CN103528665A - 一种新型法布里-帕罗干涉型mems声波传感器 - Google Patents

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金长江
师廷伟
王素青
刘勇
张健
李迎春
李晓林
张方
相征
杨军
杜伟梁
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Abstract

本发明公开了一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，包括准直器、SOI晶片和设置在SOI晶片下面用于支撑SOI晶片和固定准直器的套管，所述的SOI晶片上加工有声敏感薄膜，所述套管的中心轴线与SOI晶片上圆形硅膜的中心法线重合，所述***套管的光纤准直器端面距离声敏感薄膜的距离为100~300微米。本发明利用带尾纤的光纤准直器端面与硅微薄膜内表面构成法布里-帕罗干涉仪的两个平行面，当外界声波产生的压力作用到薄膜上时将导致薄膜发生形变，从而改变法布里-帕罗干涉腔的腔长。通过对F-P腔长变化量的解调实现对声波信号探测，从而为强电磁干扰环境下提供一种抗干扰能力强、微型化、高灵敏度的传声器。

Description

一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器
技术领域
    本发明涉属于传声器技术领域，尤其涉及一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器。
背景技术
声波是物体的振动在媒质的传播，而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。近年来，从民用的基于超声诊断的医疗设备，到军事应用中对潜艇目标的探测，声波传感器已经广泛应用各个领域。随着对声波信号的不断探索，未来声波探测器在民用和军事领域的作用将会更加重要。
目前，利用MEMS工艺制作的声波传感器主要有几种技术体制。一、MEMS压电型声波传感器。该麦克风采用压电材料感应外界的声压信号，从而将声压信号转化为电压信号。二、电容式声学腔声波传感器。当声压信号作用于该传感器的薄膜上时，薄膜发生形变使声学腔内的电容发生变化，通过求解电容的变化量和声压之间的关系来还原声音信号。三、光纤薄膜反射式传声器。在专利号201010101144.8中公开了一种光纤麦克风。这种器件是用薄膜感受声音信号的振动，从而导致经过精细研磨的光纤端面到振动薄膜的距离发生变化，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。
但是，上述的几类MEMS传声器都存在几个问题。MEMS压电式传感器由于材料的限制灵敏度较低，而且抗电磁干扰能力差；电容式传声器一般采用带声学腔的电容检测装置，其中包括弹性振动膜，检测电容等结构复杂的器件，所以结构比较复杂，由此不仅造成的加工难度较大，此类传声器同样存在抗电磁干扰能力差的缺点。反射式光纤麦克风结构中的光源功率噪声很大程度上影响了反射光强，此外均匀厚度反射薄膜在形变作用导致薄板曲率发生变化，从而反射至光纤中光功率耦合效率不稳定，也带来了输出光信号的不稳定。
发明内容
 本发明的目的是提供一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，体积小、抗干扰能力强，且在强电磁干扰环境下稳定性高。
 本发明采用下述技术方案：
一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，包括准直器、SOI晶片和设置在SOI晶片下面用于支撑SOI晶片和固定准直器的套管，所述的SOI晶片上加工有声敏感薄膜，所述的准直器固定在套管上，并与其套接且准直器的上端面与声敏感薄膜内表面构成法布里-帕罗干涉仪的两个平行面，两个平行面与SOI晶片的基体构成一个干涉腔；所述套管的中心轴线与SOI晶片上圆形硅膜的中心法线重合，所述***套管的光纤准直器端面距离声敏感薄膜的距离为100~300μm。
所述声敏感薄膜的中心设置有一圆形凸台，圆形凸台的厚度与声敏感薄膜厚度相等，直径不小于光纤直径。
所述的声敏感薄膜的厚度为2~4μm，半径不大于1000μm。
所述的声敏感薄膜的外缘基底上刻蚀有多个通孔。
所述的准直器与环形套筒上加工有轴向通孔。
所述的通孔为4个。
所述的准直器包括玻璃管和设置在玻璃管两端的透镜和尾纤，所述的尾纤通过玻璃管连接透镜。
本发明利用带尾纤的光纤准直器端面与硅微薄膜内表面构成法布里-帕罗干涉仪的两个平行面，当外界声波产生的压力作用到薄膜上时将导致薄膜发生形变，从而改变法布里-帕罗干涉腔的腔长。通过腔长的变化量与作用在薄膜上的声波振动信号的关系，对F-P腔长变化量的解调实现对声波信号探测。从而为强电磁干扰环境下提供一种抗干扰能力强、微型化、高灵敏度的传声器。
 
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述硅膜的俯视图；
图3本发明一个使用过程中的***连接图。
具体实施方式
如图1所示，一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，包括准直器、SOI晶片和设置在SOI晶片下面用于支撑SOI晶片和固定准直器的套管，由于准直器等均为圆筒状，所以套管为环形套管10。所述的环形套管10为SOI晶片基底提供支撑作用，通过紫外胶将两者粘合在一起，其中环形套管10的中心轴线和SOI晶片上的圆形硅膜的中心法线重合，环形套管10的直径大于光纤准直器的直径。SOI晶片上通过光刻、腐蚀、氧化加工有声敏感薄膜1，所述声敏感薄膜1的中心设置有一圆形凸台2，圆形凸台2的厚度与声敏感薄膜1厚度相等，直径不小于光纤直径。
本发明提供的这种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，利用硅材料的力学特性，采用硅微加工工艺，可以直接在SOI晶片上一次加工成型多个硅声波敏感薄膜单元，保证敏感单元的声波响应性能一致性,而且通过设计厚度为微米级的圆形硅膜，硅膜的中心位置较厚，形成了一个小半径的凸台结构，该结构保证了硅膜发生形变时中心光敏反射区曲率变化不大，保持信号光反射强度相对稳定。硅膜外边缘保持了晶片原有厚度，并在所述的SOI晶片上的声敏感薄膜的外缘基底上刻蚀有四个通孔，以使得硅膜结构件和玻璃套管在胶合的过程中内外压差尽快释放，保证干涉腔内外压力平衡。上述硅膜的制作采用“三明治”结构的SIO晶片，利用硅和氧化硅在不同的腐蚀液或者深硅刻蚀下刻蚀速度不同，易于控制声敏感硅膜的厚度，此外由于硅/二氧化硅界面由同种表面平坦的材料通过键合而成，在腐蚀二氧化硅层5后，可以获得平坦的硅表面，使表面具有良好镜面效果。在制作过程中，先对SOI 晶片进行光刻形成二维的图形，然后采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对硅材料进行物理或化学方法的加工形成三维的结构，使薄膜振动谐振频率控制在30kHz以内，声敏感薄膜的厚度为2~4μm，半径不大于1000μm。
所述的准直器包括玻璃管8和设置在玻璃管8两端的透镜7和尾纤9，所述的尾纤9通过玻璃管8连接透镜7。所述的准直器的作用是将从光纤端面发出的激光光束准直，使其具有很好的光束质量，光束在一定的范围内（工作长度）形状良好。准直器工作距离大于1mm，其前端的自聚焦透镜7表面镀半透半反的光学膜，连接准直器的光纤工作波长1550nm的单模尾纤9。
所述的准直器固定在环形套管10上，并与其套接且准直器的上端面与声敏感薄膜1内表面构成法布里-帕罗干涉仪的两个平行面，两个平行面与SOI晶片的基体6构成一个干涉腔；所述环形套管10的中心轴线与SOI晶片上声敏感薄膜1的中心法线重合，光纤准直器***环形套管10，所述的准直器的***声敏感薄膜1的一端与声敏感薄膜1之间的距离为100~300μm，即法布里-帕罗干涉腔腔长，通过观察干涉光谱相邻峰值之间间距可以确定自由光谱范围，根据自由光谱范围和干涉腔腔长之间的计算关系式                                                
Figure 481786DEST_PATH_IMAGE001
得到薄膜和准直器端面距离，即法布里-帕罗干涉腔腔长。一般情况设计为100μm左右，这样既保证自由光谱区的范围，也能保证较小的法布里-帕罗干涉腔腔内的损耗。
所述的环形套管10固定支撑硅膜，在光学显微镜下观察环形套管10与SOI片基底层6，使两者中心对准，采用紫外固化胶黏合在一起。环形套管10的内径略大于准直器玻璃管8，以使准直器***环形套管10内。区别于采用斐索干涉腔制作的声波传感器，斐索干涉腔的特点是镀膜反射端面，以提高反射进入光纤的光强，但会改变薄膜的机械结构，降低薄膜响应声波的灵敏度，本实施例中采用硅膜本征反射特性，其反射率达到30%。
本发明与光源、光电探测器、信号放大和解调单元组成完整的声波传感器***，最终通过检测微弱电压信号，将受调制的光信号还原出原始声波信号。如图4所示。本发明所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器14通过单模光纤12与X型光纤耦合器13连接，光纤耦合器13另外一端连接半导体激光器11，其输出的激光信号经过耦合器13后分为两路，一路输出至传感单元，另外一路作为光源强度反馈臂连接光电探测器15，光纤传声器干涉光信号反射输出至光电探测器17，光电探测器15与17输出的信号直接与信号检测下同16 连接，形成带有光强反馈式的光纤传感器信号解调***，这样大大降低了光源噪声对干涉强度解调带来的噪声，提高光纤传感器***的信噪比。
本发明采用光纤准直器为法布里-帕罗平行板干涉的参考光，从受声波调制的信号光中解调出声波信号，该传感器区别于平行板电容式声波传感器，探头部分采用全光结构，无需电信号参与，具有天然的抗电磁干扰的能力，另外，采用稳定性高的激光器，保证传感器输出稳定的干涉条纹，提高声波传感器的稳定性。
本发明提供的法布里-帕罗干涉腔采用内外平衡的通气孔结构，可以在硅膜外缘的基底上直接刻蚀通孔结构，或在准直器与环形套筒上加工轴向通孔，这样避免了顶部固定有环形套管与准直器制作过程中由于温度变化产生内外压力不平衡导致声敏感薄膜变形甚至破裂。

Claims (7)

1.一种新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：包括准直器、SOI晶片和设置在SOI晶片下面用于支撑SOI晶片和固定准直器的套管，所述的SOI晶片上加工有声敏感薄膜，所述的准直器固定在套管上，并与其套接且准直器的上端面与声敏感薄膜内表面构成法布里-帕罗干涉仪的两个平行面，两个平行面与SOI晶片的基体构成一个干涉腔；所述套管的中心轴线与SOI晶片上圆形硅膜的中心法线重合，所述***套管的光纤准直器端面距离声敏感薄膜的距离为100~300μm。
2.根据权利要求1所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述声敏感薄膜的中心设置有一圆形凸台，圆形凸台的厚度与声敏感薄膜厚度相等，直径不小于光纤直径。
3.根据权利要求1所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述的声敏感薄膜的厚度为2~4μm，半径不大于1000μm。
4.根据权利要求1所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述的声敏感薄膜的外缘基底上刻蚀有多个通孔。
5.根据权利要求4所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述的通孔为4个。
6.根据权利要求1所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述的准直器与环形套筒上加工有轴向通孔。
7.根据权利要求1-6任一所述的新型法布里-帕罗干涉型MEMS声波传感器，其特征在于：所述的准直器包括玻璃管和设置在玻璃管两端的透镜和尾纤，所述的尾纤通过玻璃管连接透镜。
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