本发明属于传感器领域，具体涉及复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器及其制作方法。
背景技术：
光纤微光机电系统声波传感结构是光纤传感技术和微光机电系统技术的学科交叉领域，光纤超声技术自上个世纪70年代被报道出来后由于它具有抗电磁干扰、适合远距离传输、灵敏度高等优点显著收到广泛关注。对于在空间小，腐蚀性强、高电压、强电磁环境下的声波测量，传统式电子超声器无法正常工作，这种探测环境下光纤声波传感器可以远距离、准确的传递超声信息，并且它通过全光结构实现高灵敏度探测，可用于航空和液体中的声波探测，探测距离也远高于一般声波传感器，以上优点充分显示出了光纤声波传感器的巨大优越性。光纤传感技术经过40多年的发展也已经成为国际性热点技术领域之一，与传统的电传感器相比，光传感器采用全光纤结构，具有无源和抗电磁干扰的优势，可以检测不同环境中的声波信号。基于光纤f-p腔结构的光纤传感器比布拉格光栅和绕光纤轴等光学传感器更紧凑，更容易生产。最近，f-p干涉式传感器已被设计并应用于各种医学和工业研究领域，例如温度感测，压力感测，湿度感测和声波探测。
但是现有技术中，存在以下缺点：1、单一结构的传感薄膜在制作过程普遍会存在残余应力，这对响应灵敏度产生了很大的限制；2、单一结构的传感薄膜材料无法对宽带宽入射光进行折射率的调节，这导致超声信号被削弱、消隐或失真，不利于超声信号的解调和分析。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器及其制作方法解决了现有技术存在的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，包括法布里-珀罗干涉腔，所述法布里-珀罗干涉腔包括腔体和与腔体一端面对齐的复合型薄膜；
所述腔体包括外玻璃管，所述外玻璃管内部设置有毛细玻璃管和单模光纤，所述毛细玻璃管的一端面与腔体的另一端面对齐，所述单模光纤的一端通过毛细玻璃管设置于外玻璃管内部，且其对准复合型薄膜的中心。
进一步地，所述复合型薄膜由下层的氮化硅薄膜和上层的氧化硅薄膜组成，其通过硅基固定于腔体的一端面上。
进一步地，所述复合型薄膜的厚度为400nm，其面积为1.5mm*1.5mm，所述复合型薄膜上设置有以复合型薄膜中心为圆心的环状波纹结构，所述环状波纹结构与复合型薄膜边缘的间距范围为0.1mm-0.2mm。
进一步地，所述法布里-珀罗干涉腔的腔长为109±2μm，其干涉谱的自由光谱采集范围为12nm，其光谱对比度为40db。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过调节复合型薄膜的整体折射率，实现对宽带入射光波的反射率保持一致，有利于对声波信号的解调和分析。
(2)本发明通过增加一层氧化硅结构，提高了该传感器的声波探测的频率范围，有利于超声检测，同时厚膜可以提高承压范围，可应用于大压强的超声检测。
(3)本发明中通过对复合型膜片的设计使光谱对比度高达40db，从而显著提高了该传感器的响应灵敏度，最小探测声压低至4.55μpahz-1/2。
(4)本发明拥有体积小、高灵敏度和抗电磁干扰等优点，可以满足复杂环境中对高灵敏度声波信号检测的需求。
一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、通过微光机电系统光刻技术加工带有环状结构的光刻掩膜版，得到初步加工的光刻掩膜版；
s2、使用氮化硅膜刻蚀技术将初步加工的光刻掩膜版上的结构图形进行转移加工，得到氮化硅薄膜；
s3、以氮化硅薄膜的几何中心为圆心，发散式地向氮化硅薄膜边缘生长出氧化硅层；
s4、将氧化硅层进行打磨，并将其在氧气中进行高温退火处理，在氮化硅薄膜表面形成一层致密的氧化硅种子层；
s5、基于氧化硅种子层，从氮化硅薄膜向其圆心聚集性地生长一层氧化硅薄膜层，得到复合型薄膜，并将复合型薄膜切割为方形膜片；
s6、在外玻璃管(4)中设置一个毛细玻璃管(5)，得到腔体；
s7、将复合型薄膜通过硅基固定于外玻璃管(4)的一端面上，得到传感探头；
s8、将单模光纤(6)通过毛细玻璃管(5)插入腔体内，使单模光纤(6)与复合型薄膜的中心对齐，并使单模光纤(6)的端面与复合型薄膜形成法布里-珀罗干涉腔，得到光纤微光机电系统超声传感器。
进一步地，所述步骤s2中氮化硅薄膜厚度为800nm。
进一步地，所述步骤s5中氧化硅薄膜层的厚度为200nm，所述步骤s5中方形膜片的尺寸为1.5mm*1.5mm。
进一步地，所述步骤s6中外玻璃管的内径为2.2mm，所述步骤s6中毛细玻璃管的内径为0.12mm，其外径为2.1mm。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过在氮化硅敏感薄膜上生长一层氧化硅，减少氮化硅生长过程中受到的残余应力的影响，从而显著提高该传感结构的灵敏度。
(2)本发明的光纤微光机电系统超声传感器制作简单，且其体积小。
附图说明
图1为本发明提出的一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器示意图；
图2为本发明的信号解调系统示意图；
图3为本发明提出的一种光纤微光机电系统超声传感器的制作方法流程图；
图4为宽带光反射光程补偿示意图；
图5为残余应力分布调配示意图；
其中：1-硅基、2-氮化硅薄膜、3-氧化硅薄膜、4-外玻璃管、5-毛细玻璃管、6-单模光纤、7-光源、8-环形器、9-光纤微光机电系统超声传感器、10-波分复用器、11-光电探测器、12-数据采集卡、13-计算机。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，包括法布里-珀罗干涉腔，所述法布里-珀罗干涉腔包括腔体和与腔体一端面对齐的复合型薄膜；
所述腔体包括外玻璃管4，所述外玻璃管4内部设置有毛细玻璃管5和单模光纤6，所述毛细玻璃管5的一端面与腔体的另一端面对齐，所述单模光纤6的一端通过毛细玻璃管5设置于外玻璃管4内部，且其对准复合型薄膜的中心。
所述复合型薄膜由下层的氮化硅2和上层的氧化硅3组成，其通过硅基1固定于腔体的一端面上。
所述复合型薄膜的厚度为400nm，其面积为1.5mm*1.5mm，所述复合型薄膜上设置有以复合型薄膜中心为圆心的环状波纹结构，所述环状波纹结构与复合型薄膜边缘的间距范围为0.1mm-0.2mm。
所述法布里-珀罗干涉腔的腔长为109±2μm，其干涉谱的自由光谱采集范围为12nm，其光谱对比度为40db。
在本实施例中，需要信号解调系统对光信号进行解调；
如图2所示，信号解调系统包括依次连接的光源7、环形器8、波分复用器10、光电探测器11、数据采集卡12和计算机13，其中环形器8还与光纤moems超声传感器9连接。
本发明的工作原理为：通过光源7产生光信号，光信号经过环形器8进入光纤moems超声传感器9，由光纤moems超声传感器9产生反射光，反射光通过环形器8传输到波分复用器10滤为3个波长的光信号，然后经过光电探测器11转为电信号，电信号通过数据采集卡12被采集并送入计算机13端进行解调。
如图3所示，一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器的制作方法，包括以下步骤：
s1、通过微光机电系统光刻技术加工带有环状结构的光刻掩膜版，得到初步加工的光刻掩膜版；
s2、使用氮化硅膜刻蚀技术将初步加工的光刻掩膜版上的结构图形进行转移加工，得到氮化硅薄膜；
s3、以氮化硅薄膜的几何中心为圆心，发散式地向氮化硅薄膜边缘生长出氧化硅层；
s4、将氧化硅层进行打磨，并将其在氧气中进行高温退火处理，在氮化硅薄膜表面形成一层致密的氧化硅种子层；
s5、基于氧化硅种子层，从氮化硅薄膜向其圆心聚集性地生长一层氧化硅薄膜层，得到复合型薄膜，并将复合型薄膜切割为方形膜片；
s6、在外玻璃管4中设置一个毛细玻璃管5，得到腔体；
s7、将复合型薄膜通过硅基固定于外玻璃管4的一端面上，得到传感探头；
s8、将单模光纤6通过毛细玻璃管5插入腔体内，使单模光纤6与复合型薄膜的中心对齐，并使单模光纤6的端面与复合型薄膜形成法布里-珀罗干涉腔，得到光纤微光机电系统超声传感器。
在本实施例中，毛细玻璃管5通过热缩管固定在外玻璃管4中。
所述步骤s2中氮化硅薄膜厚度为800nm，所述步骤s5中氧化硅薄膜层的厚度为200nm，所述步骤s5中方形膜片的尺寸为1.5mm*1.5mm，所述步骤s6中外玻璃管4的内径为2.2mm，所述步骤s6中毛细玻璃管5的内径为0.12mm，其外径为2.1mm。
本发明的有益效果为：本发明通过调节复合型薄膜的整体折射率，实现对宽带入射光波的反射率保持一致，有利于对声波信号的解调和分析。本发明通过增加一层氧化硅薄膜3，提高了该传感器的声波探测的频率范围，有利于超声检测，同时厚膜可以提高承压范围，可应用于大压强的超声检测。本发明中通过对复合型膜片的设计使光谱对比度高达40db，从而显著提高了该传感器的响应灵敏度，最小探测声压低至4.55μpahz-1/2。本发明拥有体积小、高灵敏度和抗电磁干扰等优点，可以满足复杂环境中对高灵敏度声波信号检测的需求。本发明通过在氮化硅薄膜2上生长一层氧化硅薄膜3，减少氮化硅薄膜2生长过程中受到的残余应力的影响，从而显著提高该传感结构的灵敏度。本发明的光纤微光机电系统超声传感器制作简单，且其体积小。
如图4所示，通过在氮化硅薄膜2表面生长一层氧化硅薄膜3来调节传感膜片的整体折射率分布。当宽带宽的入射光在膜片的不同分层表面进行反射时，相同的介质对于不同波长的光表现出的折射率随着波长增大而增大。若λ1>λ2>λ3，通过调节干涉腔、氮化硅薄膜2和氧化硅薄膜3三种介质的厚度比，使得三种波长的光经历的光程相同，从而达到实现稳定的光学干涉、提高信号响应强度的效果，其中，干涉腔厚度为l，氮化硅薄膜2厚度为d1，氧化硅薄膜3厚度为d2。
如图5所示，通过在氮化硅薄膜2表面生长一层氧化硅薄膜3，将传感区域的残余应力向边缘调配，从而减少残余应力对膜片灵敏度的限制，提高传感器的响应灵敏度。
1.一种复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，其特征在于，包括法布里-珀罗干涉腔，所述法布里-珀罗干涉腔包括腔体和与腔体一端面对齐的复合型薄膜；
所述腔体包括外玻璃管(4)，所述外玻璃管(4)内部设置有毛细玻璃管(5)和单模光纤(6)，所述毛细玻璃管(5)的一端面与腔体的另一端面对齐，所述单模光纤(6)的一端通过毛细玻璃管(5)设置于外玻璃管(4)内部，且其对准复合型薄膜的中心。
2.根据权利要求1所述的复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，其特征在于，所述复合型薄膜由下层的氮化硅薄膜(2)和上层的氧化硅薄膜(3)组成，其通过硅基(1)固定于腔体的一端面上。
3.根据权利要求2所述的复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，其特征在于，所述复合型薄膜的厚度为400nm，其面积为1.5mm*1.5mm，所述复合型薄膜上设置有以复合型薄膜中心为圆心的环状波纹结构，所述环状波纹结构与复合型薄膜边缘的间距范围为0.1mm-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉腔的腔长为109±2μm，其干涉谱的自由光谱采集范围为12nm，其光谱对比度为40db。
5.一种如权利要求1所述复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、通过微光机电系统光刻技术加工带有环状结构的光刻掩膜版，得到初步加工的光刻掩膜版；
s2、使用氮化硅膜刻蚀技术将初步加工的光刻掩膜版上的结构图形进行转移加工，得到氮化硅薄膜；
s3、以氮化硅薄膜的几何中心为圆心，发散式地向氮化硅薄膜边缘生长出氧化硅层；
s4、将氧化硅层进行打磨，并将其在氧气中进行高温退火处理，在氮化硅薄膜表面形成一层致密的氧化硅种子层；
s5、基于氧化硅种子层，从氮化硅薄膜向其圆心聚集性地生长一层氧化硅薄膜层，得到复合型薄膜，并将复合型薄膜切割为方形膜片；
s6、在外玻璃管(4)中设置一个毛细玻璃管(5)，得到腔体；
s7、将复合型薄膜通过硅基固定于外玻璃管(4)的一端面上，得到传感探头；
s8、将单模光纤(6)通过毛细玻璃管(5)插入腔体内，使单模光纤(6)与复合型薄膜的中心对齐，并使单模光纤(6)的端面与复合型薄膜形成法布里-珀罗干涉腔，得到光纤微光机电系统超声传感器。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤s2中氮化硅薄膜厚度为800nm。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤s5中氧化硅薄膜层的厚度为200nm，所述步骤s5中方形膜片的尺寸为1.5mm*1.5mm。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤s6中外玻璃管(4)的内径为2.2mm，所述步骤s6中毛细玻璃管(5)的内径为0.12mm，其外径为2.1mm。
技术总结