3形成支撑。单模光纤3一端伸入金属盖体2内腔中并面向MEMS膜5。MEMS膜5和单模光纤3的端面相互平行设置，MEMS膜5和单模光纤3的端面构成F-P腔，中间的空气为F-P腔介质。
如图2所示，金属盖体2的封闭端外侧表面中心设置贯通的声波孔9，声波孔9将金属盖体2内腔和外部环境连通，声波孔9能够让外部的声波信号更加畅通的传递到内部MEMS膜5上。
如图2所示，金属盖体2的封闭端外侧表面设置多个贯通的通气孔6，多个通气孔6沿着圆周方向均匀分布，多个通气孔6将金属盖体2内腔和外部环境连通。通气孔6的数量为2~4个。通气孔6可保持MEMS膜5的每一处受到的内外压力保持一致，从而改善声压传感探头的频谱响应曲线平坦度，提高声压传感探头的工作稳定性。
MEMS膜5包括氮化硅膜层，氮化硅膜层的厚度为150-300mm，氮化硅膜层表面设置多个环状方形沟道，环状方形沟道的数量为3-7个，环状方形沟道的设计能够释放掉MEMS膜5的初始应力。氮化硅膜层上下表面设置聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层的厚度为150-300mm，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层将氮化硅膜层上下表面完全覆盖，从而形成夹心结构。氮化硅膜层提高了MEMS膜5的反射率，在氮化硅膜层上下表面设置聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层则进一步提高了MEMS膜5的形变量。采用夹心式的MEMS膜5结构，提高了MEMS膜5的强度和弹性模量，提高了反射率和灵敏度。同时，再加上氮化硅膜层表面设置的环状方形沟道，两者叠加使得MEMS膜5在声压作用下具有更大的位移量和高反射率，从而提高了声压检测的灵敏度。
MEMS膜5的制作过程如下：首先在硅晶片上均匀的涂覆光刻胶，形成光刻胶层，如图3所示。然后将光刻掩模版上的图案转移到硅片表面上的光刻胶图层上，如图4所示。之后使用反应离子刻蚀法刻蚀具有光刻胶图层形状的硅晶片，如图5所示，之后将硅晶片表面上的光刻胶涂层浸入纯丙酮中，并通过超声波振动清洗去光刻胶图层，使用等离子体增强化学气相沉积法将环形波纹状聚对苯二甲酸乙二醇酯和氮化硅依次交替沉积在硅衬底的表面上，如图6所示。最后，刻蚀掉硅衬底，得到厚度为几百纳米的夹心式结构的MEMS膜5，如图7所示。
Claims (7)
1.一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，包括金属套管（1）和金属盖体（2），其特征在于：所述金属盖体（2）前后两端分别为开口端和封闭端，所述金属套管（1）一端设置凸出的外螺纹段（7），金属套管（1）一端通过外螺纹段（7）连接金属盖体（2）的开口端；金属盖体（2）的封闭端内侧表面中心设置MEMS膜（5），金属套管（1）内中心设置前后贯通的安装孔（8），所述安装孔（8）内插装陶瓷插芯（4），所述陶瓷插芯（4）内中心设置前后贯通的光纤插孔，所述光纤插孔内插装单模光纤（3），所述单模光纤（3）一端伸入金属盖体（2）内腔中并面向所述MEMS膜（5），MEMS膜（5）和单模光纤（3）的端面相互平行设置，MEMS膜（5）和单模光纤（3）的端面构成F-P腔，中间的空气为F-P腔介质。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述金属盖体（2）的封闭端外侧表面中心设置贯通的声波孔（9），声波孔（9）将金属盖体（2）内腔和外部环境连通。
3.如权利要求2所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述金属盖体（2）的封闭端外侧表面设置多个贯通的通气孔（6），多个通气孔（6）沿着圆周方向均匀分布，多个通气孔（6）将金属盖体（2）内腔和外部环境连通。
4.如权利要求3所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述通气孔（6）的数量为2~4个。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述MEMS膜（5）包括氮化硅膜层，氮化硅膜层表面设置多个环状方形沟道，氮化硅膜层上下表面设置聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层将氮化硅膜层上下表面完全覆盖，从而形成夹心结构。
6.如权利要求5所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述氮化硅膜层的厚度为150-300mm，聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层的厚度为150-300mm。
7.如权利要求5所述的一种基于MEMS膜的组装式光纤F-P声压传感探头，其特征在于：所述环状方形沟道的数量为3-7个。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |