一種光纖微型水聽器的製作方法

2024-03-25 03:50:05

本發明光纖微型水聽器屬於聲壓傳感器技術領域。

背景技術：

現階段，出現了一類膜片式光纖F-P(法布裡珀羅)水聽器，在原理上具有靈敏度高、響應速度快的技術優勢。這類水聽器的特點是敏感膜片和光纖端面構成F-P腔，外界聲壓信號會使敏感膜片發生振動，進而改變F-P腔的腔長，導致反射光信號發生變化，通過檢測該變化，即可實現對外界聲壓相關信息的檢測。

水聽器的性能與膜片直接相關。目前，這類水聽器的膜片為矽、二氧化矽、氮化矽或PET材料製作的平膜，這些膜片應用在膜片式光纖F-P水聽器中，會有以下問題：

第一、對於膜片材料而言，基於矽、二氧化矽和氮化矽材料的膜片加工工藝複雜，製作周期長，成本高；而基於PET材料的膜片因加工工藝的原因導致厚度無法降低，降低了機械靈敏度；

第二、對於平膜結構而言，外界壓力會使平面變成非平面，面形的誤差會直接傳遞到反射光信號中，使反射光信號存在誤差，這又降低了檢測的準確性。

技術實現要素：

針對膜片式光纖F-P(法布裡珀羅)水聽器膜片材料與膜片形狀的問題，本發明公開了一種光纖微型水聽器；通過改變平膜材料，解決基於矽、二氧化矽和氮化矽材料的膜片加工工藝複雜，製作周期長，成本高的問題，以及基於PET材料的膜片因加工工藝的原因導致厚度無法降低，降低了機械靈敏度的問題；通過改變膜片形狀，解決了面形誤差傳遞到反射光信號中，使反射光信號存在誤差，降低檢測的準確性的問題。

本發明的目的是這樣實現的：

一種光纖微型水聽器，包括四層結構，第一層是膜片，所述膜片為PDMS平膜或PET紋膜，第二層是中心有圓形通孔的第一支撐層，第三層是中心有圓形通孔的第二支撐層，第四層是中心有圓形通孔、邊緣有通氣孔的第三支撐層；膜片、第一支撐層、第二支撐層和第三支撐層依次中心對準鍵合在一起；第一支撐層、第二支撐層和第三支撐層的圓形通孔直徑依次減小，呈階梯狀排列；在第三支撐層的圓形通孔中安裝有插芯，所述插芯由固化膠固定在第三支撐層的頂部，插芯的中心插有光纖，所述光纖由固化膠固定在插芯上，光纖的端面研磨平整；從膜片到光纖端面為F-P腔；膜片在外界聲壓作用下產生振動，引起F-P腔長的變化，進而導致反射光信號變化，從而檢測外界聲壓相關信息。

上述光纖微型水聽器，在PDMS平膜或PET紋膜中間鍍有金屬層。

以上光纖微型水聽器，所述PET紋膜為中間平整、邊緣帶有褶皺波紋的結構；所述中間平整部分的直徑大於光纖的直徑，中間平整部分到光纖端面為F-P腔；所述褶皺波紋的截面形狀為周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。

以上光纖微型水聽器，所述PET紋膜的加工方法包括以下步驟：

步驟a、在基底上塗一層光刻膠，所述基底是平面單晶矽基底或平面玻璃基底；

步驟b、利用光刻方法，將光刻掩模版上的波紋結構轉移到光刻膠上；

步驟c、利用反應離子刻蝕技術刻蝕基底，將光刻膠上的波紋結構轉移到基底上；如果：

基底是單晶矽，刻蝕氣體為六氟化硫；

基底是玻璃，刻蝕氣體為三氟甲烷；

步驟d、以步驟c得到的帶有波紋結構的基底為壓印模板，利用熱固化膠遇熱流動的特性填充壓印模板，液態的熱固化膠擠壓PET膜片得到PET紋膜，脫模後得到PET波紋膜片。

有益效果：

第一、對於基於矽、二氧化矽和氮化矽材料的膜片加工工藝複雜，製作周期長，成本高的問題，本發明採用了PDMS材料，簡化了加工工藝，減少了製作周期，降低了製作成本。

第二、對於基於PET材料的膜片因加工工藝的原因導致厚度無法降低，降低了機械靈敏度的問題，本發明採用了PDMS材料，利用其表面張力小的特點，配合第三支撐層邊緣有通氣孔的結構設計，確保PDMS膜片兩側壓力差值小於閾值，使PDMS膜片不易破損的機械特性充分發揮，從而大幅降低膜片的製作厚度，提高了光纖微型水聽器的機械靈敏度。

第三、對於平膜結構在外界壓力下變成非平面，使得反射光信號存在誤差，降低了檢測準確性的問題，本發明又設計出了一套採用PET紋膜作為膜片的技術方案，紋膜結構，可以改善膜片中心點的變形，確保膜片中心在外界壓力下仍然為近似的平面，有效降低反射光信號誤差，有利於提高檢測準確性。

附圖說明

圖1是本發明光纖微型水聽器具體實施例一的結構示意圖。

圖2是本發明光纖微型水聽器具體實施例二的結構示意圖。

圖3是本發明光纖微型水聽器具體實施例三的結構示意圖。

圖4是本發明光纖微型水聽器具體實施例四的結構示意圖。

圖5是PET紋膜褶皺波紋的截面示意圖。

圖6是PET紋膜加工方法的工藝流程圖。

圖7是光刻掩模版的示意圖。

圖中：1PET紋膜、2第一支撐層、3第二支撐層、4第三支撐層、5插芯、6光纖、7固化膠、8金屬層、9基底、10光刻膠、11熱固化膠、12PDMS平膜。

具體實施例

下面結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細描述。

具體實施例一

本實施例的光纖微型水聽器，結構示意圖如圖1所示。該光纖微型水聽器包括四層結構，第一層是膜片，所述膜片為PDMS平膜12，第二層是中心有圓形通孔的第一支撐層2，第三層是中心有圓形通孔的第二支撐層3，第四層是中心有圓形通孔、邊緣有通氣孔的第三支撐層4；膜片、第一支撐層2、第二支撐層3和第三支撐層4依次中心對準鍵合在一起；第一支撐層2、第二支撐層3和第三支撐層4的圓形通孔直徑依次減小，呈階梯狀排列；在第三支撐層4的圓形通孔中安裝有插芯5，所述插芯5由固化膠7固定在第三支撐層4的頂部，插芯5的中心插有光纖6，所述光纖6由固化膠7固定在插芯5上，光纖6的端面研磨平整；從膜片到光纖6端面為F-P腔；膜片1在外界聲壓作用下產生振動，引起F-P腔長的變化，進而導致反射光信號變化，從而檢測外界聲壓相關信息。

具體實施例二

本實施例的光纖微型水聽器，結構示意圖如圖2所示。該光纖微型水聽器包括四層結構，第一層是膜片，所述膜片為PET紋膜1，第二層是中心有圓形通孔的第一支撐層2，第三層是中心有圓形通孔的第二支撐層3，第四層是中心有圓形通孔、邊緣有通氣孔的第三支撐層4；膜片、第一支撐層2、第二支撐層3和第三支撐層4依次中心對準鍵合在一起；第一支撐層2、第二支撐層3和第三支撐層4的圓形通孔直徑依次減小，呈階梯狀排列；在第三支撐層4的圓形通孔中安裝有插芯5，所述插芯5由固化膠7固定在第三支撐層4的頂部，插芯5的中心插有光纖6，所述光纖6由固化膠7固定在插芯5上，光纖6的端面研磨平整；從膜片到光纖6端面為F-P腔；膜片1在外界聲壓作用下產生振動，引起F-P腔長的變化，進而導致反射光信號變化，從而檢測外界聲壓相關信息。

具體實施例三

本實施例的光纖微型水聽器，在具體實施例一的基礎上，進一步限定在PDMS平膜12中間鍍有金屬層8，如圖3所示。

具體實施例四

本實施例的光纖微型水聽器，在具體實施例二的基礎上，進一步限定在PET紋膜1中間鍍有金屬層8，如圖4所示。

對於具體實施例三和具體實施例四需要說明的是，由於F-P腔內信號非常微弱，容易受到噪聲幹擾，因此為了提高信噪比，進而提高光纖微型水聽器的測量精度，需要在不改變環境因素下直接增加信號強度。在PDMS平膜12或PET紋膜1中間鍍有金屬層8的結構設計，利用金屬層8能夠增加PDMS膜片1對入射光的反射率，直接增加F-P腔的信號強度，提高信噪比，進而提高光纖微型水聽器的測量精度。

具體實施例五

本實施例的光纖微型水聽器，在具體實施例二或具體實施例四的基礎上，進一步限定PET紋膜1的結構。所述PET紋膜1為中間平整、邊緣帶有褶皺波紋的結構；所述中間平整部分的直徑大於光纖6的直徑，中間平整部分到光纖6端面為F-P腔；所述褶皺波紋的截面形狀為周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。

在本實施例中，所述褶皺波紋的截面形狀為周期性的矩形，如圖5所示。

具體實施例六

本實施例的光纖微型水聽器，在具體實施例二、具體實施例四或具體實施例五的基礎上，進一步限定PET紋膜1的加工方法，該加工方法的工藝流程圖如圖6所示，包括以下步驟：

步驟a、在基底9上塗一層光刻膠10，所述基底9是平面單晶矽基底或平面玻璃基底；

步驟b、利用光刻方法，將如圖7所示的光刻掩模版上的波紋結構轉移到光刻膠10上；

步驟c、利用反應離子刻蝕技術刻蝕基底9，將光刻膠10上的波紋結構轉移到基底9上；如果：

基底9是單晶矽，刻蝕氣體為六氟化硫；

基底9是玻璃，刻蝕氣體為三氟甲烷；

步驟d、以步驟c得到的帶有波紋結構的基底9為壓印模板，利用熱固化膠11遇熱流動的特性填充壓印模板，液態的熱固化膠11擠壓PET膜片得到PET紋膜，脫模後得到PET波紋膜片1。