一种MEMS光纤超声传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种mems光纤超声传感器及其制备方法，属于声波测量。

背景技术：

1、随着传感器技术的发展，膜片式光纤声压传感器被广泛研究。膜片式光纤法布里珀罗传感器使用光纤端面与膜片作为法布里珀罗干涉腔的两个反射面，外界压力作用到膜片上使膜片发生形变从而改变法布里珀罗干涉腔的腔长，通过对腔长的调节实现对外界信息的检测，通常选取硅、银等材料制造高性能的膜片。

2、近年来，随着微机电系统（micro-electromechanical system，mems）技术的迅速发展，其制备方法不仅注重传感器的性能提升，更强调在实际应用中的稳定性和可靠性。

3、作为法布里珀罗干涉腔反射镜一端的膜片，因其制备方法的限制，很难将敏感膜片做到非常薄，并且在膜片上做高精度的结构设计。因此，对膜片式声压传感器的结构设计与制造方法的深入研究将为未来超声传感技术的发展提供重要支持。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种mems光纤超声传感器及其制备方法，能够提高mems光纤超声传感器的灵敏度。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种mems光纤超声传感器，包括变截面梁敏感膜片、光纤套筒和单模光纤；所述变截面梁敏感膜片包括依次堆叠的第一硅层、二氧化硅层和第二硅层，所述第一硅层包括中心膜片和连接所述中心膜片的变截面梁结构，所述第二硅层与所述二氧化硅层形成阶梯型结构，所述第一硅层朝向所述阶梯型结构的一侧镀有金属膜；所述光纤套筒的一端嵌套于所述阶梯型结构内；所述单模光纤穿入所述光纤套筒内，并通过所述阶梯型结构对准所述中心膜片，由设于所述单模光纤端面的反射面与所述金属膜以及所述阶梯型结构的内壁形成用于测量超声波声压值的法布里珀罗干涉腔；

4、其中，所述单模光纤（3）向所述金属膜（14）发出入射光，接收由所述法布里珀罗干涉腔反射的反射光，并基于超声波声压作用下法布里珀罗干涉腔的腔长变化引起的反射光的光程差，获取超声波声压值。

5、结合第一方面，进一步的，所述法布里珀罗干涉腔的初始腔长是基于预获取的最优干涉光谱确定的；

6、其中，所述最优干涉光谱是通过外界光栅传感器解调模块对采集到的反射光进行光谱分析获取的。

7、结合第一方面，进一步的，所述变截面梁结构包括连接所述中心膜片的若干个变截面梁，各所述变截面梁由靠近所述中心膜片处向远离所述中心膜片处渐宽。

8、结合第一方面，进一步的，各所述变截面梁沿所述中心膜片的外围均匀分布。

9、结合第一方面，进一步的，所述第一硅层与所述阶梯型结构连接部分为变截面梁或倒变截面梁。

10、结合第一方面，进一步的，所述金属膜为铜膜。

11、结合第一方面，进一步的，所述光纤套筒的一端通过紫外胶与所述第二硅层固定连接。

12、结合第一方面，进一步的，所述光纤套筒为石英材质。

13、第二方面，本发明提供一种如第一方面任一项所述的mems光纤超声传感器的制备方法，包括：

14、采用硅作为基片，即第二硅层，在基片上涂覆二氧化硅作为隔离层，即二氧化硅层，在隔离层上涂覆硅作为第一硅层；

15、在第一硅层上刻蚀出中心膜片以及连接中心膜片的若干个变截面梁，在第二硅层上刻蚀出一个圆柱体腔室，利用氢氟酸去除二氧化硅层的一部分，使剩余部分与第二硅层形成阶梯型结构，由包含变截面梁的第一硅层以及形成阶梯型结构的二氧化硅层和第二硅层共同构成变截面梁敏感膜片；

16、在第一硅层朝向阶梯型结构的一侧镀上金属膜；

17、将光纤套筒的一端嵌套于阶梯型结构内，并将光纤套筒的一端与第二硅层进行胶粘、键合或焊接；

18、将去除涂覆层的单模光纤穿入光纤套筒内，并通过阶梯型结构对准中心膜片，由设于单模光纤端面的反射面与金属膜以及所述阶梯型结构的内壁形成用于测量超声波声压值的法布里珀罗干涉腔。

19、结合第二方面，进一步的，还包括：

20、通过外界光栅传感器解调模块对采集到的反射光进行光谱分析，获取最优干涉光谱；

21、基于最优干涉光谱，确定法布里珀罗干涉腔的初始腔长。

22、结合第二方面，进一步的，利用氢氟酸去除二氧化硅层的一部分，使剩余部分与第二硅层形成阶梯型结构还包括：

23、将经过氢氟酸腐蚀的变截面梁敏感膜片置于去离子水中进行超声清洗处理，溶解残余的氢氟酸。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

25、本发明提供的mems光纤超声传感器，通过变截面梁连接约束中心膜片，能够提高变截面梁在外界声压作用下中心点的形变量，平衡法布里珀罗干涉腔的内外气压差，进而提高mems光纤超声传感器的灵敏度。通过光纤套筒与阶梯型结构的固定约束，能够提高mems光纤超声传感器的稳定性，且单模光纤通过光纤套筒能够对准中心膜片的最中央而不会损伤中心膜片。

26、本发明提供的mems光纤超声传感器制备方法，精密度高、可控性强。

技术特征：

1.一种mems光纤超声传感器，其特征在于，包括变截面梁敏感膜片（1）、光纤套筒（2）和单模光纤（3）；所述变截面梁敏感膜片（1）包括依次堆叠的第一硅层（11）、二氧化硅层（12）和第二硅层（13），所述第一硅层（11）包括中心膜片（111）和连接所述中心膜片（111）的变截面梁结构（112），所述第二硅层（13）与所述二氧化硅层（12）形成阶梯型结构，所述第一硅层（11）朝向所述阶梯型结构的一侧镀有金属膜（14）；所述光纤套筒（2）的一端嵌套于所述阶梯型结构内；所述单模光纤（3）穿入所述光纤套筒（2）内，由设于所述单模光纤（3）端面的反射面与所述金属膜（14）以及所述阶梯型结构的内壁形成用于测量超声波声压值的法布里珀罗干涉腔；

2.根据权利要求1所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，所述法布里珀罗干涉腔的初始腔长是基于预获取的最优干涉光谱确定的；

3.根据权利要求1所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，所述变截面梁结构（112）包括连接所述中心膜片（111）的若干个变截面梁，各所述变截面梁由靠近所述中心膜片（111）处向远离所述中心膜片（111）处渐宽。

4.根据权利要求3所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，各所述变截面梁沿所述中心膜片（111）的外围均匀分布。

5.根据权利要求1所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，所述第一硅层（11）与所述阶梯型结构连接部分为变截面梁或倒变截面梁。

6.根据权利要求1所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，所述光纤套筒（2）的一端通过紫外胶与所述第二硅层（13）固定连接。

7.根据权利要求1所述的mems光纤超声传感器，其特征在于，所述光纤套筒（2）为石英材质。

8.一种如权利要求1~7任一项所述的mems光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的mems光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8所述的mems光纤超声传感器的制备方法，其特征在于，利用氢氟酸去除二氧化硅层（12）的一部分，使剩余部分与第二硅层（13）形成阶梯型结构还包括：

技术总结
本发明公开了一种MEMS光纤超声传感器及其制备方法，属于声波测量技术领域，MEMS光纤超声传感器包括：变截面梁敏感膜片、光纤套筒和单模光纤；变截面梁敏感膜片包括依次堆叠的第一硅层、二氧化硅层和第二硅层，第一硅层包括中心膜片和连接中心膜片的变截面梁结构，第二硅层与二氧化硅层形成阶梯型结构，第一硅层朝向阶梯型结构的一侧镀有金属膜；光纤套筒的一端嵌套于阶梯型结构内；单模光纤穿入光纤套筒内，由设于单模光纤端面的反射面与金属膜形成用于测量超声波声压值的法布里珀罗干涉腔。该MEMS光纤超声传感器灵敏度高、稳定性好。

技术研发人员：陆云才,李群,邵剑,王同磊,吴鹏,梁家碧,李晓涵,蔚超,孙蓉
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/1