基于金属纹膜的光纤F‑P声压传感器的制作方法

本发明基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器属于声压传感器技术领域。

背景技术：

现阶段，膜片式光纤F-P声压传感器以其响应速度快、灵敏度高、制作简单、成本低、不受环境噪声干扰等优点而大力发展。膜片式光纤F-P声压传感器的特点是敏感膜片和光纤端面构成F-P腔，外界声压信号会使敏感膜片发生振动，进而改变F-P腔的腔长，导致反射光信号发生变化，通过检测该变化，即可实现对外界声压相关信息的检测。

这类声压传感器的性能与膜片直接相关。目前，膜片式光纤F-P声压传感器的膜片为硅、二氧化硅、氮化硅或PET材料制作的平膜，这些膜片应用在膜片式光纤F-P声压传感器中，会有以下问题：

第一、对于膜片材料而言，基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高；而基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度；

第二、对于平膜结构而言，外界压力会使平面变成非平面，面形的误差会直接传递到反射光信号中，使反射光信号存在误差，这又降低了检测的准确性。

技术实现要素：

针对膜片式光纤F-P声压传感器膜片材料与膜片形状的问题，本发明公开了一种基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器；通过改变平膜材料，解决基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高的问题，以及基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度的问题；通过改变膜片形状，解决了面形误差传递到反射光信号中，使反射光信号存在误差，降低检测的准确性的问题。

本发明的目的是这样实现的：

基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，包括金属波纹薄膜、通腔套管、插芯和光纤；所述金属波纹薄膜作为声压敏感元件，用固化胶贴合在通腔套管的一个端面，从通腔套管的另一个端面插有与通腔套管内壁配合的插芯，插芯中心插有端面研磨平整的光纤；通腔套管、插芯和光纤同轴设置，套管和插芯之间用固化胶固定，插芯和光纤之间用固化胶固定；金属波纹薄膜与光纤端面之间构成F-P腔，金属波纹薄膜在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。

上述基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，所述金属波纹薄膜为中间平整、边缘带有褶皱波纹的结构；所述中间平整部分的直径大于光纤的直径，中间平整部分到光纤端面为F-P腔；所述褶皱波纹的截面形状为周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。

上述基于金属波纹薄膜的光纤F-P声压传感器，加工方法包括以下步骤：

步骤a、制作金属波纹薄膜；

步骤b、用固化胶将金属波纹薄膜贴合在通腔套管的一个端面上；

步骤c、从通腔套管的另一个端面插入与通腔套管内壁配合的插芯，并用固化胶固定；

步骤d、从插芯中心插入端面研磨平整的光纤，调节光纤长度，并用固化胶固定。

步骤a的具体方法如下：

步骤a1、在基底上涂一层光刻胶，所述基底为具有平面特征的单晶硅或玻璃；

步骤a2、利用设计好的光刻掩模版，通过光刻不完全曝光的方法将纹膜结构转移到光刻胶上；

步骤a3、利用磁控溅射或电子束沉积工艺在具有纹膜结构的光刻胶上沉积厚度为100nm-1μm的金属膜；

步骤a4、用固化胶将金属波纹薄膜贴合在通腔套管的一个端面上；

步骤a5、利用腐蚀液将光刻胶腐蚀掉，得到金属波纹薄膜。

步骤a的具体方法如下：

步骤a1、在基底上涂一层光刻胶，所述基底为具有平面特征的单晶硅或玻璃；

步骤a2、利用设计好的光刻掩模版，通过光刻不完全曝光的方法将纹膜结构转移到光刻胶上；

步骤a3、利用反应离子刻蚀技术刻蚀基底，将纹膜结构转移到基底上；

步骤a4、在具有纹膜结构的基底上再旋涂一层光刻胶；

步骤a5、利用磁控溅射或电子束沉积工艺在具有纹膜结构的光刻胶上沉积厚度为100nm-1μm的金属膜；

步骤a6、用固化胶将金属波纹薄膜贴合在通腔套管的一个端面上；

步骤a7、利用腐蚀液将光刻胶腐蚀掉，得到金属波纹薄膜。

有益效果：

第一、对于基于硅、二氧化硅和氮化硅材料的膜片加工工艺复杂，制作周期长，成本高的问题，本发明采用了金属材料，通过非常简单的金属加工工艺——光刻技术和溅射技术，即可得到金属膜片，因此简化了加工工艺，减少了制作周期，降低了制作成本。

第二、对于基于PET材料的膜片因加工工艺的原因导致厚度无法降低，降低了机械灵敏度的问题，本发明采用了金属材料，利用其表面张力小的特点，配合第三支撑层边缘有通气孔的结构设计，确保金属膜片两侧压力差值小于阈值，使金属膜片不易破损的机械特性充分发挥，从而大幅降低膜片的制作厚度，提高了光纤微型水听器的机械灵敏度。

第三、对于平膜结构在外界压力下变成非平面，使得反射光信号存在误差，降低了检测准确性的问题，本发明又设计出了一套采用金属纹膜作为膜片的技术方案，纹膜结构，可以改善膜片中心点的变形，确保膜片中心在外界压力下仍然为近似的平面，有效降低反射光信号误差，有利于提高检测准确性。

附图说明

图1是本发明基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器的结构示意图。

图2是金属波纹薄膜褶皱波纹的截面示意图。

图3是基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器加工方法中步骤a的工艺流程图一。

图4是基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器加工方法中步骤a的工艺流程图二。

图5是设计好的光刻掩模版的示意图。

图中：1金属波纹薄膜、2通腔套管、3插芯、4光纤、5固化胶、6基底、7光刻胶、8腐蚀液。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，结构示意图如图1所示。该基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器包括金属波纹薄膜1、通腔套管2、插芯3和光纤4；所述金属波纹薄膜1作为声压敏感元件，用固化胶5贴合在通腔套管2的一个端面，从通腔套管2的另一个端面插有与通腔套管2内壁配合的插芯3，插芯3中心插有端面研磨平整的光纤4；通腔套管2、插芯3和光纤4同轴设置，套管2和插芯3之间用固化胶5固定，插芯3和光纤4之间用固化胶5固定；金属波纹薄膜1与光纤4端面之间构成F-P腔，金属波纹薄膜1在外界声压作用下产生振动，引起F-P腔长的变化，进而导致反射光信号变化，从而检测外界声压相关信息。

具体实施例二

本实施例的基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定金属波纹薄膜1的结构。所述金属波纹薄膜1为中间平整、边缘带有褶皱波纹的结构；所述中间平整部分的直径大于光纤6的直径，中间平整部分到光纤6端面为F-P腔；所述褶皱波纹的截面形状为周期性的正弦形、矩形、三角形或梯形。

在本实施例中，所述褶皱波纹的截面形状为周期性的矩形，如图2所示。

具体实施例三

本实施例的基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，在具体实施例一的基础上，进一步限定其加工方法，包括以下步骤：

步骤a、制作金属波纹薄膜1；

步骤b、用固化胶5将金属波纹薄膜1贴合在通腔套管2的一个端面上；

步骤c、从通腔套管2的另一个端面插入与通腔套管2内壁配合的插芯3，并用固化胶5固定；

步骤d、从插芯3中心插入端面研磨平整的光纤4，调节光纤4长度，并用固化胶5固定。

具体实施例四

本实施例的基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a的具体方法，工艺流程图如图3所示，步骤a的具体方法如下：

步骤a1、在基底6上涂一层光刻胶7，所述基底6为具有平面特征的单晶硅或玻璃；

步骤a2、利用设计好的光刻掩模版，通过光刻不完全曝光的方法将纹膜结构转移到光刻胶7上；

步骤a3、利用磁控溅射或电子束沉积工艺在具有纹膜结构的光刻胶7上沉积厚度为100nm-1μm的金属膜；

步骤a4、用固化胶5将金属波纹薄膜1贴合在通腔套管2的一个端面上；

步骤a5、利用腐蚀液8将光刻胶7腐蚀掉，得到金属波纹薄膜1。

具体实施例五

本实施例的基于金属纹膜的光纤F-P声压传感器，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a的具体方法，工艺流程图如图4所示，步骤a的具体方法如下：

步骤a1、在基底6上涂一层光刻胶7，所述基底6为具有平面特征的单晶硅或玻璃；

步骤a2、利用设计好的光刻掩模版，通过光刻不完全曝光的方法将纹膜结构转移到光刻胶7上；

步骤a3、利用反应离子刻蚀技术刻蚀基底6，将纹膜结构转移到基底6上；

步骤a4、在具有纹膜结构的基底6上再旋涂一层光刻胶7；

步骤a5、利用磁控溅射或电子束沉积工艺在具有纹膜结构的光刻胶7上沉积厚度为100nm-1μm的金属膜；

步骤a6、用固化胶5将金属波纹薄膜1贴合在通腔套管2的一个端面上；

步骤a7、利用腐蚀液8将光刻胶7腐蚀掉，得到金属波纹薄膜1。

在具体实施例四和具体实施例五中，设计好的光刻掩模版的示意图如图5所示。