CN219474786U - 单膜双纤多路光纤mems声压传感器探头及传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤声压传感器技术领域，具体公开了一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头及传感器装置，包括：第一玻璃层、第二玻璃层以及位于第一玻璃层和第二玻璃层之间的碳化硅层，第一玻璃层上对称且间隔设置第一光纤纤芯孔和第二光纤纤芯孔，第一玻璃层上环绕第一光纤纤芯孔以及第二光纤纤芯孔分别设置第一阵列孔和第二阵列孔，第二玻璃层上对称且间隔设置第三光纤纤芯孔和第四光纤纤芯孔，第二玻璃层上环绕第三光纤纤芯孔以及第四光纤纤芯孔分别设置第三阵列孔和第四阵列孔。本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头具有可靠性高以及灵敏度高的优势。

Description

单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头及传感器装置

技术领域

本实用新型涉及光纤声压传感器技术领域，尤其涉及一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头及单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置。

背景技术

光纤声压传感器作为一种区别于传统电学声压传感器的新型声压传感器，逐渐走入大家的视野。光纤中的多种参量可以实现声压传感，例如可以通过改变光纤中传输光的光程来进行声压调制，同样可以利用光纤光栅的反射波长和反射光强变化进行声压测量。光纤传感器具有灵活的传感结构设计方案、极大的复用容量和准分布式长距离测量潜力的特点，加上光纤自身细小、敏感、制作方便，不需要复杂的波导结构加工，同时由于光纤自身损耗低，使光纤声压传感器更适用于大范围组网和多节点测量。光纤声压传感器正逐渐成为传统声压传感器的有力竞争对手。在建筑物健康监测、系统振动抑制、地震波监测等领域，光纤声压传感器的需求量逐渐增加。由于电类传感器易受强电磁场的干扰，因此某些电力系统的振动监测，只能用光纤声压传感器。

而当前光纤声压传感器存在可靠性低以及探测灵敏度低的问题，进而导致应用场景下的探测结果误差较大。

因此，如何提升光纤声压传感器的可靠性以及探测灵敏度成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型提供了一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头及单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，解决相关技术中存在的可靠性差以及灵敏度低的问题。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其中，包括：

第一玻璃层、第二玻璃层以及位于所述第一玻璃层和所述第二玻璃层之间的氮化硅层，

所述第一玻璃层上对称且间隔设置第一光纤纤芯孔和第二光纤纤芯孔，所述第一玻璃层上环绕所述第一光纤纤芯孔以及所述第二光纤纤芯孔分别设置第一阵列孔和第二阵列孔，

所述第二玻璃层上对称且间隔设置第三光纤纤芯孔和第四光纤纤芯孔，所述第二玻璃层上环绕所述第三光纤纤芯孔以及所述第四光纤纤芯孔分别设置第三阵列孔和第四阵列孔，

所述第一光纤纤芯孔、第二光纤纤芯孔、第三光纤纤芯孔以及第四光纤纤芯孔均用于容纳光纤纤芯，

所述氮化硅层朝向所述第二玻璃层的表面且与所述第三光纤纤芯孔对应的区域形成第一凹槽，所述氮化硅层朝向所述第二玻璃层的表面且与第四光纤纤芯孔对应的区域形成第二凹槽，所述第一玻璃层朝向所述氮化硅层的表面且与所述第一光纤纤芯孔对应的区域形成第三凹槽，所述第一玻璃层朝向所述氮化硅层的表面且与所述第二光纤纤芯孔对应的区域形成第四凹槽，

所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽均形成为F-P谐振腔。

进一步地，所述第一阵列孔包括依次环绕所述第一光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第二阵列孔包括依次环绕所述第二光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第三阵列孔包括依次环绕所述第三光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第四阵列孔包括依次环绕所述第四光纤纤芯孔设置的多个微型孔。

进一步地，所述微型孔的孔径为0.1mm，所述第一光纤纤芯孔、第二光纤纤芯孔、第三光纤纤芯孔和第四光纤纤芯孔的孔径均为0.18mm。

进一步地，所述氮化硅层朝向所述第一凹槽的表面、所述氮化硅层朝向所述第二凹槽的表面、所述氮化硅层朝向所述第三凹槽的表面以及所述氮化硅层朝向所述第四凹槽的表面均设置金属反射膜。

进一步地，所述第一玻璃层朝向所述第三凹槽的表面、所述第一玻璃层朝向所述第四凹槽的表面、所述第二玻璃层朝向所述第一凹槽的表面以及所述第二玻璃层朝向所述第二凹槽的表面均设置增透膜。

作为本实用新型的另一个方面，提供一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其中，包括：

壳体以及位于所述壳体内的芯片固定管，所述芯片固定管内设置前文所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头。

进一步地，所述壳体包括第一玻璃管，所述芯片固定管包括第二玻璃管，所述第二玻璃管的长度小于所述第一玻璃管的长度，所述第二玻璃管的外径等于所述第一玻璃管的内径。

进一步地，所述第一玻璃管的长度为12mm，所述第二玻璃管的长度为3mm，所述第一玻璃管的内径和所述第二玻璃管的外径均为10mm。

进一步地，还包括第一光纤保护壳和第二光纤保护壳，所述第一光纤保护壳用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第一玻璃层中的两根光纤，所述第二光纤保护壳用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第二玻璃层中的两根光纤。

进一步地，还包括束线器，所述束线器用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的四根光纤。

本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，通过在氮化硅层两侧均设置玻璃层，且每个玻璃层上均设置两个光纤纤芯孔，从而形成双纤四路的探测结构，由于每一路光纤均可以测得一个声压值，这样多路探测可以获得多个声压值，进而通过平均计算获得声压平均值作为最终声压测量值，这样相比单个测量值具有精度高以及灵敏度高的优势；另外由于玻璃层上设置阵列孔能够允许声音进入到F-P谐振腔内的同时还能够过滤掉空气中的杂质等，因而能够有效适应恶劣环境，提升可靠性。因此，本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头具有可靠性高以及探测灵敏度高的优势。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的剖视图。

图2为本实用新型提供的第一玻璃层的俯视图。

图3为本实用新型提供的第二玻璃层的俯视图。

图4为本实用新型提供的氮化硅层的剖视图。

图5为本实用新型提供的第一玻璃层的剖视图。

图6为本实用新型提供的第二玻璃层的剖视图。

图7为本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置的结构示意图。

实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，图1是根据本实用新型实施例提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头10的剖视图，如图1所示，包括：

第一玻璃层100、第二玻璃层200以及位于所述第一玻璃层100和所述第二玻璃层200之间的氮化硅层300，

所述第一玻璃层100上对称且间隔设置第一光纤纤芯孔110和第二光纤纤芯孔120，所述第一玻璃层100上环绕所述第一光纤纤芯孔110以及所述第二光纤纤芯孔120分别设置第一阵列孔130和第二阵列孔140，

所述第二玻璃层200上对称且间隔设置第三光纤纤芯孔210和第四光纤纤芯孔220，所述第二玻璃层200上环绕所述第三光纤纤芯孔210以及所述第四光纤纤芯孔220分别设置第三阵列孔230和第四阵列孔240，

所述第一光纤纤芯孔110、第二光纤纤芯孔120、第三光纤纤芯孔210以及第四光纤纤芯孔240均用于容纳光纤纤芯400，

所述氮化硅层300朝向所述第二玻璃层200的表面且与所述第三光纤纤芯孔210对应的区域形成第一凹槽310，所述氮化硅层300朝向所述第二玻璃层的表面且与第四光纤纤芯孔220对应的区域形成第二凹槽320，所述第一玻璃层100朝向所述氮化硅层300的表面且与所述第一光纤纤芯孔110对应的区域形成第三凹槽150，所述第一玻璃层100朝向所述氮化硅层300的表面且与所述第二光纤纤芯孔120对应的区域形成第四凹槽160，

所述第一凹槽310、第二凹槽320、第三凹槽150和第四凹槽160均形成为F-P谐振腔。

本实用新型实施例提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，通过在氮化硅层两侧均设置玻璃层，且每个玻璃层上均设置两个光纤纤芯孔，从而形成双纤四路的探测结构，由于每一路光纤均可以测得一个声压值，这样多路探测可以获得多个声压值，进而通过平均计算获得声压平均值作为最终声压测量值，这样相比单个测量值具有精度高以及灵敏度高的优势；另外由于玻璃层上设置阵列孔能够允许声音进入到F-P谐振腔内的同时还能够过滤掉空气中的杂质等，因而能够有效适应恶劣环境，提升可靠性。因此，本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头具有可靠性高以及探测灵敏度高的优势。

另外还应当理解的是，在光纤纤芯插入通孔周围有一系列阵列孔还有利于声压传递到氮化硅薄膜上以增加单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的灵敏度。

需要说明的是，本实用新型实施例中的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，包含一个由两个圆形氮化硅薄膜组成的氮化硅层和两个玻璃层。氮化硅层与玻璃层使用阳极键合工艺组装，接着将键合后的氮化硅层与玻璃层退火，以消除氮化硅膜片的内部应力，这种结构形成后还具有耐高温的优势。

在本实用新型实施例中，所述氮化硅层300的尺寸为7mm*3mm，厚度为0.5mm，通过湿法腐蚀工艺在氮化硅层上制作两块圆形氮化硅薄膜，薄膜直径为1.5mm，厚度为700 nm~2500nm。

如图2和图3所示，所述第一阵列孔130包括依次环绕所述第一光纤纤芯孔110设置的多个微型孔，所述第二阵列孔140包括依次环绕所述第二光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第三阵列孔230包括依次环绕所述第三光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第四阵列孔240包括依次环绕所述第四光纤纤芯孔设置的多个微型孔。

在本实用新型实施例中，所述微型孔的孔径为0.1mm，所述第一光纤纤芯孔110、第二光纤纤芯孔120、第三光纤纤芯孔210和第四光纤纤芯孔220的孔径均为0.18mm。

如图1和图4所示，所述氮化硅层300朝向所述第一凹槽310的表面、所述氮化硅层300朝向所述第二凹槽320的表面、所述氮化硅层300朝向所述第三凹槽150的表面以及所述氮化硅层300朝向所述第四凹槽160的表面均设置金属反射膜500。

具体地，所述金属反射膜500可以为镀金反射膜。

应当理解的是，由于F-P谐振腔要求两侧壁的光线反射率尽量高，所以使用物理气相沉积（PVD）工艺在氮化硅层表面镀金高反射膜，以提高氮化硅薄膜的光线反射率。

需要说明的是，所述第一玻璃层100和第二玻璃层200的尺寸均为7mm*3mm，厚度为0.5mm。

具体地，如图1、图5和图6所示，所述第一玻璃层100朝向所述第三凹槽150的表面、所述第一玻璃层100朝向所述第四凹槽160的表面、所述第二玻璃层200朝向所述第一凹槽310的表面以及所述第二玻璃层200朝向所述第二凹槽320的表面均设置增透膜600。

应当理解的是，为了减少玻璃对F-P谐振腔内光线的影响，需要在第一玻璃层100和第二玻璃层200上镀反射率在1.5%以内的二氧化钛增透膜。

作为本实用新型的另一实施例，提供一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其中，如图7所示，包括：

壳体20以及位于所述壳体内的芯片固定管30，所述芯片固定管30内设置前文所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头10。

在本实用新型实施例中，由于单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置采用前文所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，通过在氮化硅层两侧均设置玻璃层，且每个玻璃层上均设置两个光纤纤芯孔，从而形成双纤四路的探测结构，由于每一路光纤均可以测得一个声压值，这样多路探测可以获得多个声压值，进而通过平均计算获得声压平均值作为最终声压测量值，这样相比单个测量值具有精度高以及灵敏度高的优势；另外由于玻璃层上设置阵列孔能够允许声音进入到F-P谐振腔内的同时还能够过滤掉空气中的杂质等，因而能够有效适应恶劣环境，提升可靠性。因此，本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置具有可靠性高以及灵敏度高的优势。

具体地，如图7所示，所述壳体20包括第一玻璃管，所述芯片固定管30包括第二玻璃管，所述第二玻璃管的长度小于所述第一玻璃管的长度，所述第二玻璃管的外径等于所述第一玻璃管的内径。

进一步具体地，所述第一玻璃管的长度为12mm，所述第二玻璃管的长度为3mm，所述第一玻璃管的内径和所述第二玻璃管的外径均为10mm。

在本实用新型实施例中，第一玻璃管外径12mm，内径10mm，长度12mm，第二玻璃管外径10mm，内径7mm，长度3mm。封装时，先将上述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头粘在第二玻璃管上，再将第二玻璃管放入第一玻璃管中，点胶固化。接着，将光纤固定支架粘在第一玻璃管侧面，再光纤纤芯分别插入玻璃层上的光纤纤芯孔，分别耦合后点胶并固化光纤纤芯，最后固定光纤。

在本实用新型实施例中，为了方便进入到壳体20内的光纤的固定，还包括第一光纤保护壳50和第二光纤保护壳60，所述第一光纤保护壳50用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第一玻璃层中的两根光纤40，所述第二光纤保护壳60用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第二玻璃层中的两根光纤40。

另外，如图7所示，为了实现壳体20内光纤40的固定，所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置还包括光纤固定支架70，通过光纤固定支架40可以方便实现光纤在壳体20内的固定。

在本实用新型实施例中，单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置还包括束线器80，所述束线器80用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的四根光纤40。

综上，本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，工作时声压穿过玻璃层上的阵列孔传递到氮化硅薄膜上，氮化硅薄膜发生形变，使得由氮化硅薄膜与光纤端面构成的F-P谐振腔的距离发生改变，进而改变光信号，从而测得声压值。同理，一共可以得到四个声压值。根据四个声压值后，通过平均值计算得到最终精确的声压值。另外，通过玻璃层上设置阵列孔能够允许声音进入到F-P谐振腔内的同时还能够过滤掉空气中的杂质等，因而能够有效适应恶劣环境，提升可靠性。因此，本实用新型提供的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置具有可靠性高以及灵敏度高的优势。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其特征在于，包括：

第一玻璃层、第二玻璃层以及位于所述第一玻璃层和所述第二玻璃层之间的氮化硅层，

所述第一玻璃层上对称且间隔设置第一光纤纤芯孔和第二光纤纤芯孔，所述第一玻璃层上环绕所述第一光纤纤芯孔以及所述第二光纤纤芯孔分别设置第一阵列孔和第二阵列孔，

所述第二玻璃层上对称且间隔设置第三光纤纤芯孔和第四光纤纤芯孔，所述第二玻璃层上环绕所述第三光纤纤芯孔以及所述第四光纤纤芯孔分别设置第三阵列孔和第四阵列孔，

所述第一光纤纤芯孔、第二光纤纤芯孔、第三光纤纤芯孔以及第四光纤纤芯孔均用于容纳光纤纤芯，

所述氮化硅层朝向所述第二玻璃层的表面且与所述第三光纤纤芯孔对应的区域形成第一凹槽，所述氮化硅层朝向所述第二玻璃层的表面且与第四光纤纤芯孔对应的区域形成第二凹槽，所述第一玻璃层朝向所述氮化硅层的表面且与所述第一光纤纤芯孔对应的区域形成第三凹槽，所述第一玻璃层朝向所述氮化硅层的表面且与所述第二光纤纤芯孔对应的区域形成第四凹槽，

所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽均形成为F-P谐振腔。

2.根据权利要求1所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其特征在于，所述第一阵列孔包括依次环绕所述第一光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第二阵列孔包括依次环绕所述第二光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第三阵列孔包括依次环绕所述第三光纤纤芯孔设置的多个微型孔，所述第四阵列孔包括依次环绕所述第四光纤纤芯孔设置的多个微型孔。

3.根据权利要求2所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其特征在于，所述微型孔的孔径为0.1mm，所述第一光纤纤芯孔、第二光纤纤芯孔、第三光纤纤芯孔和第四光纤纤芯孔的孔径均为0.18mm。

4.根据权利要求1所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其特征在于，所述氮化硅层朝向所述第一凹槽的表面、所述氮化硅层朝向所述第二凹槽的表面、所述氮化硅层朝向所述第三凹槽的表面以及所述氮化硅层朝向所述第四凹槽的表面均设置金属反射膜。

5.根据权利要求1所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头，其特征在于，所述第一玻璃层朝向所述第三凹槽的表面、所述第一玻璃层朝向所述第四凹槽的表面、所述第二玻璃层朝向所述第一凹槽的表面以及所述第二玻璃层朝向所述第二凹槽的表面均设置增透膜。

6.一种单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其特征在于，包括：

壳体以及位于所述壳体内的芯片固定管，所述芯片固定管内设置权利要求1至5中任意一项所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头。

7.根据权利要求6所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其特征在于，所述壳体包括第一玻璃管，所述芯片固定管包括第二玻璃管，所述第二玻璃管的长度小于所述第一玻璃管的长度，所述第二玻璃管的外径等于所述第一玻璃管的内径。

8.根据权利要求7所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其特征在于，所述第一玻璃管的长度为12mm，所述第二玻璃管的长度为3mm，所述第一玻璃管的内径和所述第二玻璃管的外径均为10mm。

9.根据权利要求6所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其特征在于，还包括第一光纤保护壳和第二光纤保护壳，所述第一光纤保护壳用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第一玻璃层中的两根光纤，所述第二光纤保护壳用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的第二玻璃层中的两根光纤。

10.根据权利要求6所述的单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器装置，其特征在于，还包括束线器，所述束线器用于固定插入所述单膜双纤多路光纤MEMS声压传感器探头的四根光纤。