[发明专利]一种MEMS光纤水听器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种MEMS光纤水听器及其制作方法，属于光纤传感领域。水听器主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8，其敏感结构采用梁支撑/圆形薄膜+质量块形式，旨在降低敏感结构的阻尼比、提高敏感结构的谐振响应、增加珐珀腔的平整度、克服温度和气压对珐珀腔初始腔长的影响；预定义刻蚀截止层旨在降低敏感结构的制造难度，突破敏感结构制造时的厚度限制，简化敏感结构的制造工艺，实现超薄敏感结构的高保真制造。

所属领域

本发明属于光纤传感领域，主要涉及微加工技术，光纤传感技术以及珐珀干涉技术等。

背景技术

电磁波能在空气和真空中高速远距离传播，是空间信息传递和超视距探测的有效工具，但它在水下的传播损耗比声波约大3个数量级，很难作为水下信息的有效载体，因此声波是水下主被动探测的最有效媒介。目前，水下声波探测主要以基于压电材料的压电式水听器为主，但压电式水听器存在许多固有的缺点和不足，①是它复用性差，多点同时检测将极大地增加系统的复杂性；②是易受电磁干扰，电磁干扰一直是困扰压电式水听器稳定工作的难题；③是信号不稳定、传输距离小，一般不超过10米；④是不耐高温，超过60℃的居里点，多数压电材料的压电效应会自行消失。光纤珐珀水听器是一种基于珐珀干涉原理将被测声波转变为干涉光强或者峰值波长变化的高性能水听器，其具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥感遥测等特点。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是集微纳机械、微纳传感与微纳驱动于一体的多功能化与智能化系统，借助其独特的加工优势可批量化低成本地制造接受声波激励的高性能敏感结构，基于MEMS技术的光纤珐珀水听器能够大幅度提高水听器的灵敏度、降低成本，有望成为下一代水下主被动探测的理想水听器。

2014年，日本东京工业学院的Kyung-SuKim等人提出了一种使用圆形多层介质膜作为敏感结构的光纤珐珀水听器(Ultrasonics,2014,vol.54(4),pp.1047-1051)，多层介质膜可以增加珐珀腔的干涉品质，进而增加传感器的响应灵敏度，但敏感结构的制作方法复杂，精确控制敏感结构厚度的工艺难度大。2016年，美国斯坦福大学的CatherineJan等人提出了一种基于光子晶体的光纤珐珀水听器(IEEEPhotonic.Tech.L.,2016,vol.28(2),pp.123-126)，其使用方形的硅膜作为接受声波激励的敏感结构，并在硅膜上制作了光子晶体来增加硅表面的反射率，这种方法可以提高珐珀腔的干涉品质，进而提高传感器的灵敏度，但敏感结构的制造工艺复杂，成本高。2016年，天津大学的JinyuMa等人提出了一种使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的光纤珐珀水听器(Opt.Express,2016,vol.24(17),pp.19008-19019)，敏感结构采用圆形薄膜，PDMS既作为敏感结构也作为构建珐珀腔的间隔层，这种水听器具有较高的性能，但它难以进行工业化批量制造。2018年，东北大学的ZhaoYong等人也提出了一种使用PDMS制作的光纤珐珀水听器(Sensor.Actuat.A-Phys.,2018,vol.270,pp.162-169)，敏感结构同样使用圆形薄膜，但它只使用PDMS作为接受声波激励的敏感结构，而构建珐珀腔的间隔层使用了中空的光纤，这种方法制作的光纤珐珀水听器体积较小，灵敏度也相对较高，但它在精确控制膜片厚度上有较大的难度，很难进行工业化批量生产。总之，相关研究设计的敏感结构多为圆形薄膜，结构单一，且敏感结构的制造工艺复杂，精确控制敏感结构厚度的工艺难度较大。

本发明提出了一种MEMS光纤珐珀水听器及其制作方法，敏感结构采用梁支撑/圆形薄膜+质量块形式，能够大幅度降低敏感结构的阻尼比、提高敏感结构的谐振响应、增加珐珀腔的平整度、克服温度和气压对珐珀腔初始腔长的影响，在敏感结构制造时通过预定义刻蚀截止层的方法，突破了传统加工方法在加工敏感结构时的厚度限制，显著降低了敏感结构的厚度和制造难度，实现了超薄敏感结构的高保真制造。

发明内容

发明目的