一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器

本发明属于光学微纳传感器制备，尤其涉及一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器。

背景技术：

1、随着现代工业技术的发展，超声传感器涉及到航空航天、海洋探测、物体成像、地震波检测、生物信号检测、局部放电检测以及无损探伤等领域。相较于电学式超声传感器，光纤超声传感器具有器件体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，在众多光纤超声传感器中，相位调制型光纤传感器虽然灵敏度高、动态范围大，但解调系统相对复杂，且易受环境因素的影响。相比之下，强度调制型光纤传感器解调系统简单、成本低，也更易实现。

2、目前基于强度调制的超声传感器主要是利用声波振动影响光纤中光的损耗、耦合、反射等。1977年，nelson等首次报道了光纤传感器用于动态应变探测，光纤弯曲放置在u形装置内，声波振动引起光纤弯曲改变，通过探测光强度的变化实现频率为1163hz的声波探测，但该传感器灵敏度较低且具有初始弯曲损耗。在此基础上chen等提出了一种熔融锥型耦合器并用于超声检测，基于锥形耦合器的超声传感器具有较高的灵敏度，在几十khz到几百khz的频段中具有较高的响应，传感器探测频率为155khz的信号的灵敏度为5.6v/kpa。尽管采用熔融拉锥微纳型结构可提高其超声测量灵敏度，但工艺相对复杂，难以实现传感器结构尺寸的一致性。对于传统熔融锥型耦合器来说，其性能往往与制作工艺相关联，其尺寸较大、稳定性也较差，很难实现高可靠性。

3、近些年来，基于微纳波导耦合原理的超声传感器受到科研人员广泛的关注，其主要代表之一为基于回音壁模的波导微环谐振器，其传感灵敏度与传感器的品质因子成线性关系，由于其对表面粗糙度要求极为苛刻，常常需要借助电子束加工或高精度光刻工艺实现高灵敏度传感，这也在一定程度上限制了器件的实用性。wei等人设计了一种反射式波导微环谐振器，尽管其品质因子较低，但采用干涉相位解调技术可在一定程度上弥补传感器的缺陷，其灵敏度可达289.16mv/mpa。虽然这增加了系统解调复杂性，但是采用3d激光直写技术降低了器件制备工艺要求，这也对器件设计提供了新的研究思路。

4、基于现有的超声传感器技术，如何在降低传感器尺寸的同时提升传感器的灵敏度，是本领域不断探索的方向。

技术实现思路

1、为了解决现有技术制备光学式超声传感器结构尺寸较大，制备工艺复杂，灵敏度低等问题，本发明提出了一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，采用双光子3d打印技术，在单模光纤的平端面上制备光学式超声传感器，该超声传感器具有波导微环和振动膜片构成波导耦合，声波引起膜片振动并导致波导耦合间距发生改变，从而使波导耦合效率发生变化，通过膜片振动效应引起的耦合效应远远大于声波直接作用在波导上产生耦合效应，耦合效率可以通过改变振动膜片和波导微环之间的设计距离进行调节。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，包括单模光纤、以及集成于单模光纤端部的支架、波导微环和振动膜片；

4、所述的振动膜片通过支架固定在单模光纤的轴线上，所述的波导微环位于单模光纤与振动膜片之间，波导微环的光信号输入/输出端与单模光纤一端相连，波导微环距离单模光纤的最远端为水平段；

5、所述的振动膜片靠近波导微环的端面上设有与波导微环水平段平行的波导。

6、作为发明的优选，所述的波导微环通过圆台波导固定在单模光纤一端，所述的圆台波导的大端面与单模光纤一端相连，圆台波导的小端面与波导微环的光信号输入/输出端相连。

7、作为发明的优选，位于振动膜片端面上的波导为柱形波导，所述的柱形波导固定在振动膜片的中心位置。

8、作为发明的优选，所述的柱形波导的直径为2～5微米，长度为20～40微米。

9、作为发明的优选，位于振动膜片端面上的波导与波导微环水平段之间留有间隙，所述间隙小于100纳米。

10、作为发明的优选，所述的振动膜片为圆形，与所述的单模光纤同轴。

11、作为发明的优选，所述的振动膜片厚度为3～10微米，直径为100～150微米。

12、作为发明的优选，所述的波导微环关于单模光纤的轴线对称，波导微环的横截面为半径2～5微米的圆。

13、作为发明的优选，所述的超声传感器采用基于双光子聚合的3d打印技术制备，集成于单模光纤端部的结构材质均为光固化材料。

14、作为发明的优选，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环和位于振动膜片端面上的波导位于支架的内部。

15、与现有技术相比，本发明的优势在于：

16、(1)本发明使用双光子3d打印技术直接在光纤端面制备一体化微纳超声传感器，集成度高、结构体积小，稳定性好。

17、(2)相比较于传统的声波直接作用波导的传感机制，该传感器利用膜片振动效应，可高灵敏度调控波导微环耦合效率，实现超声信号高灵敏测量，当入射声频等于膜片谐振频率时，可实现传感器声压灵敏度最大。

技术特征：

1.一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，包括单模光纤(1)、以及集成于单模光纤(1)端部的支架(2)、波导微环(4)和振动膜片(5)；

2.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(4)通过圆台波导(3)固定在单模光纤(1)一端，所述的圆台波导(3)的大端面与单模光纤(1)一端相连，圆台波导(3)的小端面与波导微环(4)的光信号输入/输出端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，位于振动膜片(5)端面上的波导为柱形波导，所述的柱形波导固定在振动膜片(5)的中心位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的柱形波导的直径为2～5微米，长度为20～40微米。

5.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，位于振动膜片(5)端面上的波导与波导微环(4)水平段之间留有间隙，所述间隙小于100纳米。

6.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的振动膜片(5)为圆形，与所述的单模光纤(1)同轴。

7.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的振动膜片(5)厚度为3～10微米，直径为100～150微米。

8.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的波导微环(4)关于单模光纤(1)的轴线对称，波导微环(4)的横截面为半径2～5微米的圆。

9.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的超声传感器采用基于双光子聚合的3d打印技术制备，集成于单模光纤(1)端部的结构材质均为光固化材料。

10.根据权利要求1所述的一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，其特征在于，所述的超声传感器为开放式结构，所述的波导微环(4)和位于振动膜片(5)端面上的波导位于支架的内部。

技术总结
本发明公开提出了一种基于膜片振动耦合型波导微环超声传感器，属于光学微纳传感器制备技术领域。包括单模光纤、以及集成于单模光纤端部的支架、波导微环和振动膜片；振动膜片通过支架固定在单模光纤的轴线上，波导微环位于单模光纤与振动膜片之间，波导微环的光信号输入/输出端与单模光纤一端相连，波导微环距离单模光纤的最远端为水平段；振动膜片靠近波导微环的端面上设有与波导微环水平段平行的波导。外部声压作用于振动膜片使其发生形变，进而改变振动膜片与波导微环的间距，使得其耦合效率发生变化，从而改变返回光的强度，通过检测光强的变化即可实现对超声波信号的探测；在振动膜片谐振频率处，该传感器灵敏度最高。

技术研发人员：魏鹤鸣,孙可璇,韦妍,王陈,张小贝,庞拂飞,王廷云
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12