全光压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种包括容纳分布式布拉格反射器的波导的全光压力传感器。通过利 用波导的有效折射率调制W及对由布拉格反射器反射的光的波长移位的检测可W提供压 力感测。还可W提供声音感测，因此有了全光学麦克风。
【背景技术】
[0002] 传感器是借助于将物理量转换成传感器特定输出信号的一个或多个检测机构来 检测属于传感器环境的特定物理量的装置。通常使用的传感器的众所周知的示例包括溫度 计、速度计、电压表、雷达和地震仪。因为MEMS允许小规模传感器和廉价批量生产，所W使用 微机电系统(MEMS)技术制造绝大多数现代机械传感器。随着MEMS技术的发展和微光学感测 技术的出现，扩展的术语微光学机电系统(M0EMS)已被广泛接受。与先前技术相比，M0EMS允 许更通用的传感器设计和在更难W接近环境中量的检测。
[0003] 全光学传感器具有使其在较宽应用范围引起人们关注的许多优点，诸如允许远程 感测的光纤中的低传输损耗。全光学传感器的感测方法通常可分为幅度调制(AM)和频率调 审IJ(FM)感巧心频率调制是指如下事实:将反射光的波长变化用于确定所测量的物理量，而不 是确定如幅度调制中的反射光的幅度。虽然基于AM的传感器由于信号的通/断特性而可实 现极其高的灵敏度，但是信号固有地容易受到传输损耗和噪声的影响，并且所述传感器不 容易整合到较大的传感器阵列中，因为每个传感器需要它自己的传输线。另一方面，基于FM 的传感器不具有与基于AM的传感器几乎相同的灵敏度，然而，所述基于FM的传感器相对于 噪声更加稳固，并且容易整合到大的分布式传感器系统中，因为多个传感器可共享一条传 输线。当今主要的全光学传感器是基于频率调制的光纤布拉格光栅(FBG)传感器，其中布拉 格光栅的变形用于调制信号。
[0004] 光学传感器具有四大优点：它们对电磁干扰有免疫力，对恶劣环境有抵抗力，简化 了测量分布式物理量(例如压力、溫度和应力）的过程，W及可W复用。然而，与当今可利用 的大量电传感器和光电传感器相比，全光学传感器目前代表小众市场，因为当设及灵敏度、 动态范围或价格时，大多数全光学传感器一般无法与其电对应物竞争。
【发明内容】
[000引本发明通常设及一种全光压力传感器，具体地，本发明设及一种全光学麦克风。声 音是通过诸如固体、液体或气体的可压缩介质传输的压力振荡、或一系列压力波，并且由听 觉范围内的频率构成的机械波。音频麦克风是声音传感器，因此音频麦克风通常适用于检 测空气中的压力波。麦克风通常由膜(在麦克风术语中也被称为"隔膜"）和后室构成，该后 室在声学上与周围环境隔离W避免声短路。后室的设置是麦克风所必需的功能，然而，通常 不是压力传感器所必需的。
[0006]全光学麦克风已经公知很多年。本发明人先前已经提出了使用MEMS技术制造的高 灵敏度全光学麦克风。感测机制是基于改变合并有布拉格光栅的空忍反共振反射式光学波 导(ARROW)的有效折射率。通过改变有效折射率而不是光栅周期来获得高度改进的灵敏度。 在卡斯帕·雷克化asper Reck)的博±论文："MEMS光学传感器系统(MEMS Optical Sensor Systems)" (2011)和克里斯蒂安?韦斯特加德(化ristianOs化巧aard )的硕：t论文："基于 具有整合的布拉格光栅的空忍波导的MEMS光学应变传感器（MEMS Optical Strain Sensors Based on Hollow Core Waveguides with Integrated Bragg Gratings)'' (2011)中详细描述了运种全光学麦克风。在运些出版物中，可W找到有关光学传感器波导 的背景理论的细节、设计细节和制造细节，所述出版物因此W全文引用的方式并入。
[0007] 为了获得用于全光学麦克风的压力传感器的所需灵敏度，研发出高精密的ARROW 波导设计，其中麦克风后室被合并到波导中。然而，即使在利用MEMS技术的情况下，运些波 导设计被证明是难W在实践中实现。在2013年6月6日提交的发明名称为"MEMS光学传感器 (MEMS optical sensor)"的待批准专利申请PCT/EP2013/061701中，本发明人放弃了全光 学麦克风的概念，而是引入了采用与光的高阶模传播和检测合并的新的和更简单的波导设 计的光学传感器，从而提高了 MEMS光学传感器的灵敏度。PCT/EP2013/061701因此W全文引 用的方式并入。
[0008] 在PCT/EP2013/061701中公开的简单化波导设计提供了在允许空忍光学波导的低 成本生产的制造过程中的主要优点。但是运些简单设计并没有对压力感测进行优化，特别 是没有对声音感测进行优化。因此，本发明的一个目的在于设计一种可W在实践中实现的 全光压力传感器。因此，本发明的第一方面设及一种光学压力传感器，包括至少一个外膜和 波导，该波导包括:至少一个核忍，用于限制和引导光;至少一个分布式布拉格反射器，位于 至少一个核忍中；W及至少一个内偏转元件，形成核忍的至少一部分，其中压力传感器被配 置使得至少一个核忍的几何结构和/或尺寸在至少一个外膜受压力作用(诸如压力或压力 波的改变或变化或振荡)时改变。
[0009] 另一个实施例设及一种光学压力传感器，包括壳体、至少一个外膜W及附接在壳 体内部的波导，该波导包括:至少一个核忍，用于限制和引导光;至少一个分布式布拉格反 射器，位于至少一个核忍中；W及至少一个内偏转元件，形成核忍的至少一部分，其中压力 传感器被配置使得所述至少一个内偏转元件连接到至少一个外膜，使得至少一个核忍的几 何结构和/或尺寸在至少一个外膜受压力作用时改变，或者其中压力传感器被配置使得可 W在所述至少一个内偏转元件与所述至少一个外膜之间建立连接，使得至少一个核忍的几 何结构和/或尺寸在至少一个外膜受预定等级压力作用时改变。
[0010] 内偏转元件可W连接到至少一个外膜。然而，压力传感器可配置使得可W在所述 至少一个内偏转元件与所述至少一个外膜之间建立连接。可能地，压力传感器被配置使得 当至少一个外模受该外模的预定量压力及W上作用时，可W在所述至少一个内偏转元件与 所述至少一个外膜之间建立连接。即，压力传感器可配置使得当至少一个外膜受该外模的 预定量压力及W上作用时，至少一个核忍的几何结构和/或尺寸可W被改变。因此，压力传 感器可配置使得存在极限压力，其中传感器未提供低于该极限的信号，而是提供高于该压 力极限的信号。
[0011] 由于核忍尺寸和/或几何结构的变化，核忍的有效折射率改变。内偏转元件可W采 取呈膜形式，从而具有两个膜，即内膜和外膜。压力传感器可W是静态压力传感器。本发明 还设及一种光学麦克风，包括后室、至少一个外膜和波导，该波导包括:至少一个核忍，用于 限制和引导光;至少一个分布式布拉格反射器，位于至少一个核忍中；w及至少一个内偏转 元件，连接到至少一个外膜且形成核忍的至少一部分，其中麦克风被配置使得至少一个核 忍的几何结构和/或尺寸在至少一个外膜受声音作用时改变。波导可W例如被附接在后室 内部。
[0012] 通过将光发送到波导核忍中并利用波导的有效折射率调制W及通过检测由布拉 格反射器反射的光的波长移位可W提供压力感测及麦克风中的声音感测）。
[0013] 目前要求保护的具有包括分布式布拉格反射器的波导的折射率调制的压力传感 器背后的感测原理因此不是新的。但现有技术的光学MEMS麦克风仅采用一个膜，即仅一个 偏转元件。该膜形成波导的一侧并且在使用麦克风时直接受声压作用。本全光压力传感器 的关键方面是提供额外的偏转元件-外膜。外膜与内偏转元件接触(或者可W使外膜与内偏 转元件接触），该内偏转元件形成波导的一侧(或者所述侧的至少一部分）。在运种新的麦克 风设计中，其为受声压作用的外膜。在现有技术的光学MEMS麦克风中，单个偏转元件必须满 足麦克风的设计限制的数目W正确地进行压力感测。首先，单个偏转元件必须采取膜的形 式W检测压力波(特别是声音）。此外，后室必须是波导忍片的一部分。通过具有两个偏转元 件，压力传感器设计的自由度被大大扩展。可W在波导中对内偏转元件的功能进行优化，W 及可W对外膜的功能进行优化作为后室中的压力波的接收器。随着外膜和后室，可能地，波 导的外部的出现，与现有技术的MEMS麦克风相比，后室间隔已显著增加。增加的后室间隔可 W提高灵敏度W及解决噪声问题，例如麦克风的失真。图3a和图3b公开了根据本发明的麦 克风实施例，其中两个膜之间的连接由连接杆提供。
[0014] 在大多数情况下，核忍的几何结构和/或尺寸的变化是波导的几何结构和/或尺寸 变化的结果。例如，内偏转元件形成波导的一部分，并且当内偏转元件移动时，波导的几何 结构和/或尺寸改变。因此，波导或核忍的几何结构和/或尺寸的变化在本文中可W互换地 使用。本文所提及的波导包括一个或多个核忍，通常包括一个核忍。通常在核忍中提供光在 波导中的限制，因此光在波导中的传播隐含地意味着光在核忍中传播。因此，光在波导和核 忍中的传播在本文中可W互换地使用。在波导核忍内部，光可具有主传播方向，通常沿波导 的纵向方向。
【附图说明】
[0015] 现将参照附图进一步详细描述本发明，在附图中：
[0016] 图la示出光纤布拉格光栅(FBG)的原理；
[0017] 图化示出空忍波导中的布拉格光栅的原理；
[0018] 图Ic示出布拉格波长由于图化中的波导核忍的尺寸变化的移位；
[0019] 图Id是在空忍中容纳布拉格光栅的平板波导的透视图；
[0020] 图2a-d示出仅具有一个膜的现有技术的MEMS光学麦克风；
[0021] 图3a是根据本发明的光学麦克风的实施例的横截面侧视图；
[0022] 图3b是图3a中的光学麦克风的横截面透视图；
[0023] 图3c是根据本发明的光学麦克风的示例的照片；
[0024] 图4a到图4b分别示出正常和倒置的光栅设计；
[0025] 图4c示出波纹状偏转元件的示例；
[0026]图4d示出来自图5e的波导的横截面图；
[0027 ]图5a到图5d示出不同的示例性光栅设计；
[0028] 图6示出具有光栅和偏转元件的简单平板波导的透视图；
[0029] 图7a到图7b示出多个光学传感器的复用；
[0030] 图8a示出在合并有布拉格光栅的波导中传播的基模和高阶模的空间限制的示例；
[0031] 图8b示出多模光学传感器波导的反射光谱的示例；
[0032] 图9a示出来自图3c的原型光学麦克风的灵敏度；
[0033] 图9b示出来自图3c的原型麦克风的功率谱密度；
[0034]图10a到图10b示出借助于波导的弯曲底面获得的切趾(apodized)光栅；
[0035] 图11是波导忍片的透视图，其中借助于折射率引导实忍波导提供与核忍的禪合；
[0036] 图12是波导忍片的透视图，其中借助于实忍导光层提供与核忍的禪合；
[0037] 图13a到图13b是具有在光的传播方向上延伸的布拉格光栅和中屯、实忍脊的波导 核忍的透视图，其中脊位于与布拉格光栅相同的平面或相对的平面（膜）上方或者两者上 方；
[0038] 图14到图16是具有布拉格光栅和实忍脊的波导核忍的各实施例的示例性特写例 示图；
[0039] 图17示出本文公开的包括待合并到壳体中的波导忍片的压力传感器的一个实施 例的可能组件，其中外膜被合并到壳体的盖中；
[0040] 图到图18d示出待附接至例如合并有外膜的壳体的顶面的波导忍片的示例性 透视图；
[0041] 图19a到图19c示出本文公开的压力传感器的各实施例的横截面图，其中波导忍片 被附接至壳体的顶部内表面且外膜被合并到顶面中；
[0042] 图20a到图20c与图19类似，具有外膜及在内膜与外膜之间的连接的不同实施例；
[0043] 图21a到图21c与图19和图20类似，但具有减小的外膜厚度及后室的不同设置，从 而使压力传感器(即麦克风)适用于声压测量；
[0044] 图22a与图20c类似，但具有稍微减小的在内膜与外膜之间的塔梁(pylon)连接的 高度；
[004引图22b与图19和图20类似，具有在内膜与外膜之间的连接的不同实施例，在运种情 况下由不可压缩流体提供连接；W及
[0046] 图22c与图22b类似，其中借助于不可压缩流体提供在内膜与外膜之间的连接，然 而与图22b相比不可压缩流体的体积更大。
【具体实施方式】
[0047] 在本发明的优选实施例中，压力传感器是全光学的，即，光是检测压力所需的唯一 物理参数(例如压力变化，例如声音），因此，不需要电线、磁场、或者其它检测或信号读取装 置。微机电系统(MEMS)技术可用于制造本全光压力传感器的波导，从而提供基于MEMS的光 学压力传感器。在大多数光学波导中，光被限制核忍内，所述核忍具有比称作包层的周围介 质高的折射率。运种限制光的方法表示全内反射。如果核忍具有比包层低的折射率，例如空 忍波导的情况，则该波导称作"漏（leaky r波导。
[0048] 优选地，本光学压力传感器的感测原理是基于感测有效折射率的变化，而不是感 测布拉格周期的变化，所述布拉格周期的变化在常规FBG传感器中用于调制布拉格波长。由 于有效折射率的变化，基本感测机制的灵敏度可定义为布拉格波长中的变化。通过理论证 明，灵敏度仅取决于布拉格波长、波导核忍的总高度和核忍材料的折射率。
[0049] 当连接时，外膜和内偏转元件作为一种变换器一起工作，旨在准确地相互转换机 械运动和例如由声音造成的压力变化。压力波的变化空气压力使外膜振动，然后运些振动 经由它们之间的连接传送到内偏转元件，从而调制波导核忍的尺寸和/或几何结构。因此， 通过在外膜上产生的振荡压力来调制波导的有效折射率。
[0050] 考虑两个区域，一个区域仅具有核忍材料并且一个区域具有核忍材料和布拉格反 射器材料二者。在仅具有核忍材料的区域中，有效折