一种检测次声波的光学传感器及系统

本发明属于声波探测，更具体地，涉及一种检测次声波的光学传感器及系统。

背景技术：

1、次声波检测技术在自然灾害预警、水声探测、管道泄漏、医疗诊断等众多领域都有着非常广泛的应用。针对次声波检测，相比电学探测方式，光学方式的检测技术以其探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强以及响应时间短等优势已成为研究和应用的热点。

2、光学法布里珀罗传感器作为一种光学声波检测技术，其具有体积小、灵敏度高、易于复用组网等优势。其结构主要由敏感换能材料和一个fp(法布里-珀罗)谐振腔组成，将待测声波信息转化为反射光谱的变化，通过解调反射光谱的相位信息进行声波检测，同时可以有效减小噪声的影响。然而，现有技术中的光学法布里珀罗传感器的检测灵敏度与膜片的尺寸成正相关，在追求小型化传感器时，由于膜片尺寸较小，会牺牲检测灵敏度。同时，对于次声波检测，为了降低低的截止频率(低检测下限)，一般需要增大传感器的背腔结构的体积，进而也会增大传感器的尺寸。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种检测次声波的光学传感器及系统，其目的在于在微型化传感器的同时降低传感器的低频截止频率，提升对次声波信号的响应的灵敏度。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种检测次声波的光学传感器，包括：fp次声波传感器，其中，所述fp次声波传感器的传感器腔体上设有背腔通孔，所述fp次声波传感器的传感外壳上设有微流孔，所述微流孔的一端与外部介质连通，另一端与所述背腔通孔连通，以实现外部介质与所述传感器腔体的连通；

3、所述微流孔包括键合的第一形成面和第二形成面，在所述第一形成面和所述第二形成面上刻蚀有呈镜面对称的微米级及以下的沟道槽，在第一形成面沟道槽的起始端刻蚀有与外部介质连通的外通孔，在第二形成面沟道槽的末端刻蚀有与所述传感器腔体连通的内通孔。

4、进一步地，所述沟道槽为螺旋式沟道槽。

5、进一步地，在设定的传感器尺寸下，增加所述微流孔的长度或/和减小微流孔的半径，以降低所述光学传感器的低频截止频率。

6、进一步地，所述微流孔的第一形成面和第二形成面上还刻蚀有光纤限位通孔；所述fp次声波传感器还包括：声敏薄膜、探测光纤及陶瓷插芯；

7、所述声敏薄膜覆盖在所述传感外壳的端面上，所述传感外壳与所述声敏薄膜构成所述传感器腔体；所述探测光纤穿入所述陶瓷插芯通过所述光纤限位通孔插入到所述传感器腔体内，所述探测光纤的端面与所述声敏薄膜构成fp谐振腔。

8、进一步地，所述声敏薄膜的材料为铬、银、金、铝、钛中的一种或多种。

9、进一步地，所述声敏薄膜为铬-银-金复合薄膜材料，其中，铬膜为底层材料，银膜为中间层，最上层为金隔膜；且所述银膜作为主要形变层，其厚度大于铬膜和金膜。

10、进一步地，所述传感外壳采用了金属机械加工制备；所述微流孔采用微机械加工工艺制备。

11、进一步地，所述第一形成面和所述第二形成面分别对应为第一硅片和第二硅片。

12、按照本发明的第二方面，提供了一种检测次声波的光学传感系统，包括：宽谱光源、fp次声波传感器、光信号实时采集模块及信号解调模块，其中，所述fp次声波传感器为第一方面任一项所述的检测次声波的光学传感器；

13、所述宽谱光源用于输出原始探测光信号；

14、所述fp次声波传感器用于在待测次声波的作用下，将注入到fp谐振腔内的原始探测光信号进行声波调制，形成光谱相位变化的fp反射干涉光信号；

15、所述光信号实时采集模块用于实时采集所述fp反射干涉光信号光谱相位变化量；

16、所述信号解调模块用于提取所述光谱相位变化量的谐波信号，所述谐波信号的幅值与相位与待测次声波成对应关系。

17、按照本发明的第三方面，提供了一种检测次声波的光学传感方法，其特征在于，采用第二方面所述的光学传感系统进行次声波检测。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

19、(1)本发明的检测次声波的光学传感器，通过在fp次声波传感器腔体上设置背腔通孔，传感外壳上设置微流孔，在微流孔的第一形成面和第二形成面上刻蚀呈镜像对称的微米级及以下的沟道槽，设计的微流孔通过呈镜面对称的形成面键合之后，在两层形成面之间形成微米级及以下的细长通气孔，并通过外通孔与外部介质连通，通过内通孔与传感器腔体上的背腔通孔连通，进而实现外部介质与传感器腔体的连通，如此，在平衡环境影响的同时，可以改善传感器的响应特性，无需增大传感器背腔体积即可降低传感器的低频截止频率，提升对次声波信号的响应的灵敏度。

20、(2)作为优选，沟道槽螺旋式沟道槽，通过刻蚀螺旋式沟道槽，可以进一步增加沟道槽的长度，进而进一步降低传感器的低频截止频率。(3)进一步地，在设定的声敏薄膜材料及传感器尺寸下，微流孔的长度越长，半径越小，传感器的低频截止频率就越低；因此，可以根据待测次声波的频率范围和传感器尺寸要求设计微流孔的长度和半径，实现毫赫兹次声波的光学探测。

21、(4)作为优选，声敏薄膜为铬-银-金复合薄膜材料，选择铬作为底层，是因为铬具有优良的耐腐蚀性和耐磨性，并且铬在蒸发制备过程中更容易在基底上生长。同时，在薄膜制备过程中，银的温度可以在较低温下保持恒定水平，便于控制温度变化引起的薄膜的残余热应力，减少热应力的聚集，从而进一步提高灵敏度，因此，选择银作为主要变形层。但是，考虑到银在空气中容易氧化形成氧化银，进而影响传感器性能的稳定性，因此，考虑到金具有良好化学稳定性，在最上层设置金隔膜。此外，金还可以为光学干涉测量提供高反射率，与探测光纤端面之间构建法布里珀罗腔。并且，银是一种面心立方晶体结构，铬具有体心立方晶体结构，由两种不同晶格结构金属构成的界面，比由两种具有相同晶体结构的材料组成的界面具有更强的位错运动阻碍能力，进而可以提高换能膜片整体的机械强度。

22、(5)作为优选，传感外壳采用金属机械加工制备，在保证传感器小型化封装的前提下，可以进一步提高传感器的灵敏度，以及传感器结构的稳定性。

23、(6)作为优选，第一形成面和第二形成面分别对应为第一硅片和第二硅片，易于在硅片上刻蚀，降低加工工艺。

24、(7)本发明提供的检测次声波的光学传感系统，仅包括光源模块、fp次声传感器、信号实时采集模块、信号解调模块，所涉及的器件较少、检测装置简单，基于设计的次声传感器，具有高的灵敏度、极低的探测频率。

25、(8)本发明提供的检测次声波的光学传感系统，通过将待测声波信息转化为反射光谱的变化，通过解调反射光谱的相位信息，而不是光强信号可以有效减小光源噪声和环境噪声的干扰；系统为全无源结构，可以在强电磁干扰情况下工作，且性能优异、体积小型化、易集成、可以进行远距离探测，可以提升光学次声波的检测性能和扩展光学次声波的应用领域，如在自然灾害预警、水声探测、管道泄漏、医疗诊断等众多领域。

技术特征：

1.一种检测次声波的光学传感器，其特征在于，包括：fp次声波传感器(2)，其中，所述fp次声波传感器(2)的传感器腔体(23)上设有背腔通孔(24)，所述fp次声波传感器(2)的传感外壳(21)上设有微流孔(25)，所述微流孔(25)的一端与外部介质连通，另一端与所述背腔通孔(24)连通，以实现外部介质与所述传感器腔体(23)的连通；

2.根据权利要求1所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述沟道槽(254)为螺旋式沟道槽。

3.根据权利要求1所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，在设定的传感器尺寸下，增加所述微流孔(25)的长度或/和减小所述微流孔(25)的半径，以降低所述光学传感器的低频截止频率。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述微流孔(25)的第一形成面(251)和第二形成面(252)上还刻蚀有光纤限位通孔(257)；所述fp次声波传感器(2)还包括：声敏薄膜(22)、探测光纤(26)及陶瓷插芯(27)；

5.根据权利要求4所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述声敏薄膜(22)的材料为铬、银、金、铝、钛中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述声敏薄膜(22)为铬-银-金复合薄膜材料，其中，铬膜为底层材料，银膜为中间层，最上层为金隔膜；且所述银膜作为主要形变层，其厚度大于铬膜和金膜。

7.根据权利要求5或6所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述传感外壳(21)采用了金属机械加工制备；所述微流孔(25)采用微机械加工工艺制备。

8.根据权利要求1所述的检测次声波的光学传感器，其特征在于，所述第一形成面(251)和所述第二形成面(252)分别对应为第一硅片和第二硅片。

9.一种检测次声波的光学传感系统，其特征在于，包括：宽谱光源(1)、fp次声波传感器(2)、光信号实时采集模块(3)及信号解调模块(4)，其中，所述fp次声波传感器(2)为权利要求1-8任一项所述的检测次声波的光学传感器；

10.一种检测次声波的光学传感方法，其特征在于，采用权利要求9所述的光学传感系统进行次声波检测。

技术总结
本发明公开了一种检测次声波的光学传感器及系统，属于声波探测技术领域，所述光学传感器包括FP次声波传感器，传感器腔体上设有背腔通孔，FP次声波传感器的传感外壳上设有微流孔，微流孔的一端与外部介质连通，另一端与背腔通孔连通，以实现外部介质与传感器腔体的连通；微流孔包括键合的第一形成面和第二形成面，在第一形成面和第二形成面上刻蚀有呈镜面对称的微米级及以下的沟道槽，在第一形成面沟道槽的起始端刻蚀有与外部介质连通的外通孔，在第二形成面沟道槽的末端刻蚀有与传感器腔体连通的内通孔。还提供了对应的传感系统。本发明能够在微型化传感器的同时降低传感器的低频截止频率，提升对次声波信号的响应的灵敏度。

技术研发人员：鲁平,潘宇峰,王培杰,翟杰,张江山
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29