一種基于感聲波紋結構的光學式聲傳感器

于洪峰， 王 偉， 王世寧， 史 鑫， 曹永海， 桂永雷

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

目前，傳統的聲壓傳感器主要的有電容式、駐極體式等類型，其中，某些電容式聲傳感器具有較高性能，但匹配電路比較復雜；駐極體式聲傳感器匹配電路簡單，應用方便，但靈敏度比較低，一般在10 mV/Pa左右。傳統的聲壓傳感器抗溫濕能力較弱，不耐電磁環境,由于其原理、結構等自身特點已越來越不能適應某些環境中的使用要求。

基于感聲波紋結構的光學式聲傳感器采用MEMS技術制作聲學敏感結構，采用光學檢測技術檢測聲信號引起的敏感結構中心位移的變化，因此，需將敏感結構與光路結構耦合封裝在一起，即將被測聲信號調制成光路信號。基于感聲波紋結構的光學式聲傳感器與傳統的聲壓傳感器相比具有靈敏度高、頻段寬、動態范圍大、小型化、低功耗、抗電磁干擾等特點[1,2]，可以解決某些聲學測量中無法解決的技術問題。

光纖外徑一般一百多微米，光纖端面發出的光具有一定的發散程度，為保證光纖發射的光為平行光，光纖前端一般加有準直器，加有準直器的光纖外徑約2～3 mm，與殼體封裝后制作的傳感器樣品外形尺寸較大，另外，感聲膜反光面只有幾百微米，感聲微結構與光路結構匹配性較差，使光路損耗較大，影響靈敏度的提高，采用加有準直器的光纖與感聲微結構耦合封裝在一起制作的傳感器樣品，經測試樣品靈敏度為30 mV/Pa。

為減少光路損耗，提高靈敏度，本文采用光纖與感聲膜直接耦合將被測聲信號調制成光學信號[3～5]，因此，需對光纖與微敏感結構耦合技術進行實驗研究，確定最佳的光學參數，保證光路結構與敏感結構的匹配性，以減少光路損耗，實現高分辨率的檢測。

1 傳感器原理與設計

1.1 傳感器原理

本傳感器采用光強度調制技術，其工作原理為光源發出的光經入射光纖傳播射向敏感膜，敏感膜受聲源激勵發生位移變化，導致反射光纖的光強發生變化，經光電檢測與信號處理得到電信號輸出。為減少光路損耗，兩根光纖搭建一定的角度，以保證反射光與入射光的光強比值盡量大，傳感器工作原理見圖1，傳感器結構示意圖見圖2。

圖1 傳感器工作原理示意圖

圖2 傳感器結構示意圖

1.2 光學檢測模型

在光纖與感聲膜片距離很近的情況下，假設發射光纖出射的光為平行光，接收光纖接收的光強為[6]

I=

(1)

式中I為光纖接收的光強，ρ為單位面積上的光功率密度，S0為光纖面積，β為光發射到膜上的入射角，w為膜層上下振動的位移。

由于tanβ為固定值，當光源確定后ρ也為固定值，則由感聲膜的特性可以得到聲壓p與w之間的關系，從而可以得到聲壓與光強之間的關系，實現聲信號檢測。

實際上，光纖端面發出的光并不是理想的平行光，而是有一定的發散程度，其中準高斯型分布假設是目前學術界認為與實際情況最相符的一種，這種分布假設認為光纖端輸出光束既不是均勻分布的幾何光束，也不是純粹的高斯光束，需要綜合兩種近似情況，引入調和函數，通過試驗確定調和函數的值；另外，從公式(1)可知，光強I與感聲膜位移w的關系并非線性，經數學計算，該函數關系在某一區間內近似于線性。因此，需通過實驗繪出光強I與感聲膜位移w函數關系的擬合曲線，力求找到光強與位移呈線性或簡單函數關系的區間，以便于傳感器的設計。

2 光纖與感聲微結構耦合技術實驗

強度調制型光路與敏感結構耦合的2個主要光路參數為光纖入射角和光纖與感聲膜之間的距離，2個參數選擇是否合理將直接影響傳感器的各項性能，因此，通過實驗研究2個參數對光強調制技術的影響。

本實驗將敏感膜片封裝在金屬探頭內部，兩光纖通過光纖調整架固定并且對準敏感膜片，如圖3所示。光源發出的光經入射光纖傳播射向敏感膜，反射的光經出射光纖，并由光功率計測其光強。

本實驗系統的坐標軸如圖4所示。在實驗中，通過調節2個轉動平臺，改變光纖的入射角；通過調節位移平臺，改變光纖與感聲膜之間的距離和光纖的對準位置。本實驗研究入射角分別為30°，45°時，通過調整光纖與感聲膜之間的距離及光纖的對準位置，用不同的組合進行實驗，以求找到信號的變化規律。

圖4中光纖入射角和光纖與膜片的距離YF是光路與敏感結構耦合的2個主要光路參數，通過實驗來確定光路與敏感結構耦合的最佳參數。左、右光纖位置的變化(XL,YL,ZL，XR,YR,ZR)及膜片水平方向的變化(XF)對光纖的對準精度有較大影響，若光纖偏離對準位置，光強損耗將增大，通過實驗確定光纖封裝誤差，即光纖偏離對準位置的程度。

圖3 測試系統的膜片和光纖的結構示意圖

圖4 實驗系統坐標軸的示意圖

通過實驗和對實驗數據的分析研究以下參數關系：

1)不同入射角的光強與位移的關系

入射角45°時，曲線較陡；入射角30°時，曲線較平緩，即入射角越大，光強/位移靈敏度就越高，但相應的線性區寬度也越小，見圖5。經計算，入射角為30°時線性區寬度約為30 μm，光強/位移的靈敏度約為7.2 μW/μm；入射角為45°時該區間約為20 μm，光強/位移靈敏度約為15.2 μW/μm。

圖5 不同入射角的光強與位移的關系

2)光纖封裝誤差的影響

光纖的封裝誤差主要包括封裝結構加工誤差和封裝工藝產生的影響，光纖封裝誤差影響光纖的對準精度，尤其是封裝結構的加工誤差對其影響較大，加工精度應控制在10 μm以內。

通過對光路與微結構耦合技術進行實驗研究可以看出，在某個區間內光功率隨膜片與光纖的位移的變化基本呈線性，即膜片位于此區間內時，接收光強可以很好地表征膜片與光纖位移的大小，最終敏感膜片的位移變化范圍要落在該范圍內才能保證較好的性能。在實際的傳感器中，以聲壓為零時光纖與感聲膜片的相對位置為零點，當受到聲信號激勵時，感聲膜片產生振動，即二者的距離在正負2個方向周期性變化，當膜片的固定位置位于線性區間中點時，傳感器的線性測量范圍最大，性能為最佳。經過多次實驗數據分析計算，曲線線性區間的中點分布在接收光強為最大光強的40 %～50 %處，即恰好為最大光強的50 %附近。因此，在敏感結構與光路組裝時，應盡量保證在零聲壓的初始位置時，接收光纖接收的光強為最大可接收光強的50 %左右。

3 感聲波紋薄膜制作與測試

3.1 感聲波紋薄膜制作

由于聲信號比較微弱，感聲膜膜厚只有幾微米，采用常規的平膜結構，其非線性是不容忽視的[7]。另外，在制作過程中由于薄膜工藝必然會產生加工應力[8]，導致薄膜的機械靈敏度降低、機械性能變差。由于波紋結構的力學性能，會相應補償薄膜加工應力，因此，感聲膜采用波紋結構，波紋結構與平膜結構相比靈敏度、線性度均會提高，感聲薄膜的長寬尺寸設計為2 mm×2 mm，厚1.5 μm，采用SiO2和Si3N4復合膜作為感聲膜，通過調整SiO2膜和Si3N4膜的應力來得到低應力的感聲膜。制作的感聲波紋薄膜芯片見圖6，平膜芯片見圖7，由圖6、圖7可見，由于加工殘余應力的存在，導致感聲平膜薄膜發皺，而采用波紋結構，由于波紋結構的存在可以補償殘余應力。

圖6 感聲波紋薄膜芯片

圖7 感聲平膜芯片

3.2 感聲波紋薄膜測試

將制作的感聲波紋膜片封裝在引壓接頭內，通過施加壓力使膜片產生形變，用CCD激光位移傳感器測量感聲膜中心位移的變化量，測試結果見圖8。

圖8 感聲膜壓力—中心位移關系曲線

由圖8可見，感聲波紋膜所受靜壓與中心位移的關系基本呈線性，靈敏度約為18 nm/Pa。

4 實驗與結果分析

4.1 樣品靈敏度測試

按圖2制作光學式聲傳感器，光纖入射角40°，將傳感器與聲校準器密配，由聲校準器產生標準聲壓級114 dB(聲壓10 Pa)的聲信號作用在探頭上，測其輸出見圖9，經計算可得出靈敏度達80 mV/Pa。

圖9 聲壓級114 dB的輸出曲線

4.2 樣品頻率響應測試

采用北京聲望聲電技術有限公司的電聲測試系統進行測試，測試樣品的頻率響應見圖10。由圖10可見，樣品在20～10 000 Hz范圍內均有響應，其中，20～2 000 Hz范圍內曲線變化幅值不大于±1 dB。

圖10 頻率響應曲線

5 結 論

本文介紹一種基于感聲波紋結構的光學式聲傳感器，敏感結構采用具有低應力波紋結構的感聲薄膜芯片，并采用光纖與感聲膜直接耦合將被測聲信號調制成光學信號，經測試，制作傳感器樣品的靈敏度達80 mV/Pa。該傳感器

的靈敏度高于傳統的駐極體式傳聲器，并且也優于采用光纖前端加準直器與感聲膜耦合制作的傳感器樣品，該傳感器通過光纖使電學系統遠離測量現場，尤其在易燃易爆、強電磁場等惡劣環境下，能夠安全地進行遠距離高精度的監控，具有常規傳感器所不具備的特點。

參考文獻:

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[4] Park H S,Thursby G,Culshaw B.Optical acoustic detector based on a fiber Fabry-Perot interferometer[J].Applied Optics,2005,44(4):489-492.

[5] Wang S,Zhang M,Cao Y,et al.A micro-machined optical fiber acoustic sensor based on Fabry-Perot interferometer[C]∥International Conference on Optoelectronics and Microelectronics(ICOM),2013:518-520.

[6] 王 偉,欒 劍,史 鑫，等.一種基于硅MEMS敏感結構的光學式聲傳感器[J].中國電子科學研究院學報,2011,6(4):320-323.

[7] Elwenspoek M，Wiegerink R.硅微機械傳感器[M]．北京：中國宇航出版社，2002:82-84.

[8] Ge Y,Wang M,Yan H.Optical MEMS pressure sensor based on a mesa-diaphragm structure[J].Optics Express,2008,16:21746-21752.