论文部分内容阅读
光纤声波传感器由于具有体积小、抗电磁干扰、低传输损耗、耐腐蚀和安全可靠等优良特性,自1970年代首次出现以来,已经被广泛研究。另一方面,MEMS声波传感器也已被广泛报道并用于声学检测。采用MEMS工艺加工的产品具有体积小、重量轻、集成度高和易批量生产等优点。利用MEMS加工技术可以在单个硅片上集成微型声波传感器,相比传统电学声波传感器,它具有器件集成度高以及功耗低等优点。但现有的MEMS声波传感器主要是基于电容信号检测原理,传感器灵敏度较低且容易受到外界电磁干扰,这严重制约了MEMS声波传感器在高灵敏度声学检测和极端环境下的应用。本论文将MEMS声敏感元件与光纤法布里-珀罗（F-P）结构结合起来实现了一种高灵敏度声信号检测结构。MEMS声敏薄膜的声压检测灵敏度高,其结构可灵活设计,制备工艺的一致性好,结合光纤F-P光学信号检测方法可以实现对微弱声压信号的有效探测,并且该光纤声波传感结构具有无源性和抗电磁干扰的特点,在一些极端环境（如:高压变电等复杂现场）的声音/振动信号探测方面有着非常广泛的应用前景。因此,本文提出了一种基于MEMS薄膜的光纤F-P声波传感器,并对其开展了系统性研究工作,主要内容如下:本文首先介绍了光纤声波传感器和MEMS声波传感器的研究现状;然后介绍了MEMS薄膜的优异特性并对其做了应力仿真分析,提出将MEMS氮化硅薄膜作为声压敏感膜,并利用其与单模光纤端面构成的光纤F-P腔来进行声波传感。同时,采用周期性环形波纹结构设计的MEMS膜来增强声学检测的灵敏度。这为后续光纤声波传感器的制作提供了理论依据。接着详细介绍了此光纤声波传感器的工作原理及制作过程,包括MEMS薄膜的制备以及光纤声波探头的制作;并将此传感器接入光纤声波探测系统,从响应特性、信噪比、灵敏度等方面测试对比了基于不同MEMS薄膜参数的光纤声波传感器的性能,并将其与电子麦克风进行了对比分析。最后,本文还从薄膜的制备工艺和光纤声波探头的结构等方向提出了优化意见。实验结果表明,基于周期性环形波纹状MEMS薄膜的光纤声波传感器比电子麦克风（50mV/Pa）具有更高的灵敏度,其在1kHz频率下的声压灵敏度为2.23V/Pa;信噪比高达79.08dB,相应的最小可探测声压低至2.97μPa/Hz1/2,比电子麦克风的灵敏度高出20倍以上,能检测到更微弱的声音信号;对外界声音信号的解调还原效果也比较理想。此外,它还具有良好的一致性等优点,它可以与单问询系统集成在多路复用光纤传感方案中,以实现声学阵列传感器。