专利名称：光纤兼容声学传感器的制作方法
光纤兼容声学传感器
优先权要求
本申请要求2010年3月15日提交的美国临时专利申请US61/314，090 ;2010年5月4日提交的美国临时专利申请US 61/331,303 ;以及2010年9月13日提交的美国临时专利申请US 61/382,385的权益。每个上述申请的全部内容都包含在此以供参考。技术领域
本申请一般地涉及声学传感器系统，并且更具体地涉及光纤兼容声学传感器系统。
背景技术：
已公开基于法布里-珀罗(Fabir-PeiOt)干涉仪腔的两个反射镜的相对位移提供声压测量值的各种光纤传感器系统。参见例如M.Yu等人的“Acoustic MeasurementsUsing a Fiber Optic Sensor System”，J.1ntelligent Material Systems andStructures, vol.14, 409-414 页(2003 年 7 月)；K.Totsu 等人的 “Ultra-MiniatureFiber-Optic Pressure Sensor Using White Light Interferometry”，J.Micromech.Microeng.，vol.15，71-75 页(2005) ;W.B.Spillman，Jr.等人的 “Moving Fiber-OpticHydrophone”，Optics Lett., vol.5,n0.1,30-31 页(1980 年 I 月)；Κ.Kardirvel等 人 的“Design and Characterization of MEMS Optical Microphone forAeroacoustic Measurement，，，42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting andExhibit, 2004年I月5-8日，Reno, Nevada (美国内华达州里诺市)；J.A.Bucaro等人的“Miniature，High Performance, Low-Cost Fiber Optic Microphone”，J.Acoust.Soc.Am.，vol.118，n0.3，1406-1413 页第一部分(2005 年 9 月)；Τ.Κ.Gangopadhyay 等人的“Modeling and Analysis of an Extrinsic Fabry-Perot Interferometer Cavity”，Appl.0ptics, vol.44, n0.16, 312-3196 页(2005 年 6 月 I 日)；以及 P.J.Kuzmenko 的“Experimental Performance of a Miniature Fabry-Perot Fiber Optic Hydrophone”，Proceedings of 8th Optical Fiber Sensors Conference, Monterey, California(美国加利福尼亚州蒙特里市)，1992年I月29日至31日，354-357页；0.KilicjM.Digonnetj G.Kino 以及 0.Solgaard 的 “External fiber Fabry-Perot acoustic sensorbased on photonic-crystal mirror，，，18th International Optical Fiber SensorsConference, Cancunj Mexico (墨西哥坎昆市)(2006) ;0.Kilic，Μ.Digonnet，G.Kino以 及 0.Solgaard 的“External fibre Fabry - Perot acoustic sensor based on aphotonic-crystal mirror”，Meas.Sc1.Techno1.18，3049 - 3054 (2007) ；0.Kilicj M.Digonnet, G.Kino 以及 0.Solgaard 的“Photonic-crystal-diaphragm-based fiber-tiphydrophone optimized for ocean acoustics，，，19th International Optical FiberSensors Conference, Perth, Australia (澳大利亚拍斯市)(2008) ;0.Kilic，Μ.Digonnet,G.Kino 以 及 0.Solgaard 的“Fiber-optical acoustic sensor based ona photonic-crystal diaphragm，，15th International Conference on Solid-StateSensors, Actuators, and Microsystems, Denver, CO (2009)。
光子晶体板(Photonic-crystal slabs，即PCS)为具有空间周期性变化折射率的光子晶体结构。PCS展现引导谐振光学模式，其被严格限制在PCS中，但是由于周期变化的折射率而通过相位匹配机构被耦合至入射辐射。这些引导谐振模式通常作为叠加在平滑变化背景上的清晰的费诺线形(Fano Iineshapes)而在传输或反射光谱中显示。参见例如 M.Kanskar 等人的 “Observation of leaky slab modes in an air-bridgedsemiconductor waveguide with a two-dimensional photonic lattice”， Appl.Phys.Lett., vol.70, 1438 页(1997) ;V.N.Astratov 等人的“Resonant coupling ofnear-1nfrared radiation to photonic band structure waveguides，，，J.LightwaveTechnol., vol.17, 2050 页(1999);以及 S.Fan 和 J.D.Joannopoulos 的“Analysis ofguided resonances in photonic crystal slabs，，Phys.Rev.B, vol.65，35112 页(2002)。当前已在发光二极管和激光器中作为滤光片或反射镜使用该引导谐振模式。发明内容
在一些实施例中提供一种声学传感器。该传感器包括具有反射兀件的膜片。该传感器也包括相对于该反射元件定位的光纤，以便由反射元件反射从光纤发出的光。光纤的第一端和反射元件在两者之间形成光学腔。该传感器还包括机械耦合膜片和光纤的结构性元件。一些实施例的该结构性元件包括这样的材料，其热膨胀系数基本上类似于光纤的热膨胀系数。例如，一些实施例的该结构性元件包括二氧化硅。
在一些实施例中，至少一部分由反射元件反射的光能够传播到光纤中。光纤的第一端能够包括第二反射元件。第二反射元件和反射元件能够在两者之间形成法布里-珀罗腔(Fabry-Perot cavity)。在一些实施例中，光纤能够包括熔凝二氧化娃,并且结构性元件也能够包括熔凝二氧化娃。在一些实施例中，反射元件能够包括光子晶体结构。另外，一些实施例的膜片能够包括二氧化硅。在各个实施例中，声学传感器的膜片能够具有约等于光纤第一端和反射元件之间距离的厚度。
在一些实施例中，声学传感器还能够包括具有二氧化硅的补偿元件。该补偿元件能够与膜片间隔，并且定位在光学腔内。一些实施例的膜片能够具有这样的横向尺寸，并且该横向尺寸和光纤直径的比能够在1.2至8的范围内。膜片能够具有包括一定面积的可移动部分，并且该面积与光纤的横截面面积的比能够在1.4至64的范围之间。
在一些实施例中，膜片能够包括一个或更多流体管。一个或更多流体管能够与反射元件分离。在一些实施例的声学传感器中，光学腔能够包含液体。声学传感器还能够包括至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件，从而提高灵敏性。至少一个通常可压缩和通常有弹性元件能够为气泡。
在一些实施例中提供一种声学传感器。该声学传感器包括反射元件。该传感器也包括相对于该反射元件定位的光纤，以便由反射元件反射从光纤发出的光。光纤的第一端和反射元件在两者之间形成光学腔。光学腔包括具有随着温度变化的反射率的介质。在这些实施例中，光学腔内的元件具有这样的热膨胀系数和厚度，其补偿随着温度变化的反射率。
在各个实施例中，该介质能够为水。在这些实施例中，光学腔内的元件能够包括二氧化硅，并且能够具有约等于光纤第一端和反射元件之间距离的厚度。在一些实施例中，光学腔内的元件能够为膜片，其被机械耦合至反射元件。光学腔内的元件也能够被机械耦合至光纤。
在一些实施例中提供一种制作声学传感器的方法。该方法包括提供膜片。膜片包括反射元件。该方法还包括相对于反射元件定位光纤，以便光从光纤发出，并且由反射元件反射。相对于反射元件定位光纤包括在两者之间形成光学腔。该方法还包括利用结构性元件将膜片机械耦合至光纤。该结构性元件包括这样的材料，其膨胀系数类似于光纤的热膨胀系数。例如，该结构性元件能够包括二氧化硅。
在一些实施例中,提供包括反射元件的膜片能够包括提供作为反射元件的光子晶体结构(photonic-crystal structure)。在这些实施例中，提供光子晶体结构能够包括提供通过光刻法制作的光子晶体结构。在各个实施例中，制作声学传感器的方法还能够包括将膜片娃酸盐粘结(silicate bonding)至结构性元件。
制作声学传感器的方法还能够包括使用这样的元件，该元件包括具有光学腔的二氧化硅。在一些该实施例中，本方法还能够包括选择包括二氧化硅的该元件的厚度，使其约等于光纤的第一端和膜片之间的距离。一些实施例的方法还包括选择膜片直径，从而提高机械顺从性。本方法还包括选择膜片横截面积，从而提高机械顺从性。
在一些实施例中，该方法还能够包括使用一个或更多与反射元件分离的流体管。在一些实施例中，该方法还能够包括使用至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件，从而提高灵敏性。该至少一个通常可压缩和通常有弹性的元件能够为气泡(gas bubble)。
图1A-1B示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。
图2示出作为各种温度的波长函数的示例性声学传感器的一部分响应图。
图3示出与包含硅的传感器比较的作为包含二氧化硅的法布里-珀罗传感器温度函数的计算谐振波长变化的例图。
图4A-4B示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。
图5示出关于根据本文所述一些实施例的熔凝二氧化硅膜片不同厚度的光路径长度的温度灵敏性变化图。
图6示出对具有在450nm厚度硅膜片上制作的800nm直径和900nm周期的正方形图案孔的示例性光子晶体计算的反射光谱。
图7示出作为根据本文所述的一些实施例的示例性传感器的温度函数的在1550nm时计算的反射率变化。
图8示出来自各种因素的对作为温度函数的谐振波长变化的影响。
图9示意性示出根据本文所述一些实施例的具有流体管的声学传感器的例子。
图10示出根据本文所述的一些实施例的对变化反射率和腔体长度计算的光纤法布里-珀罗的精细度。
图11A-11B示意性示出根据本文所述的一些实施例的示例性聚焦元件。
图12示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器的例子。
图13A示出展示和第二传感器并联的第一传感器的交叉耦合的示例性响应曲线。
图13B示出展示和第一传感器并联的第二传感器的交叉耦合的示例性响应曲线。
图14A示出展示根据本文所述一些实施例的和第二传感器并联的第一传感器的减低或基本消除交叉耦合的示例性响应曲线。
图14B示出展示根据本文所述一些实施例的和第一传感器并联的第二传感器的减低或基本消除交叉耦合的示例性响应曲线。
图15示意性示出根据本文所述的一些实施例的示例性光刻制作工艺。
图16示意性示出产生根据本文所述的一些实施例的背侧图案的示例性制作工艺。
图17A-17C示意性示出作为根据本文所述的一些实施例的二氧化硅结构性元件构造块使用的三块单独晶片示例性部分及其孔的样式。
图18示意性示出晶片，其已被粘结在一起并且附接至光子晶体结构和光纤，从而形成根据本文所述的一些实施例的传感器头部。
图19示意性示出根据本文所述的一些实施例的由于苯甲酸苯酯(PhenylBenzoate)产生的力。
图20A-20B示意性示出在降低用于获得根据本文所述的一些实施例的两个元件之间的良好粘结的电弧的方法中使用的结构。
图21示出制作根据本文所述的一些实施例的声学传感器的示例性方法的流程图。
图22示意性示出根据本文所述的一些实施例制作和装配的示例性声学传感器。
图23A示出根据本文所述的一些实施例制造的光子晶体反射镜顶视图的扫描电子显微图。
图23B示出根据本文所述的一些实施例制造的光子晶体反射镜成角度视图的扫描电子显微图。
图23C示出根据本文所述的一些实施例制造的传感器的照片。
图24示意性示出用于测试示例性传感器的声学评定设置。
图25示出校准的基准传声器和示例性声学传感器之间测量的相干性。
图26示出示例性传感器的测量频率响应。
图27示出对于示例性传感器的测量噪声(顶部曲线)、光电子噪声(中间曲线)、以及由于检测电子装置的噪声(底部曲线)。
图28示出具有图26中所示的频率响应的示例性传感器的测量最小可检测压力(MDP)0
图29示出硅传感器(顶部曲线)和示例性二氧化硅传感器(底部曲线)的谐振波长的测量的热稳定性。
图30不出用于根据本文所述的一些实施例的海洋声学的不例性光声学传感器系统。
图31示意性示出用于生产根据本文所述的一些实施例的传感器系统的示例性制作工艺。
图32示出根据本文所述的一些实施例的示例性膜片上的光学轮廓测定法的测量值。
图33示出根据本文所述的一些实施例的示例性封装的传感器系统的照片。
图34示出根据本文所述一些实施例的通过描述传感器系统声学和与光电子接口的各种集总元件形成的示例性等效电路。
图35A示出作为通过集总元件模型计算的频率函数的第一传感器的示例性计算响应曲线。
图35B示出被转移至示例性膜片的计算噪声谱(实线)，示出来自辐射声阻(虚线)、孔声阻(点线)以及通道声阻(点划线)的影响。
图35C示出计算噪声谱(实线)，示出来自第二传感器(虚划线)和第三传感器(点线)的噪声耦合以及根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统中的光电子噪声(点划线)的影响。
图36A示出作为根据一些实施例的示例性膜片上的频率的函数的计算最小可检测压力(MDP)，示出海中的最小环境噪声作为基准。
图36B示出作为当两个并联传感器处于未运行时的频率函数的最小可检测压力。
图37A示出作为膜片位移的函数的计算线性，其示出膜片位移(实线)、法布里-珀罗响应(虚线)以及被耦合回光纤的功率(点线)的归一化线性。
图37B示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器系统中的第一传感器(实线)、第二传感器(虚线)以及第三传感器(点线)的压力幅度函数的总谐波失真(THD)。
图38示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器系统中的第一传感器(实线)、第二传感器(虚线)以及第三传感器(点线)的环形通道频率函数的雷诺数(Reynoldsnumber)ο
图39示意性示出经设置从而特征化根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统的例子。
图40示出根据本文所述的一些实施例的基准传感器系统和示例性传感器系统之间的相干性。
图41A示出对示例性传感器系统(实线)和理论拟合(虚线)的测量频率响应。
图41B示出对示例性传感器系统(实线)和理论拟合(虚线)的测量最小可检测压力(MDP)。
图42示出根据本文所述的一些实施例的示例性传感器系统的测量功率谱。
具体实施方式
光声学传感具有各种重要的应用。例如，对于结构性状态监控，声学传感器能够监控巨大的宇宙航空和风能结构的状态。声学传感器也能够提供移动检测、跟踪、以及在国防应用中报告远距离的潜艇接触。作为进一步例子，能够监控和控制来自油井以及石油和天然气应用中的油井内的井和区域的产量。在另一例子中，声学传感能够测量在许多医用应用包括生命维持装置中的任何体液的压力。
本文所述的一些实施例包括这样的结构、元件和特征，其有利地解决了以前公开的声学传感器产生的一种或更多问题，以前公开的声学传感器利用机械膜片、第一反射兀件和第二反射元件(例如，一个或更多光子晶体板)，从而产生具有对声波(例如，从周围环境入射到传感器上的声波，或者在传感器内产生的声波)响应的光学特性的法布里-拍罗传感器。本文所述的一些实施例能够通过适当改进这些以前公开的声学传感器实施。在以下文献中公开了该以前公开的声学传感器的例子，即2009年4月28日授权的美国专利US7，526，148 ；2009年12月8日授权的美国专利US 7，630, 589 ；2010年10月5日提交的美国专利US 7，809，219;以及2011年2月I日提交的美国专利US 7，881，565，每个文献的全部内容都包含在此以供参考，以及美国专利申请公开US2011/0041616，其全部内容也包含在此以供参考。下文所述的结构、元件和特征能够单独使用，或者在两种或更多组合中彼此结合使用。能够通过适当改进其他以前公开的声学传感器构造(例如不相应于美国专利US7, 526, 148、美国专利 US 7，630，589、美国专利 US 7，809，219、美国专利 US 7，881，565 以及美国专利申请公开US 2011/0041616中所述的那些构造的构造)可替换地实施本文所述的一些实施例。
对热变化的减低的灵敏性
图1A-1B不意性不出根据本文所述一些实施例的不例性声学传感器10。声学传感器10包括膜片20，膜片20包括反射元件22。在一些实施例中，膜片20可通过声波400偏转，并且如在声学传感器中通常使用的一样包括硅。在一些其他实施例中，如下文将更详细所述，膜片20能够有利地包括二氧化硅。在其他实施例中，膜片20能够包括氮化硅。其他材料也是可能的。能够将一些实施例的反射元件22定位(例如，沉积)在膜片20上。在一些实施例中，能够将反射元件22直接粘结至膜片20 (例如，通过热粘结)。在一些实施例中，如图1A-1B中所示，反射元件22被背向光纤30定位(例如，沉积或粘结)在膜片20的表面上。然而，在其他实施例中，也能够将反射元件22面朝光纤30定位(例如，沉积或粘结)在膜片20的表面上。在其他实施例中，能够将反射元件22定位(例如存在于)在膜片20之内。在不同实施例中，膜片20包括反射元件22,反射元件22包括光子晶体结构。
在一些实施例中，反射元件22包括金属反射镜结构(例如，一层或更多层金、银、铝、铬或其组合)。在一些实施例中，能够使用例如约2至约5nm厚度的铬作为反射元件22下的粘着层。在这些实施例中，铬能够相对吸收感兴趣的特定波长。反射元件22还能够包括薄(例如约10纳米至约100纳米厚)氧化硅层，从而保护金属表面不受氧化和擦伤。
在一些其他实施例中，反射元件22包括介质镜(例如,包括具有选择厚度和折射率的多层透明介质层的多层结构，从而提供预定反射率)。在一些该实施例中，介质镜能够具有约I微米至5微米的厚度，并且能够具有约几平方英寸的面积(例如贯穿框架伸展的膜)。本文所述的兼容一些实施例的介质材料的例子包括(但不限于)二氧化硅、氟化镁、一氧化硅以及氧化钽。
在一些实施例中，反射元件22包括至少一部分光子晶体结构。一些实施例的光子晶体结构包括一个或更多光子晶体板。为了根据一些这种实施例制作光子晶体板，介质层，诸如硅或氮化硅被沉积在膜片20的外部表面上，并且继而带有穿过介质层的孔的样式。与本文所述的一些实施例一致的示例性工艺完全在以下文献中讨论，即美国专利US.7，526，148 ;美国专利 US.7，630，589 ;美国专利 US 7，809，219 ;美国专利 N0.7，881，565以及美国专利申请公开US2011/0041616，每个文献的全部内容都包含在此以供参考。
声学传感器10还包括相对于反射元件22定位的光纤30，以便由反射元件22反射光纤30发出的光。一些实施例的光纤30为单模光纤。与本文所述的一些实施例一致的例子包括(但不限于)二氧化娃基光纤、纽约康宁公司(Corning Incorporated ofCorning, NewYork)市售的SMF-284光纤、截止位移光纤、低水峰光纤、色散位移光纤、非零色散位移光纤以及非标准微结构光纤(例如，光子晶体光纤)。
如图1A-1B所示，光纤30包括反射元件32 (例如，光纤30的第一端32)，并且反射兀件22和光纤30的反射兀件32在两者之间形成光学腔。在一些实施例中，光纤30的反射元件32和反射元件22彼此间隔500纳米至50微米的距离。在一些实施例中，具有更小的光学腔40的传感器10能够具有更有利的热稳定性。在一些实施例中，光学腔40包括气体(例如空气)，而在其他实施例中，光学腔40包括液体(例如水)。
在一些实施例中，光纤30传输来自光源的光，从而照射至少一部分反射元件22。与本文所述的一些实施例一致的光源例子包括(但不限于)单色光源(例如，激光，激光二极管)、宽带光源(例如，白炽灯、发光二极管)以及可调光源(例如，可调激光)。
在一些实施例中，光纤30的反射元件32包括处于光纤30的第一端或位于其上的金属层，其部分反射或部分传输从光纤30发出的光。在一些实施例中，金属层包括不同材料的多层子层，该不同材料的例子包括(但不限于)铬、金、银、铝及其组合。在一些该实施例中，金属层还包括薄(例如，在约10纳米至约100纳米厚度之间)氧化硅层，从而保护金属层不受氧化和擦伤。在一些实施例中，金属层具有I纳米至50纳米范围内的厚度。在一些其他实施例中，光纤30的反射元件32包括处于或光纤30的第一端或位于其上的介质镜，其包含多层介质材料层。与本文所述的一些实施例一致的介质材料的例子包括(但不限于)氟化镁、硫化锌、二氧化硅、二氧化钛和五氧化钛。在一些实施例中，光纤30的反射元件32包括处于光纤30的第一端或位于其上的光子晶体结构。
在光纤30的反射元件32包括光纤30的部分反射端的实施例中，光纤30的末端和膜片30的反射元件22在两者之间限定法布里-珀罗光学腔40。在光传播出光纤30之后，反射元件32所反射的至少一部分光反向传播到光纤30中。随着入射声波400偏转膜片20，就能够产生法布里-珀罗反射光谱中的移频。随着法布里-珀罗光学腔40以固定波长反射的功率变化，就能够检测出该移频。
在一些实施例中，除了偏移膜片20并且影响光学腔40的入射声场之外的一种或更多因素能够引起法布里-珀罗光谱中的移频，并且因此在测量声压中能够发生误差。例如，如果法布里-珀罗光学腔40的温度缓慢升高，围绕法布里-珀罗光学腔40的材料就能够膨胀。因此，法布里-珀罗光学腔40的空间能够增大，并且反射光谱缓慢移频。在一些实施例中，不能从声压的缓慢变化辨别该移频。此外，由于在探查波长中，反射功率随波长(或光频)的变化率能够随着光谱移频而变化，声学传感器10的一些实施例对反射元件22的给定位移的响应率也能够变化。
在图2中示出该工艺，其绘出作为不同温度的波长的函数的示例性声学传感器10的一部分响应(反射功率/入射功率)。随着温度升高以及光谱移频(移至图2中的左侧)，由一点表示的激光波长(固定)处的运行(或偏斜)点从最右边光谱中的曲线的最陡部分移动(对与最大灵敏性)至较不陡部分。在一些实施例中，可能不期望这种情况，因为与曲线的斜率成比例的声学传感器10的比例因子变小，例如传感器响应声场的校准降低。因为比例因子并且因此该响应能够变化，所以也不期望这种情况。因为其能够以不能预测的方式变化，所以就能够威胁到声学传感器10执行声功率校准测量的能力。导致该外部光谱移频的一种重要环境参数是温度。如上所述，声学传感器10位于其中的介质的温度变化能使光谱移频。具体地，如果光纤30和围绕光学腔40的材料的热膨胀系数不同，光学腔40就能够经历随着温度变化的长度改变。
因而，本文所述的一些实施例有利地利用结构性元件，该结构性元件机械耦合膜片20和光纤30，并且包括具有和光纤30的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料。例如，在如图1A-1B所示的一些实施例中，声学传感器10包括结构性元件50,该结构性元件50机械耦合膜片20和光纤30并且围绕光学腔40，其中结构性元件50有利地包括具有和光纤30的热膨胀系数类似的热膨胀系数的材料。在一些实施例中，如图1B所示，结构性元件50包括多个元件。另外，在如下文将更完整描述的一些实施例中，结构性元件50能够包括一个或更多孔、流体管或通道55。
在一些实施例中，光纤30由熔凝二氧化硅制成，其具有小热膨胀系数(例如，α =0.55X10^7° C)，并且结构性元件50也包括熔凝二氧化硅。通过使用由和光纤30相同的低热膨胀系数材料的制成的结构性元件50，声学传感器10就表现地对环境温度的变化基本不敏感。在下文所述的一些实施例中，能够将光纤30插入毛细管内。在不同实施例中，毛细管能够有利地包括这样的材料，其具有和光纤30类似的热膨胀系数。例如，该材料能够为二氧化硅。
如图1B中所示,一些实施例的声学传感器10还包括基本上围绕包括反射元件22的膜片20的外壳60、结构性兀件50、光学腔40以及光纤30。在一些实施例中，夕卜壳60能够包括多个兀件，例如保护膜61和背仓外壳62。保护膜61能够使反射兀件22和光学腔40与环境隔绝，例如从而使污染物远离并且防止腐蚀。能够配置保护膜61，从而允许声波400穿过保护膜61传播，从而偏转膜片20 (例如，保护膜61能够包括柔性、聚合物材料)。
在一些实施例中，背仓外壳62能够围绕与光学腔40流体相通的背仓或储液器65。如图1B中所示，也能够将其耦合至结构性元件50和光纤30。在一些实施例中，背仓外壳62包括铜或铝。在其他实施例中，为了上文所述的原因，背仓外壳62有利地包含与光纤30和/或结构性元件50的热膨胀系数类似的材料。因而，背仓外壳62能够包含二氧化硅。
图3示出作为法布里-珀罗传感器10的温度函数的谐振波长变化的例图，该法布里-珀罗传感器10包括传感器头部，与使用1550nm检测长度的包含硅的头部相比，该传感器头部根据本文所述 的一些实施例包含二氧化硅。如图3所示，一些实施例的全二氧化硅传感器10 (例如，二氧化硅光纤30、二氧化硅毛细管以及二氧化硅结构性元件50)与具有硅光纤和硅传感器头部的传感器相比，提供了明显提高的热稳定性。
在一些实施例中，热膨胀对声学传感器10的灵敏性的影响至少为小于其他影响声学传感器10的灵敏性的因子10。模拟显示，通过合适的设计，声学传感器10的一些实施例的灵敏性对于温度的超过100° C的变化，其变化都不超过10%。假设法布里-珀罗腔40填充空气，对于具有10 μ m反射镜间隔和精细度30的法布里-珀罗腔40，改变传感器10的灵敏度10%的温度变化为300° C。法布里-珀罗腔的精细度F定义为F=2 π N，其中N是损失因数为Ι/e时的往返行程数。换句话说，腔内的能量在N往返行程后从其初始值将为Ι/e。温度变化大约与精细度成反比，以便，例如具有10 μ m反射镜间隔和精细度30的法布里-珀罗腔40的传感器10对于不超过10%的灵敏性变化能够耐受最大为30° C左右的温度变化。
对于含有水的法布里-珀罗腔40，水的反射率的热变化能够进一步对光纤兼容声学传感器10的一些实施例的性能产生负面影响。在一些实施例中，其中在水中使用图1B的传感器10作为水听器，法布里-珀罗腔40填充水。该水能够为传感器或水听器头部所浸没在其中的环境水，或者为通过封闭物诸如保护膜61与环境水隔绝的单独储水器。水的折射率随着温度变化，该变化超过空气的折射率，并且其对传感器10的热灵敏性的影响约比硅的热膨胀的影响大一个数量级(对于约1550nm的光波长，水的dn/dT系数为-11.8Χ1(Γ6/。C)。
在图1Α-1Β示意性示出的传感器10中，填充水的腔体的最大可耐受温度变化通常比填充空气的腔体的最大可耐受温度变化因子小15。例如，对于具有IOym填充水的精细度30的法布里-珀罗腔40，使传感器的灵敏性变化10%的温度变化仅为20° C。该温度变化大约与精细度成反比，所以，例如具有精细度为300的腔体40的传感器10对于不超过10%的灵敏性变化，仅能够耐受最大为2。C的温度变化。
本文所述的一些实施例有利地补偿了水的折射率随温度的变化。图4Α示意性示出兼容本文所述的一些实施例的声学传感器10的例子。声学传感器10包括反射元件22。声学传感器10还包括相对于反射兀件22定位的光纤30,以便由反射兀件22反射光纤30发出的光。光纤30的反射元件32和反射元件22限定了两者之间的光学腔40。光学腔40包括具有随温度变化的折射率的介质。声学传感器20还包括补偿元件25，其定位在光学腔40中，并且具有一定的热膨胀系数和厚度。在一些实施例中，选择该热膨胀系数和厚度，以便补偿元件25补偿介质随温度变化的折射率。在一些该实施例中，与不具有补偿元件的光学传感器相比，该补偿足以使光学传感器在性能上具有减低的热变化。
补偿元件25能够包括一个或更多材料块，选择该一个或更多材料块从而提供热膨胀系数和总厚度，以便传感器10对温度变化具有减低的灵敏性。如图4Α中所示，光学腔40中的补偿元件25包含与膜片20间隔隔开的材料。该材料能够为部分光线30的第一端32。例如，在将光纤30插入传感器头部之前，能够将该材料附接至光纤30的反射端。在一些这样的实施例中，其中光纤30的反射元件32沿光纤30间隔并且远离光纤30的末端，补偿元件25就能够包括反射元件32和光纤30的末端之间的光纤30的部分。作为替换方式，至少一部分补偿元件25能够通过微加工形成，以便其能够部分地定位在光纤30的反射元件32和反射元件22之间。例 如，至少一部分补偿元件25能够位于面对光纤30的膜片20上(或者能够被机械耦合至光学传感器10的另一部分(例如，结构性元件50))。
在图4Β中所示的一些实施例中，至少一部分膜片20能够起光学腔40中的补偿元件25的作用。根据一些这样的实施例，其中膜片20包含二氧化硅，光学腔40中的补偿元件25具有基本等于光纤末端32和膜片之间的间隔(在图4Β中以W标出)的厚度(在图4Β中以S标出)。反射元件22能够涂有一种材料，或者在膜片20上制作。间隔体积填充水，并且从背向光纤30的膜片20侧上的反射元件22反射光。如上所述，反射元件22能够包括在膜片20上形成、沉积或与其粘结的金属层、电介质或光子晶体结构。
对于给定的温度变化，熔凝二氧化硅的反射率与水的变化量相同，但是方向相反(对于1550nm的光波长，熔凝二氧化硅的dn/dT系数约为+12.8 X 10—7° C，而对于这些光波长，水的dn/dT约为-12.8X 10_6/° C)。因此，在一些该实施例中，当光通过水和二氧化硅传播大约相等的距离时，温度对水的折射率的影响被温度对二氧化硅的折射率的影响有效消除。图5示出这样的图，其示出关于熔凝二氧化硅膜片20的不同厚度的光程长度(物理长度乘以折射率)的温度灵敏性变化。图5相应于将光纤的反射尖端32和膜片之间的间隔(在图4B中以“W”标出)固定在10 μ m，并且膜片厚度(在图4B中以“S”标出)从6μπι变化至10 μ m,总光学厚度(T=S+W)从16 μ m变化至20 μ m。光在相对于膜片厚度的腔体内行进的光程长度的温度灵敏性的绝对值(以实线绘出)明显低于非二氧化硅膜片的温度灵敏性的绝对值(在图5中以点划线示出)，并且对于约6.15 μ m至10 μ m的全部膜片厚度范围，都低于最大经验温度灵敏性之下(在图5中以点线示出)。观察约8.15 μ m膜片厚度的最小温度灵敏性，其相应于其中折射率变化和材料膨胀彼此补偿的传感器10，以便传感器10表现地基本对温度变化不敏感。在一些实施例中，对于膜片厚度的实践范围，具有填充水的腔体以及使用适应膜片20的传感器10或水听器甚至比具有填充空气的腔体的传感器更不敏感(在图5中以虚线示出)。能够对补偿元件以及光学腔体的其他介质的其他材料确定关于补偿元件的不同厚度的光程长度的温度灵敏性dn/dT之间的关系。
在一些实施例中，选择膜片厚度，从而使得具有填充水的腔体的传感器基本对热效应不敏感。例如，在传感器包括在膜片20和光纤30之间的10 μ m填充水的腔体的一些实施例中，膜片厚度在约5 μ m至约12 μ m之间、约7 μ m至约10 μ m之间、或约8 μ m至约9 μ m之间。在一些实施例中，膜片20的厚度和膜片20与光纤30之间的腔体尺寸之比在约0.5至约1.2之间、约0.7至约I之间、约0.8至约0.9之间。在图5中所示的对于IOym填充水的腔体的8.15 μ m膜片厚度值基于这样的假设，即从膜片20的外部表面上的反射元件22直接反射光。当使用金属层作为反射元件22时，该假设正确。然而，当使用电介质反射镜或光子晶体(厚度能够在约0.5 μ m至5 μ m之间变化)时，光在被反射之前，形成超过膜片20的外部表面进入反射元件22。因此，为了补偿反射元件22随温度变化的热膨胀和折射率，能够调整膜片厚度，从而对给定的反射元件22获得最佳温度不灵敏性。
因为厚膜片20 (例如，8.15μπι厚)的机械顺从性低，所以在一些实施例中难以偏转该膜片20。在一些实施例中，如下文更全面所述，能够通过增大膜片20的直径以提高提高机械顺从性而解决该问题。
关于图4Β中示意性示出的示例性构造的另一个问题在于，从二氧化硅膜片20的表面朝着光纤30的反射。然而，由于二氧化娃和水的反射率之间的差别小(1550nm波长时，η二氧化桂=1.444VS.n*=1.316)，随意来自二氧化硅-水界面因此来自膜片表面21的反射(R)能够忽略不计(R〈0.3%)。在一些实施例中，也能够通过在膜片20的表面21上沉积抗反射涂层而消除或基本上降低该反射。
在反射元件22包括光子晶体反射镜的实施例中，光子晶体反射镜的热响应是影响传感器10的热稳定性的另一因素。随着温度变化，光子晶体反射镜材料的反射率变化，并且其物理尺寸(例如材料的厚度、周期结构诸如孔体的周期和直径)也变化。由于所有这些参数都影响光子晶体反射镜的反射光谱，所以随着这些参数变化，光谱也变化。作为光子晶体反射镜的反射性变化的结果，法布里-珀罗光学腔40的精细度变化，其反射光谱的斜率也变化，在图2中所示的最佳偏压点尤其如此，并且传感器10的比例因子也变化。
温度对光子晶体反射镜的反射光谱影响的时域有限差分法(FDTD)模拟显示，对于特定应用，该影响小。例如，图6示出对这样的示例性光子晶体结构计算的反射光谱，该结构具有在厚度为450nm硅膜片20上制作的，直径为800nm并且周期为900nm的正方形图案孔。选择这些参数，从而在1550nm获得高反射、获得该传感器类型的传统目标波长。该光子晶体设计提供在1550nm的 99%反射率，以及对99%反射率的48nm带宽。
使用相同的FDTD方法，考虑反射率、孔半径、周期以及膜片的厚度中的变化，能够在不同温度模拟相同光子晶体结构的光谱。图7示出作为根据本文所述的一些实施例的传感器10的温度函数的在1550nm的反射率经计算变化。对于预定的温度范围，例如从约20° C至约80° C的最大模拟温度，反射率保持在其20° C值的0.02%变化范围内。图7中未示出的99%反射率的光子晶体结构的带宽随着温度变化保持在2.1%变化范围内。在一些实施例中，该反射率在约20° C至约80° C的温度范围内，保持在其20° C值的0.03%、0.04%、0.05%、0.08%、0.10% 变化范围内。
光子晶体反射率的该小变化的结果是这样的，即假设光纤30的末端32的反射元件32的90%发射率，传感器的谐振波长在400° C温度范围内保持在0.02nm之内，其转化为法布里-珀罗光学腔96的标定精细度。
对基于法布里-珀罗声学传感器10的热不稳定性的另一种影响在于光学腔40，例如内部腔介质反射率的热引发变化。当该介质为空气时，如传声器的情况下，该影响能够忽略不计。然而，当该介质为水，如在水听器的情况下，该折射率中的变化能够导致谐振量级的另外变化:
权利要求
1.一种声学传感器，包括: 膜片，所述膜片包括反射元件； 光纤，所述光纤相对所述反射元件定位，以便通过所述反射元件反射所述光纤发出的光，其中所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔；以及 结构性元件，所述结构性元件机械耦合所述膜片和所述光纤，其中所述结构性元件包含二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的声学传感器，其中至少一部分由所述反射元件反射的光传播到所述光纤中。
3.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光纤的所述第一端包括第二反射元件，所述第二反射元件和所述反射元件在两者之间形成法布里-珀罗腔。
4.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光纤包含熔凝二氧化硅，以及所述结构性元件包含熔凝二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述反射元件包括光子晶体结构。
6.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片包含二氧化硅。
7.根据权利要求6所述的声学传感器，其中所述膜片具有大约等于所述光纤的所述第一端和所述反射元件之间的距离的厚度。
8.根据权利要求1所述的声学传感器，还包括与所述膜片间隔的并且定位在所述光学腔内的包含二氧化硅的补偿元件。
9.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片具有横向尺寸，并且所述横向尺寸与所述光纤直径的比在1.2至8之间。
10.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片具有可移动部分，所述可移动部分具有一面积，并且所述面积与所述光纤的横截面面积的比在1.4至64之间。
11.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述膜片包括一个或更多流体管。
12.根据权利要求11所述的声学传感器，其中所述一个或更多流体管与所述反射元件分离。
13.根据权利要求1所述的声学传感器，其中所述光学腔包含液体。
14.根据权利要求13所述的声学传感器，还包括至少一个基本可压缩和基本有弹性的兀件，从而提闻灵敏性。
15.根据权利要求14所述的声学传感器，其中所述至少一个基本可压缩和基本有弹性的元件为气泡。
16.—种声学传感器,包括: 反射元件； 光纤，所述光纤相对所述反射元件定位，以便通过所述反射元件反射所述光纤发出的光，其中所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔，所述光学腔包含具有随着温度变化的折射率 的介质；以及 位于所述光学腔内的元件，其具有补偿所述随温度变化的折射率的热膨胀系数和厚度。
17.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述介质为水。
18.根据权利要求17所述的声学传感器,其中所述光学腔内的兀件包含二氧化娃,并且具有大约等于所述光纤的所述第一端和所述反射元件之间的距离的厚度。
19.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述光学腔内的元件为机械耦合至所述反射元件的膜片。
20.根据权利要求16所述的声学传感器，其中所述光学腔内的元件被机械耦合至所述光纤。
21.—种制作声学传感器的方法,包括: 提供包括反射元件的膜片； 相对所述反射元件定位光纤，以便光从所述光纤发出并且从所述反射元件反射，其中相对于所述反射元件定位所述光纤包括在两者之间形成光学腔；以及 通过结构性元件将所述膜片机械耦合至所述光纤，其中所述结构性元件包含二氧化硅。
22.根据权利要求21所述的方法，其中提供包括反射元件的膜片包括提供作为所述反射元件的光子晶体结构。
23.根据权利要求22所述的方法，其中提供光子晶体结构包括提供通过光刻制作的光子晶体结构。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述膜片硅酸盐粘结至所述结构性元件。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括使用包含二氧化硅的具有光学腔的元件。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括选择包含二氧化硅的元件的厚度，所述厚度大约等于所述光纤的第一端和所述膜片之间的距离。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括选择膜片直径，从而提高机械顺从性。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括选择膜片横截面面积从而提高机械顺从性。
29.根据权利要求21所述的方法，还包括使用与所述反射元件分离的一个或更多流体管。
30.根据权利要求21所述的方法，还包括使用至少一个基本可压缩和基本有弹性的元件从而提闻灵敏性。
全文摘要
一种包括具有反射元件的膜片(20)的声学传感器(10)。所述传感器具有相对于所述反射元件定位的光纤(30)，以便所述光纤发出的光由所述反射元件反射。所述光纤的第一端和所述反射元件在两者之间形成光学腔(40)。所述声学传感器还包括被机械耦合至所述膜片和所述光纤的结构性元件。所述结构性元件包括具有基本上类似于所述光纤的热膨胀系数的热膨胀系数的材料。例如，所述材料能够为二氧化硅。
文档编号G01H9/00GK103154682SQ201180014330
公开日2013年6月12日 申请日期2011年3月14日 优先权日2010年3月15日
发明者O·C·阿卡呀, M·J·F·迪格内特, O·克勒齐, G·S·奇诺, O·索佳德 申请人:里兰斯坦福初级大学理事会