一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头制造技术

本发明专利技术涉及光纤传感技术、传声器技术和材料工程技术领域，具体涉及一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，包括氮化硅MEMS膜、毛细玻璃管、单模光纤和金属套管。金属套管包括大小两种口径，小口径部分用于固定毛细玻璃管，大口径一端用于粘贴氮化硅MEMS膜以形成光纤法珀腔；单模光纤端面和氮化硅MEMS膜组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。本发明专利技术采用的氮化硅MEMS膜由周期性环状方形波纹氮化硅薄膜和增透介质膜构成，使膜在声压作用下具有更大的位移量，从而提高其声压检测的灵敏度；同时增透介质膜使得氮化硅MEMS膜的表面反射率和光纤端面的反射率达到匹配，以提高干涉光谱消光比；并通过设置静压孔结构，以提高器件的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头
本专利技术涉及光纤传感技术、传声器技术和材料工程
，具体涉及一种基于氮化硅MEMS(微机电系统Micro-Electro-MechanicalSystem)膜的光纤法珀声波探头。
技术介绍
声波传感器就是把媒质中的声音信号转化为其他可以检测的物理量,在通过这些物理量从而还原声音信号的装置。在专利号201010101144.8中公开了一种光纤麦克风，它是用薄膜感受声音信号的振动,从而导致单模光纤端面与振动薄膜构成的光纤法珀腔的腔长发生变化,使反射的光功率产生变化,最后通过检测光强的变化来还原声音信号。光纤法珀腔作为一种十分重要的光学结构，由于其体积小，成本低，易于集成，可远距离传输信号的诸多优点被广泛应用于精密仪器、工业生产、通信、传感等领域。传统的光纤法珀声波探头一般是通过在毛细玻璃管一端镀上声压敏感的振动膜片，另一端插入单模光纤组成光纤法珀腔而制成，由单模光纤端面和振动膜片组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。对于这种结构的光纤声波探头，影响探测灵敏度的两个关键因素就是振动膜片的反射率和厚度。目前，对于振动膜片的选择通常有聚合物膜、金属膜和碳基材料膜等，例如：B.Liu,H.Zhou,L.Liu,X.Wang,M.G.Shan,P.JinandZ.Zhong,“AnOpticalFiberFabry-PerotMicrophoneBasedonCorrugatedSilverDiaphragm,”IEEETrans.Instrum.Meas.,vol.PP,no.99,pp.1-7,2018；Y.Wu,C.B.Yu,F.Wu,C.Li,J.H.Zhou,Y.Gong,Y.J.Rao,Y.F.Chen,“AHighlySensitiveFiber-OpticMicrophoneBasedonGrapheneOxideMembrane,”J.LightwaveTechnol.,Vol.35,no.19,pp.4344-4349,2017。但是上述类型振动膜片的稳定性和一致性差，其制作流程复杂，工艺要求高，这在很大程度上严重限制了光纤声波传感探头的性能提升和批量化生产。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决现有的光纤法珀声波探头存在振动膜片稳定性和一致性差、制作流程复杂和工艺要求高的问题，且频率响应曲线不够平坦，以及信号解调的灵敏度差的问题。本专利技术提供了一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，以改善其振动膜片稳定性和一致性差、制作流程复杂和工艺要求高的问题；且器件频率响应曲线更平坦，信号解调的灵敏度高。一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，包括氮化硅MEMS膜、毛细玻璃管、单模光纤和金属套管。所述金属套管包括大小两种口径，小口径部分用于固定毛细玻璃管，大口径一端用于粘贴氮化硅MEMS膜以形成光纤法珀腔；毛细玻璃管用于支撑插入其中的单模光纤，其自身插入金属套管中的小口径部分固定。单模光纤端面和氮化硅MEMS膜组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质。氮化硅MEMS膜和单模光纤端面保持平行，距离为50～100微米。所述氮化硅MEMS膜由周期性环状方形波纹氮化硅膜和增透介质膜构成，增透介质膜设置在周期性环状方形波纹氮化硅膜的中心位置，以此来降低氮化硅膜的表面反射率，使得氮化硅MEMS膜的表面反射率和光纤端面的反射率达到匹配，从而提高该法珀腔干涉光谱的消光比。所述增透介质膜对氮化硅膜的反射率降低了20％-25％，为沉积在氮化硅膜中心直径为R的圆，0.4L<R<0.6L，其中L为正方形氮化硅MEMS膜的边长。进一步的，所述氮化硅膜的环状方形沟道数量为3～8个，膜厚为400nm-800nm，增透介质膜厚度为400nm-800nm。进一步的，所述金属套管在形成光纤法珀腔位置的侧壁上设置有2-8个静压微孔。所述静压微孔在金属套管的圆周方向上成等间距排布，以使得氮化硅MEMS膜片上的每一处受到的内外压强一致且均匀，以改善该光纤法珀声波传感器的频谱响应曲线平坦度，提高传感器的稳定性。本专利技术采用的氮化硅MEMS膜，具有强度好，弹性模量高、反射率可控和灵敏度高等优点。周期性环状方形波纹沟道结构的氮化硅MEMS膜可以充分释放氮化硅材料的初始应力，使得敏感膜在声压作用下具有更大的位移量，从而提高其声压检测的灵敏度。同时，由于氮化硅薄膜材料的反射率远远高于光纤端面的反射率，这使得由单纯的氮化硅膜片和光纤端面构成的光纤法珀腔的干涉光谱消光比很低，这限制信号解调的灵敏度。因此，在本专利技术中，我们在氮化硅膜的中心区域沉积了一层介质增透膜来降低氮化硅膜的表面反射率，使得氮化硅MEMS膜片的表面反射率和光纤端面的反射率达到匹配，从而提高该法珀腔干涉光谱的消光比。此外，针对该光纤法珀声波传感器频谱响应曲线的平坦度问题，本专利技术在金属套管形成法珀腔位置的侧壁上还设计有多组静压孔结构，这使得氮化硅MEMS膜片上的每一处受到的内外压强一致且均匀，以改善该光纤法珀声波传感器的频谱响应曲线平坦度，提高传感器的稳定性。综上所述，本专利技术测试的频响曲线更平坦，高频谐振峰后移，拓宽了探测频率范围，解决了现有技术中为提高探头的灵敏度和拓宽声频探测范围而造成传感膜制作困难的问题。且具有制作简单、体积小、高灵敏度、抗电磁干扰等优点，可应用于安全布防监控、水听、医学及生物医学工程等领域。附图说明图1为本专利技术的氮化硅MEMS膜侧面结构示意图；图2为本专利技术的氮化硅MEMS膜正面显微照片；图3为本专利技术的横截面结构示意图；图4为实施例金属套管侧壁圆周方向上静压微孔的设置示意图；图5为实施例设置增透介质膜前后的干涉光谱对比图；图6为实施例分别开2个，4个和8个静压微孔的频响对比图；图7为本专利技术的信号解调系统图；附图标记：1-氮化硅膜，2-氮化硅膜硅基底，3-增透介质膜，4-金属套管，5-毛细玻璃管，6-单模光纤，7-金属套管静压孔，8-光源，9-环形器，10-基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，11-波分复用器，12-耦合器，13-光电探测器，14-数据采集卡，15-计算机。具体实施方式下面结合附图以及实施例对本专利技术作进一步详细说明：结合图1，图2所示，图1显示了氮化硅MEMS膜的侧面结构示意图，图2为氮化硅MEMS膜正面显微照片。图3为基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀传感器的横截面结构示意图。它的制作过程是先将毛细玻璃管5(用来支撑单模光纤)插入开了等间距排布的静压微孔的金属套管4中固定；然后在金属套管4开孔那端的端面粘上氮化硅MEMS膜；再将单模光纤6的端面切平，插入干净的毛细玻璃管5中，用平移台调节好所需的腔长；再在单模光纤的另一端使用紫外胶使单模光纤6和毛细玻璃管5固定。至此，整个基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀传感器制作完成如图3所示。在金属套管4形成法珀腔位置的侧壁圆周方向上分别等间距设置的2、4、8个静压微孔结构(如图4所示)。氮化硅MEMS膜L＝1.9mm，环状方形沟道数量为5个，厚度为400nm；增透介质膜厚度为400nm,R＝0.4L。本实施例的氮化硅MEMS薄膜在没加增透介质膜3时的反射率大约为30％-40％，而在加了增透介质膜3后的反射率大约为10％，此两种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，包括氮化硅MEMS膜、毛细玻璃管、单模光纤和金属套管，其特征在于：所述金属套管包括大小两种口径，小口径部分用于固定毛细玻璃管，大口径一端用于粘贴氮化硅MEMS膜以形成光纤法珀腔；毛细玻璃管用于支撑插入其中的单模光纤，其自身插入金属套管中的小口径部分固定；单模光纤端面和氮化硅MEMS膜组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质；氮化硅MEMS膜和单模光纤端面保持平行，距离为50～100微米；所述氮化硅MEMS膜由周期性环状方形波纹氮化硅膜和增透介质膜构成，增透介质膜设置在周期性环状方形波纹氮化硅膜的中心位置，以降低氮化硅膜的表面反射率，使得氮化硅MEMS膜的表面反射率和光纤端面的反射率达到匹配；所述增透介质膜对氮化硅膜的反射率降低了20％‑25％，为沉积在氮化硅膜中心直径为R的圆，0.4L

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化硅MEMS膜的光纤法珀声波探头，包括氮化硅MEMS膜、毛细玻璃管、单模光纤和金属套管，其特征在于：所述金属套管包括大小两种口径，小口径部分用于固定毛细玻璃管，大口径一端用于粘贴氮化硅MEMS膜以形成光纤法珀腔；毛细玻璃管用于支撑插入其中的单模光纤，其自身插入金属套管中的小口径部分固定；单模光纤端面和氮化硅MEMS膜组成法珀腔的两个反射面，空气作为腔体介质；氮化硅MEMS膜和单模光纤端面保持平行，距离为50～100微米；所述氮化硅MEMS膜由周期性环状方形波纹氮化硅膜和增透介质膜构成，增透介质膜设置在周期性环状方形波纹氮化硅膜的中心位置，以降低氮化硅膜的表面反射率，使得氮化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宇，陆雪琪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51