CN209802504U - 用于fp腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，属于声学传感器技术领域。本实用新型的FP腔光纤声学传感器包括毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜，其中作为FP腔体的毛细玻璃管的一个环形端面与单模光纤的横截面连接，毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的内嵌式双层敏感膜固连；内嵌式双层敏感膜包括软膜和内嵌入软膜内表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。本实用新型将弹性模量较大且反射率大的金属硬膜镶嵌在弹性模量小的软膜内，形成一内嵌结构，制作出的敏感膜同时具有很好的形变能力和反射率。

Description

用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜

技术领域

本实用新型涉及声学传感器技术领域，尤其涉及一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜。

背景技术

近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感器技术也获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声学传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等；由于光纤传感器采用光纤传感技术，因而具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，适合于复杂电磁环境和微弱信号的情况。这些光纤传感器采用的原理也有多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、MZ干涉仪式、Signac干涉仪式以及FP腔光纤传感器。

在各种原理的光纤声学传感器中，FP腔光纤声学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，形成了各种结构的FP腔光纤声学传感器。FP腔光纤声学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。

FP腔光纤声学传感器的敏感膜是其关键组件，基于不同材料制成不同结构的敏感膜的FP腔光纤声学传感器已经被多次报导：例如，(1)Dai等人使用单层石墨烯薄膜作为敏感膜，结合套着毛细管的单模光纤构成FP腔，进而制成FP腔光纤声学传感器；其中使用单层石墨烯薄膜制成的敏感膜弹性模量低，但是折射率低、成本较高且容易损坏。(2)Majun等人使用多层石墨烯作为敏感膜，用多层石墨烯制成的敏感膜在0.2-22Khz间有高响应，同时随着石墨烯厚度增大，敏感膜的折射率提高但是其弹性模量增大。(3)使用光子晶体反射镜作为敏感膜，在10-50Khz间有高响应，光子晶体反射镜制成的敏感膜具有高反射率和高弹性模量的特点。

现有的敏感膜只具有高反射率或低弹性模量中的单一特点，不能满足实际FP腔光纤声学传感器的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，敏感膜为在弹性模量小的软膜内表面上内嵌一层高反射率的金属硬膜，同时具有弹性模小和高反射率的特点。

本实用新型提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，该FP腔光纤声学传感器由毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜组成，其中作为FP腔体的毛细玻璃管的一个环形端面与单模光纤的横截面连接，环形端面的外径和单模光纤的直径相等，该毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的敏感膜固连；单模光纤的横截面中心和敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，单模光纤的纤芯横截面和敏感膜作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。

本实用新型中的内嵌式双层敏感膜包括软膜和内嵌入软膜表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。

进一步的，所述软膜为表面平整光洁的橡胶模或硅胶膜，软膜优选由PDMS制成。

进一步的，金属硬膜由金或银制成。

进一步的，所述内嵌式双层敏感膜的厚度为0.5-10μm，金属硬膜的厚度为10-1000nm。

一种上述内嵌式双层敏感膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、在基底上淀积一层氧化层作为牺牲层，在氧化层上旋涂一层光刻胶，高能辐射透过一掩膜板上开设的特定图形对光刻胶曝光，用显影液去除曝光后性质发生改变的光刻胶，得到与掩膜版对应的图形形状的空槽，然后剩下的光刻胶作为掩膜，使用ICP对整个表面进行刻蚀，在氧化层上得到对应图形的标记，便于后续套刻步骤的定位；

S2、再次涂上光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜版相同位置开设有相同标记图形的掩膜版进行定位，步骤S2中掩膜版还开设有圆形图案；经过与步骤1相同的曝光、溶解步骤，在光刻胶中形成一圆柱体空槽，通过电子束蒸发技术在氧化层上沉淀出一层金属硬膜；

S3、再次在金属硬膜周围涂上光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜版相同位置开设有相同标记图形的掩膜版进行定位，步骤S3中掩膜版还开设有圆形图案，其圆心与步骤S2中掩膜版开设的圆形图案的圆心重合；经过与步骤1相同的曝光、溶解步骤，在光刻胶中形成一圆柱形凹槽，圆柱体凹槽底部为金属硬膜；将软膜溶液填充在圆柱形凹槽中，形成内嵌金属硬膜的软膜；

S4、去除光刻胶和基底，制得内嵌式双层敏感膜。

进一步的，在步骤S2中，所述金属硬膜由金或银制成，金属硬膜的厚度为10-1000nm。

进一步的，在步骤S3中，所述软膜由PDMS制成，软膜的厚度为0.5-10μm，表面平整光洁。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有的有益效果如下：本实用新型的内嵌式双层敏感膜将弹性模量较大且反射率高的金属硬膜镶嵌在弹性模量小的软膜内表面，构成内嵌式复合薄膜，将该薄膜作为光纤FP腔体的一个腔镜，在受压时，形变主要发生在外围的软膜层上，处于光纤模场直径范围内的金属硬膜层形变量小，反射率高，将有效增加光束在腔内的往返次数，提高FP腔体的Q值和反射光谱锐度，从而提高传感器的灵敏度。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例中基于内嵌式双层敏感膜的FP腔光纤声学传感器的立体剖面示意简图；

图2为图1中内嵌式双层敏感膜的结构示意图；

图3(a)-图3(k)为本实用新型实施例中制备内嵌式双层敏感膜的制作流程示意图。

附图标记：

1-毛细玻璃管；2-单模光纤；3-敏感膜；31-软膜；32-金属硬膜；4-硅底；5-二氧化硅层；6-光刻胶。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

本实用新型提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，需要说明的是该FP腔光纤声学传感器由毛细玻璃管1、单模光纤2和敏感膜3组成，如图1所示。其中作为FP腔体的毛细玻璃管1的一个环形端面与单模光纤2的横截面连接，环形端面的外径和单模光纤2的直径相等，该毛细玻璃管1的另一个环形端面与将其覆盖的圆形敏感膜3固连；单模光纤2的横截面中心和敏感膜3的中心均在毛细玻璃管2的轴线上，单模光纤2的纤芯横截面和敏感膜3作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管1的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。

本实用新型实施例中的敏感膜3为内嵌式双层敏感膜，包括软膜31和内嵌入软模31内表面的金属硬膜32，金属硬膜32与单模光纤2的纤芯横截面相对设置，金属硬膜32的直径与单模光纤2纤芯横截面的直径相等，软膜31的直径与毛细玻璃管1环形端面的外径相等。

如图2所示，在一具体实施例中，所述内嵌式双层敏感膜中的软膜31由PDMS制成，金属硬膜32由银制成，PDMS软膜31表面平整光洁；最终制成的内嵌式双层敏感膜3的厚度为2.5μm，银金属硬膜32的厚度为400nm；PDMS软膜31直径与毛细玻璃管1环形端面的外径相等，为250μm；银金属硬膜32的直径与单模光纤2纤芯横截面的直径相等，为10μm。

如图3(a)-图3(k)所示，本实用新型实施例中内嵌式双层敏感膜的制备方法如下：

(1)在硅底4上镀上一层1-3um厚的二氧化硅层5作为牺牲层，再在二氧化硅层5上旋涂一薄层光刻胶，将一掩膜版覆盖在薄层光刻胶上，掩膜版的边缘开设有三角形的标记图形；使用紫外光透过掩膜版上的三角形标记图形对光刻胶进行曝光，利用显影液融去曝光后的光刻胶；移去掩膜版，利用ICP技术直接对表面进行刻蚀，然后去除薄层光刻胶，在二氧化硅层5上得到三角形标记(图中未显示)，便于后续工艺步骤的定位、套刻，如图3(a)所示。

(2)在二氧化硅层5的三角形标记以外区域，使用匀胶机在二氧化硅层5上旋涂一层1-3μm厚的光刻胶6，如图3(b)所示。

(3)将另一掩膜版覆盖在光刻胶6上，步骤(3)中掩膜版与步骤(1)中掩膜版的相同位置开设有三角形的标记图形，步骤(3)中掩膜版的三角形的标记图形与二氧化硅层5的三角形标记对齐。

步骤(3)中掩膜版上还开设有直径为10μm的圆孔，使用紫外光透过掩膜版上的圆孔对光刻胶6进行曝光，利用显影液融去中间曝光部分的光刻胶6，在光刻胶6中得到直径10μm圆柱体槽，如图3(c)所示。

(4)利用电子束蒸发技术，在直径10μm圆柱体槽内、二氧化硅层5上和直径10μm圆柱体槽外、光刻胶6上镀一层银金属，银金属层作为金属硬膜32，厚度为400nm，如图3(d)所示。

(5)使用丙酮溶液去除光刻胶6以及光刻胶6上的银金属层，在二氧化硅层5上剩下银金属层，如图3(e)所示。

(6)在步骤(5)的二氧化硅层5和银金属层上再次使用匀胶机旋涂一层光刻胶6，光刻胶6的厚度为2.5μm，如图3(f)所示。

(7)将另一掩膜版覆盖在光刻胶6上，步骤(7)中掩膜版与步骤(1)中掩膜版的相同位置开设有三角形的标记图形，步骤(7)中掩膜版的三角形的标记图形与二氧化硅层5的三角形标记对齐，步骤(7)中掩膜版上还开有直径为250μm的圆孔，步骤(7)中通孔与步骤(3)中圆孔的圆心重合。

使用紫外光透过掩膜版上的圆孔对光刻胶6进行曝光，利用显影液融去中间曝光部分的光刻胶6，在光刻胶6中得到直径250μm圆柱体凹槽，圆柱体凹槽底部为银金属层，如图3(g)所示。

(8)按照一定比例配置好PDMS溶液，对其进行抽真空处理，除去PDMS溶液中的气泡；然后使用匀胶机将其旋涂在光刻胶6、银金属层和二氧化硅层5上，使PDMS溶液填充圆柱体凹槽中，如图3(h)所示。

(9)用平整光滑的橡胶刀片横向刮过PDMS衬底表面，直至刀片和光刻胶6的顶端表面相接触，以将多余的PDMS溶液去除，仅保留光刻胶6中圆柱体凹槽中的PDMS溶液，然后加热，PDMS溶液形成胶体，制成内嵌银金属层的软膜31，如图3(i)所示。

(10)将整个装置倒置浸泡在显影液中，去除多余的光刻胶6，如图3(j)所示。

(11)使用氢氟酸溶解二氧化硅层5，制得内嵌式双层敏感膜3，如图3(k)所示。

综上所述，本实用新型提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，内嵌式双层敏感膜将弹性模量较大且反射率高的金属硬膜镶嵌在弹性模量小的软膜内表面，构成内嵌式复合薄膜，将该薄膜作为光纤FP腔体的一个腔镜，在受压时，形变主要发生在外围的软膜层上，处于光纤模场直径范围内的金属硬膜层形变量小，反射率高，将有效增加光束在腔内的往返次数，提高FP腔体的Q值和反射光谱锐度，从而提高传感器的灵敏度。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，该FP腔光纤声学传感器包括毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜，其中作为FP腔体的毛细玻璃管的一个环形端面与单模光纤的横截面连接，环形端面的外径和单模光纤的直径相等，该毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的敏感膜固连；单模光纤的横截面中心和敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，单模光纤的纤芯横截面和敏感膜作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构；其特征在于，该内嵌式双层敏感膜包括软膜和内嵌入软膜内表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。

2.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，其特征在于，所述软膜为表面平整光洁的橡胶模或硅胶膜。

3.根据权利要求2所述一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，其特征在于，所述软膜由PDMS制成。

4.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，其特征在于，所述金属硬膜由金或银制成。

5.根据权利要求1所述一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，其特征在于，所述内嵌式双层敏感膜的厚度为0.5-10μm，金属硬膜的厚度为10-1000nm。