[发明专利]一种集成光纤声波传感器

说明书

本发明提供了一种集成光纤声波传感器，包括光纤器件、弹性悬膜、以及声波挡板，弹性悬膜表面具有微孔阵列，其中每个微孔对应一个声波传感单元；声波挡板用于反射声波，以识别声波的传播方向；光纤器件射出的光束，入射到弹性悬膜上的微孔。本发明的弹性悬膜是一个独立的整体，便于在悬膜上加工各种微结构，易于制备传感单元阵列；本发明的微孔可以独立振动，而且光纤器件阵列垂直正对微孔阵列，器件集成度高；本发明的集成传感单元阵列，通过对比不同传感单元的信号，易于消除外界干扰；本发明的微孔结构，通过协同减小微孔悬膜的直径和厚度，不仅能同时提高传感器的灵敏度和响应频率，还有利于提高集成度、增加光束平行度、增加灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种集成光纤声波传感器，该光纤声波传感器可用于检测在气体、液体以及固体中传输的声波和振动。

背景技术

光纤传感器是以光为载体、光纤为传输媒介，来感知和传输外界信号，具有高灵敏度，并且适用于易燃、易爆及电磁干扰等环境(IEEE Sensors Journal,vol.8,pp.1184-1193,2008)。

光纤声波传感器的工作原理，通常分为相位检测和强度检测：

(1)相位检测：将声波信号转换成光波的相位信号，然后采用迈克尔逊(或Mach-Zehnder等)干涉仪来解调相位信号，因此检测系统昂贵笨重；并且，相位与波长成反比，而激光器波长对温度敏感，因此波长温漂的影响很大。

(2)强度检测：将声波信号转换成光波的强度信号，光强信号的检测系统具有轻便和低成本的优势；但是，检测灵敏度较低，而且传输损耗对强度信号会产生干扰，不适合远距离传输。

发明专利“一种光纤压力传感器及其制备方法”(201110419923.7)提出了一种新的强度检测原理——基于悬膜偏心反射结构的准直光偏角检测，可大幅提高强度检测的灵敏度(Applied Optics,vol.58,pp.7774,2019)。但是，如何实现可集成的光纤声波传感器，并消除外界干扰这一传统痼疾(包括环境温度和传输损耗的干扰)，仍然是当前面临的挑战。此外，如何识别声波的传播方向(即声波的矢量检测)也是面临的另一挑战。

因此，研发可集成的高性能光纤声波传感器，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成光纤声波传感器。

本发明的技术方案：

一种集成光纤声波传感器，包括光纤器件、弹性悬膜以及声波挡板；弹性悬膜上表面具有微孔阵列，其中每个微孔对应一个声波传感单元；声波挡板设置在弹性悬膜上表面，位于微孔周围，用于反射声波或聚焦至微孔底部，以识别声波的传播方向；光纤器件位于弹性悬膜下方，其射出的光束，入射到弹性悬膜上的微孔。

所述弹性悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形，其材质包括金属、塑料、陶瓷、玻璃、半导体(如硅和氮化镓)或石英。其中，优选圆形的石英膜或硅膜。

所述弹性悬膜通过刻蚀减薄弹性悬膜的局部区域，在其表面制备微孔，微孔未穿透弹性悬膜。

所述弹性悬膜还可以由一层柔性薄膜与另一层带孔薄膜贴合而成，从而形成微孔结构。其中，柔性薄膜的厚度，优选小于带孔薄膜的厚度。

所述微孔的底部厚度小于弹性悬膜的厚度，因此微孔底部区域可视为厚度减薄的悬膜(以下简称“微孔悬膜”)，从而每个微孔可作为声波传感单元。随着微孔悬膜的减薄，可以降低不同微孔悬膜之间的相互影响，因此每个微孔悬膜可独立振动(或接近独立振动)，从而成为独立的传感单元。微孔可在弹性悬膜任意一侧的表面上制备(如弹性悬膜的上表面或下表面)。

所述微孔的形状包括三角形、方形、矩形、多边形以及圆形(优选圆形)，其直径介于1微米至1厘米之间(优选50微米至1毫米之间)。