[发明专利]基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜、FP腔光纤声传感器

说明书

本发明提供一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，包括软膜和镀在软膜下方的介质硬膜，所述软膜的直径大于介质硬膜的直径，所述软膜为由PDMS制成的橡胶膜或硅胶膜，所述介质硬膜包括若干第一介质层和若干第二介质层，所述第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率，所述第一介质层和第二介质层由下至上依次交替层叠。本发明还提供一种FP腔光纤声传感器，利用该FP腔光纤声传感器收集透射光进行解调时，由于薄膜工艺使FP腔两个腔面的反射率接近99％，因此透射光谱为锐利的梳状谱线，此时，接收透射光，通过对光信号解调得到声压信号。本发明制作出的敏感膜外周形变量大,光纤模场直径范围内区域几乎无形变且反射率高。

技术领域

本发明涉及声学传感器技术领域，尤其涉及一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器、外凸式双层压力敏感膜及该外凸式双层压力敏感膜的制备方法。

背景技术

近年来，随着光电子学与各种光电子器件的发展，光纤传感器技术获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声学传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等；这些光纤传感器采用的原理也有多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、MZ干涉仪式、Signac干涉仪式以及FP腔光纤传感器。

在基于各种原理的光纤声学传感器中，FP腔光纤声学传感器因其结构简单、灵敏度较高、解调方法简单而被广泛研究。基于FP腔的光纤声学传感器作为一种新型传感器，和传统电压电容传感器相比，具有结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰并且易于集成化的特点，具有微型化、集成化的发展趋势。

敏感膜是FP腔光纤声学传感器的关键组件，基于不同材料制成不同结构的敏感膜的FP腔光纤声学传感器已经被多次报道：例如，(1)Dai，Majun等人使用石墨烯薄膜作为敏感膜，结合套着毛细管的单模光纤构成FP腔，进而制成FP腔光纤声学传感器；但无论使用单层石墨烯还是多层石墨烯制成的敏感膜形变量大，存在反射率低、光谱曲线扁平的问题；(2)使用高发射率的金属银或光子晶体反射镜作为敏感膜，虽然反射率高，但材质硬，形变相对较小；(3)采用硅膜和刻蚀成槽的光纤熔接，再用湿法刻蚀去除多余膜片部分的探头制作技术做成的FP腔，其膜的反射率低，且材质硬形变小。

现有的敏感膜只具有高反射率或高形变中的单一特点甚至都不具备，不能满足实际FP腔光纤声学传感器的某些特殊使用要求，如更高的灵敏度、低频响应好等要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)工艺的外凸式双层压力敏感膜及该外凸式双层压力敏感膜的制备方法及由该外凸式双层压力敏感膜构成的FP腔光纤声传感器。

本发明提供一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，包括软膜和镀在软膜下方的介质硬膜，所述软膜的直径大于介质硬膜的直径，使得软膜和介质硬膜形成外凸式结构，所述介质硬膜包括若干第一介质层和若干第二介质层，所述第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率，所述第一介质层和第二介质层由下至上依次交替层叠，形成折射率高低高低…高低高相间的结构。

进一步地，所述软膜为由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成的橡胶膜或硅胶膜，其表面平整光洁。

进一步地，软膜的厚度为0.5-10μm。

进一步地，所述第一介质层由五氧化二铌制成，所述第二介质层由氟化镁制成。

进一步地，所述第一介质层和第二介质层由透明、硬质且化学性质稳定的材料制成，且制成第一介质层的材料和制成第二介质层的材料的折射率相差较大，材料满足形变小、硬度高、在某个波长范围反射率高的特点。

进一步地，所述介质硬膜的厚度为500-2000nm。

本发明还提供了上述外凸式双层压力敏感膜的制备方法，包括以下步骤：