光学声敏元件以及包括其的光学声传感器制造技术

一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器，该光学声敏元件包括：拾音结构和光学检测结构。拾音结构包括支座、拾音膜片和支撑梁，拾音膜片通过至少一根支撑梁固定于支座上，由拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，拾音膜片具有一位于非封闭腔体内的反光面。光学检测结构用于发出光信号并使光信号照射至该反光面上进行反射，以及接收被该反光面反射的光信号；其中，拾音膜片感应声信号而产生机械振动，从而对光信号在被光学检测结构接收前进行调制。本发明专利技术的结构设计能放大拾音膜片感应外界声信号所产生的最大位移，结合光学检测方法能有效增强元件声响应灵敏度，尤其适用于对微弱声波的高灵敏度低噪声探测。

Optical Acoustic Sensors and Optical Acoustic Sensors Including Optical Acoustic Sensors

【技术实现步骤摘要】
光学声敏元件以及包括其的光学声传感器
本专利技术涉及光学传感
和声波探测领域，尤其涉及一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器。
技术介绍
传统的声传感器为电学量传感器，主要包括电容式、电磁式及压阻式。电学量声传感器易受电磁干扰，灵敏度较低。与电学量声传感器比较，基于光学测量原理的声传感器抗电磁干扰能力强、灵敏度高、适合微弱声信号探测，能够在复杂电磁环境中可靠工作。这些优点使得光学声传感器在工业、交通、公共安全、医疗等领域具有广阔的应用前景。光学声传感器适用于环境噪声监测、油气水输送管道泄漏检测、机械设备故障诊断、电力、电机等设备运行状况的在线监测与故障预警，低小慢飞行物的探测与定位，以及医疗核磁影像诊断过程中的语言通信等。目前，光学声传感器已经在国内外引起高度重视和广泛研究。光学声传感器通常由拾音膜片和光学检测结构组成，其灵敏度直接依赖于入射光在拾音膜片上的照射区域的振幅，该振幅越大，灵敏度越高。在制作光学声传感器的过程中，灵活调节入射光在拾音膜片上的照射位置，使其位于拾音膜片的最大振幅区域，这样就能使传感器获得最大灵敏度。现有的光学声传感器普遍采用周边紧固的拾音膜片制作而成，这种周边紧固结构使得拾音膜片在受迫振动时受到的阻尼很大，产生的振幅很小，尤其是在拾音膜片较厚的情况下，即使是其最大振幅也非常小。由此可见，周边紧固的拾音膜片会严重制约光学声传感器的灵敏度，从而使得传感器在探测极微弱声信号的时候，传感器信号很容易被噪声淹没。现实生活中，尤其针对微弱声信号探测，高灵敏度光学声传感器具有广泛的重要的应用需求，这种应用需要目前还得不到满足。专利技术内容鉴于上述技术问题，本专利技术主要目的在于提供一种光学声敏元件以及包括其的光学声传感器，以至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。作为本专利技术的一个方面，提供了一种光学声敏元件，包括拾音结构和光学检测结构，其中：拾音结构，包括支座、拾音膜片和支撑梁，其中，所述拾音膜片通过至少一根所述支撑梁固定连接于所述支座上，由所述拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，所述拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，所述拾音膜片具有一位于所述非封闭腔体内的反光面；光学检测结构，用于发出光信号并使光信号照射至所述非封闭腔体内的反光面上进行反射，以及接收被所述反光面反射的光信号；其中，所述拾音膜片感应声信号而产生机械振动，所述机械振动对所述光信号在被所述光学检测结构接收前进行了调制。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑梁与拾音膜片形成共面结构；作为优选，所述支撑梁和拾音膜片为材质相同的一体式结构。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑梁通过键合或胶粘方式固定于所述支座上；或者所述支撑梁和支座为材质相同的一体式结构。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑梁与所述拾音膜片形成非共面结构。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片通过键合或胶粘方法固定于所述支撑梁上。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑梁与支座为材质相同的一体式结构。在本专利技术的一些实施例中，所述光学检测结构发出的光信号在所述拾音膜片反光面上的照射区域是拾音膜片振动幅度最大的区域。在本专利技术的一些实施例中，所述支撑梁的数量为1，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的远离支撑梁的一端部；或者所述支撑梁的数量大于1，固定于拾音膜片的周缘且呈均匀分布，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的中心区域。在本专利技术的一些实施例中，所述光学检测结构是法布里-珀罗干涉检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿原路反射回到光学检测结构。在本专利技术的一些实施例中，所述光学检测结构包括单模光纤，所述单模光纤的一端面经光学抛光后设置于非封闭腔体内，使得所述端面与所述拾音膜片的反光面相对且相距不足1mm，由所述拾音膜片的反光面与所述端面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔；或者所述光学检测结构包括平面光栅，所述平面光栅既能产生反射衍射又能产生透射衍射，所述平面光栅设置于所述非封闭腔体内，使得所述平面光栅的上表面与所述拾音膜片的反光面相对且相距小于1mm，由所述平面光栅的上表面与所述反光面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔。在本专利技术的一些实施例中，所述光学检测结构是反射光强度检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿不同路径反射回到光学检测结构。在本专利技术的一些实施例中，所述光学检测结构包括两根光纤，倾斜地设置于非封闭腔体内，并以拾音膜片的法线为基准对称，分别用于发出光信号以及接收被所述反光面反射的光信号。，在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片为具有弹性的膜片。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片为由单一材料形成的均匀膜片，优选为硅膜片、金属膜片、玻璃膜片或有机聚合物膜片。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片为由多种材料形成的多层膜片或复合膜片，优选为硅-金属双层膜片、硅-玻璃双层膜片、硅-有机聚合物双层膜片、Si-Si3N4双层膜片、金属-玻璃双层膜片、金属-有机聚合物双层膜片或玻璃-有机聚合物双层膜片。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片，其形状为圆形或多边形；当所述拾音膜片的形状是多边形时，所述拾音膜片与支撑梁的连接点是多边形的一条边的中点或者是多边形的一个顶点。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片的与反光面相对的外表面的部分区域被刻蚀成为多个凹槽结构，而在所述外表面未被刻蚀的区域形成网格状的支撑骨架。在本专利技术的一些实施例中，所述拾音膜片的刻蚀区域的厚度为1～10μm，所述拾音膜片的未刻蚀区域的厚度为10～200μm；所述拾音膜片的刻蚀区域面积占拾音膜片的外表面面积的50～80％。作为本专利技术的另一个方面，提供了一种光学声传感器，包括如上所述的光学声敏元件，作为声传感探头。在本专利技术的一些实施例中，所述光学声传感器还包括光电探测器，用于将被所述光学声敏元件的光学检测结构接收的光信号转化为电信号而输出。从上述技术方案可知，本专利技术公开的方法具有以下优点：(1)与常规光学声敏元件相比，本专利技术利用支撑梁支撑拾音膜片的结构能够放大声敏元件对声波的响应，灵敏度高。(2)与常规光学声敏元件相比，本专利技术光学声敏元件采用非封闭腔体，不需要专门设置均压孔，简化了制作工艺。附图说明图1A～图1E为根据本专利技术第一实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；图2为图1A所示的拾音结构的立体图；图3为根据本专利技术第一实施例基于光纤法布里-珀罗干涉检测结构的光学声敏元件的剖视图；图4A～图4B为根据本专利技术第一实施例光学声敏元件的光信号在拾音膜片反光面上的照射区域示意图；图5A～图5F为根据本专利技术第二实施例光学声敏元件的拾音结构的顶视图；图6为图5D所示的拾音结构立体图；图7为根据本专利技术第二实施例基于光栅法布里-珀罗干涉检测结构的光学声敏元件的剖视图；图8A～图8B为根据本专利技术第三实施例光学声敏元件的拾音结构的立体图；图9为根据本专利技术第三实施例基于双光纤反射光强度检测结构的光学声敏元件的剖视图；图10A为根据本专利技术第四实施例采用光栅法布里-珀罗干涉检测结构和图1D所示的拾音结构构成的光学声敏元件对1000Hz空气声波的时域响应曲线；图10B为对图10A所示的实测时域响应结果进行FFT变换得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学声敏元件，包括拾音结构和光学检测结构，其特征在于：拾音结构，包括支座、拾音膜片和支撑梁，其中，所述拾音膜片通过至少一根所述支撑梁固定连接于所述支座上，由所述拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，所述拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，所述拾音膜片具有一位于所述非封闭腔体内的反光面；光学检测结构，用于发出光信号并使光信号照射至所述非封闭腔体内的反光面上进行反射，以及接收被所述反光面反射的光信号；其中，所述拾音膜片感应声信号而产生机械振动，所述机械振动对所述光信号在被所述光学检测结构接收前进行了调制。

【技术特征摘要】
1.一种光学声敏元件，包括拾音结构和光学检测结构，其特征在于：拾音结构，包括支座、拾音膜片和支撑梁，其中，所述拾音膜片通过至少一根所述支撑梁固定连接于所述支座上，由所述拾音膜片与支座形成一非封闭腔体，所述拾音膜片面积大于所有支撑梁面积之和，所述拾音膜片具有一位于所述非封闭腔体内的反光面；光学检测结构，用于发出光信号并使光信号照射至所述非封闭腔体内的反光面上进行反射，以及接收被所述反光面反射的光信号；其中，所述拾音膜片感应声信号而产生机械振动，所述机械振动对所述光信号在被所述光学检测结构接收前进行了调制。2.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁与拾音膜片形成共面结构；作为优选，所述支撑梁和拾音膜片为材质相同的一体式结构；作为优选，所述支撑梁通过键合或胶粘方式固定于所述支座上；作为优选，所述支撑梁和支座为材质相同的一体式结构。3.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述支撑梁与所述拾音膜片形成非共面结构；作为优选，所述拾音膜片通过键合或胶粘方法固定于所述支撑梁上；作为优选，所述支撑梁与支座为材质相同的一体式结构。4.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构发出的光信号在所述拾音膜片反光面上的照射区域是拾音膜片振动幅度最大的区域；作为优选，所述支撑梁的数量为1，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的远离支撑梁的一端部；作为优选，所述支撑梁的数量大于1，固定于拾音膜片的周缘且呈均匀分布，所述光学检测结构发出的光信号在所述反光面上的照射区域位于拾音膜片的中心区域。5.根据权利要求1所述的光学声敏元件，其特征在于，所述光学检测结构是法布里-珀罗干涉检测结构，由所述光学检测结构发出的光信号照射到所述拾音膜片的反光面后沿原路反射回到光学检测结构；作为优选，所述光学检测结构包括单模光纤，所述单模光纤的一端面经光学抛光后设置于非封闭腔体内，使得所述端面与所述拾音膜片的反光面相对且相距不足1mm，由所述拾音膜片的反光面与所述端面构成所述法布里-珀罗干涉检测结构的干涉腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁志美，张萌颖，任迪鹏，马振钧，高然，蔡宸，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11