全光壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種包括容納分布式布拉格反射器的波導(dǎo)的全光壓力傳感器。通過利 用波導(dǎo)的有效折射率調(diào)制W及對由布拉格反射器反射的光的波長移位的檢測可W提供壓 力感測。還可W提供聲音感測，因此有了全光學(xué)麥克風(fēng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳感器是借助于將物理量轉(zhuǎn)換成傳感器特定輸出信號的一個或多個檢測機構(gòu)來 檢測屬于傳感器環(huán)境的特定物理量的裝置。通常使用的傳感器的眾所周知的示例包括溫度 計、速度計、電壓表、雷達(dá)和地震儀。因為MEMS允許小規(guī)模傳感器和廉價批量生產(chǎn)，所W使用 微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造絕大多數(shù)現(xiàn)代機械傳感器。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展和微光學(xué)感測 技術(shù)的出現(xiàn)，擴展的術(shù)語微光學(xué)機電系統(tǒng)(M0EMS)已被廣泛接受。與先前技術(shù)相比，M0EMS允 許更通用的傳感器設(shè)計和在更難W接近環(huán)境中量的檢測。
[0003] 全光學(xué)傳感器具有使其在較寬應(yīng)用范圍引起人們關(guān)注的許多優(yōu)點，諸如允許遠(yuǎn)程 感測的光纖中的低傳輸損耗。全光學(xué)傳感器的感測方法通?？煞譃榉日{(diào)制(AM)和頻率調(diào) 審IJ(FM)感巧心頻率調(diào)制是指如下事實:將反射光的波長變化用于確定所測量的物理量，而不 是確定如幅度調(diào)制中的反射光的幅度。雖然基于AM的傳感器由于信號的通/斷特性而可實 現(xiàn)極其高的靈敏度，但是信號固有地容易受到傳輸損耗和噪聲的影響，并且所述傳感器不 容易整合到較大的傳感器陣列中，因為每個傳感器需要它自己的傳輸線。另一方面，基于FM 的傳感器不具有與基于AM的傳感器幾乎相同的靈敏度，然而，所述基于FM的傳感器相對于 噪聲更加穩(wěn)固，并且容易整合到大的分布式傳感器系統(tǒng)中，因為多個傳感器可共享一條傳 輸線。當(dāng)今主要的全光學(xué)傳感器是基于頻率調(diào)制的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器，其中布拉 格光柵的變形用于調(diào)制信號。
[0004] 光學(xué)傳感器具有四大優(yōu)點：它們對電磁干擾有免疫力，對惡劣環(huán)境有抵抗力，簡化 了測量分布式物理量(例如壓力、溫度和應(yīng)力）的過程，W及可W復(fù)用。然而，與當(dāng)今可利用 的大量電傳感器和光電傳感器相比，全光學(xué)傳感器目前代表小眾市場，因為當(dāng)設(shè)及靈敏度、 動態(tài)范圍或價格時，大多數(shù)全光學(xué)傳感器一般無法與其電對應(yīng)物競爭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明通常設(shè)及一種全光壓力傳感器，具體地，本發(fā)明設(shè)及一種全光學(xué)麥克風(fēng)。聲 音是通過諸如固體、液體或氣體的可壓縮介質(zhì)傳輸?shù)膲毫φ袷?、或一系列壓力波，并且由?覺范圍內(nèi)的頻率構(gòu)成的機械波。音頻麥克風(fēng)是聲音傳感器，因此音頻麥克風(fēng)通常適用于檢 測空氣中的壓力波。麥克風(fēng)通常由膜(在麥克風(fēng)術(shù)語中也被稱為"隔膜"）和后室構(gòu)成，該后 室在聲學(xué)上與周圍環(huán)境隔離W避免聲短路。后室的設(shè)置是麥克風(fēng)所必需的功能，然而，通常 不是壓力傳感器所必需的。
[0006]全光學(xué)麥克風(fēng)已經(jīng)公知很多年。本發(fā)明人先前已經(jīng)提出了使用MEMS技術(shù)制造的高 靈敏度全光學(xué)麥克風(fēng)。感測機制是基于改變合并有布拉格光柵的空忍反共振反射式光學(xué)波 導(dǎo)(ARROW)的有效折射率。通過改變有效折射率而不是光柵周期來獲得高度改進(jìn)的靈敏度。 在卡斯帕·雷克化asper Reck)的博±論文："MEMS光學(xué)傳感器系統(tǒng)(MEMS Optical Sensor Systems)" (2011)和克里斯蒂安?韋斯特加德(化ristianOs化巧aard )的碩：t論文："基于 具有整合的布拉格光柵的空忍波導(dǎo)的MEMS光學(xué)應(yīng)變傳感器（MEMS Optical Strain Sensors Based on Hollow Core Waveguides with Integrated Bragg Gratings)'' (2011)中詳細(xì)描述了運種全光學(xué)麥克風(fēng)。在運些出版物中，可W找到有關(guān)光學(xué)傳感器波導(dǎo) 的背景理論的細(xì)節(jié)、設(shè)計細(xì)節(jié)和制造細(xì)節(jié)，所述出版物因此W全文引用的方式并入。
[0007] 為了獲得用于全光學(xué)麥克風(fēng)的壓力傳感器的所需靈敏度，研發(fā)出高精密的ARROW 波導(dǎo)設(shè)計，其中麥克風(fēng)后室被合并到波導(dǎo)中。然而，即使在利用MEMS技術(shù)的情況下，運些波 導(dǎo)設(shè)計被證明是難W在實踐中實現(xiàn)。在2013年6月6日提交的發(fā)明名稱為"MEMS光學(xué)傳感器 (MEMS optical sensor)"的待批準(zhǔn)專利申請PCT/EP2013/061701中，本發(fā)明人放棄了全光 學(xué)麥克風(fēng)的概念，而是引入了采用與光的高階模傳播和檢測合并的新的和更簡單的波導(dǎo)設(shè) 計的光學(xué)傳感器，從而提高了 MEMS光學(xué)傳感器的靈敏度。PCT/EP2013/061701因此W全文引 用的方式并入。
[0008] 在PCT/EP2013/061701中公開的簡單化波導(dǎo)設(shè)計提供了在允許空忍光學(xué)波導(dǎo)的低 成本生產(chǎn)的制造過程中的主要優(yōu)點。但是運些簡單設(shè)計并沒有對壓力感測進(jìn)行優(yōu)化，特別 是沒有對聲音感測進(jìn)行優(yōu)化。因此，本發(fā)明的一個目的在于設(shè)計一種可W在實踐中實現(xiàn)的 全光壓力傳感器。因此，本發(fā)明的第一方面設(shè)及一種光學(xué)壓力傳感器，包括至少一個外膜和 波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括:至少一個核忍，用于限制和引導(dǎo)光;至少一個分布式布拉格反射器，位于 至少一個核忍中；W及至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件，形成核忍的至少一部分，其中壓力傳感器被配 置使得至少一個核忍的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸在至少一個外膜受壓力作用(諸如壓力或壓力 波的改變或變化或振蕩)時改變。
[0009] 另一個實施例設(shè)及一種光學(xué)壓力傳感器，包括殼體、至少一個外膜W及附接在殼 體內(nèi)部的波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括:至少一個核忍，用于限制和引導(dǎo)光;至少一個分布式布拉格反 射器，位于至少一個核忍中；W及至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件，形成核忍的至少一部分，其中壓力 傳感器被配置使得所述至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件連接到至少一個外膜，使得至少一個核忍的幾 何結(jié)構(gòu)和/或尺寸在至少一個外膜受壓力作用時改變，或者其中壓力傳感器被配置使得可 W在所述至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件與所述至少一個外膜之間建立連接，使得至少一個核忍的幾 何結(jié)構(gòu)和/或尺寸在至少一個外膜受預(yù)定等級壓力作用時改變。
[0010] 內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件可W連接到至少一個外膜。然而，壓力傳感器可配置使得可W在所述 至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件與所述至少一個外膜之間建立連接。可能地，壓力傳感器被配置使得 當(dāng)至少一個外模受該外模的預(yù)定量壓力及W上作用時，可W在所述至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件與 所述至少一個外膜之間建立連接。即，壓力傳感器可配置使得當(dāng)至少一個外膜受該外模的 預(yù)定量壓力及W上作用時，至少一個核忍的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸可W被改變。因此，壓力傳 感器可配置使得存在極限壓力，其中傳感器未提供低于該極限的信號，而是提供高于該壓 力極限的信號。
[0011] 由于核忍尺寸和/或幾何結(jié)構(gòu)的變化，核忍的有效折射率改變。內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件可W采 取呈膜形式，從而具有兩個膜，即內(nèi)膜和外膜。壓力傳感器可W是靜態(tài)壓力傳感器。本發(fā)明 還設(shè)及一種光學(xué)麥克風(fēng)，包括后室、至少一個外膜和波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括:至少一個核忍，用于 限制和引導(dǎo)光;至少一個分布式布拉格反射器，位于至少一個核忍中；w及至少一個內(nèi)偏轉(zhuǎn) 元件，連接到至少一個外膜且形成核忍的至少一部分，其中麥克風(fēng)被配置使得至少一個核 忍的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸在至少一個外膜受聲音作用時改變。波導(dǎo)可W例如被附接在后室 內(nèi)部。
[0012] 通過將光發(fā)送到波導(dǎo)核忍中并利用波導(dǎo)的有效折射率調(diào)制W及通過檢測由布拉 格反射器反射的光的波長移位可W提供壓力感測及麥克風(fēng)中的聲音感測）。
[0013] 目前要求保護(hù)的具有包括分布式布拉格反射器的波導(dǎo)的折射率調(diào)制的壓力傳感 器背后的感測原理因此不是新的。但現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)MEMS麥克風(fēng)僅采用一個膜，即僅一個 偏轉(zhuǎn)元件。該膜形成波導(dǎo)的一側(cè)并且在使用麥克風(fēng)時直接受聲壓作用。本全光壓力傳感器 的關(guān)鍵方面是提供額外的偏轉(zhuǎn)元件-外膜。外膜與內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件接觸(或者可W使外膜與內(nèi)偏 轉(zhuǎn)元件接觸），該內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件形成波導(dǎo)的一側(cè)(或者所述側(cè)的至少一部分）。在運種新的麥克 風(fēng)設(shè)計中，其為受聲壓作用的外膜。在現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)MEMS麥克風(fēng)中，單個偏轉(zhuǎn)元件必須滿 足麥克風(fēng)的設(shè)計限制的數(shù)目W正確地進(jìn)行壓力感測。首先，單個偏轉(zhuǎn)元件必須采取膜的形 式W檢測壓力波(特別是聲音）。此外，后室必須是波導(dǎo)忍片的一部分。通過具有兩個偏轉(zhuǎn)元 件，壓力傳感器設(shè)計的自由度被大大擴展?？蒞在波導(dǎo)中對內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件的功能進(jìn)行優(yōu)化，W 及可W對外膜的功能進(jìn)行優(yōu)化作為后室中的壓力波的接收器。隨著外膜和后室，可能地，波 導(dǎo)的外部的出現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)的MEMS麥克風(fēng)相比，后室間隔已顯著增加。增加的后室間隔可 W提高靈敏度W及解決噪聲問題，例如麥克風(fēng)的失真。圖3a和圖3b公開了根據(jù)本發(fā)明的麥 克風(fēng)實施例，其中兩個膜之間的連接由連接桿提供。
[0014] 在大多數(shù)情況下，核忍的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸的變化是波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸 變化的結(jié)果。例如，內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件形成波導(dǎo)的一部分，并且當(dāng)內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件移動時，波導(dǎo)的幾何 結(jié)構(gòu)和/或尺寸改變。因此，波導(dǎo)或核忍的幾何結(jié)構(gòu)和/或尺寸的變化在本文中可W互換地 使用。本文所提及的波導(dǎo)包括一個或多個核忍，通常包括一個核忍。通常在核忍中提供光在 波導(dǎo)中的限制，因此光在波導(dǎo)中的傳播隱含地意味著光在核忍中傳播。因此，光在波導(dǎo)和核 忍中的傳播在本文中可W互換地使用。在波導(dǎo)核忍內(nèi)部，光可具有主傳播方向，通常沿波導(dǎo) 的縱向方向。
【附圖說明】
[0015] 現(xiàn)將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中：
[0016] 圖la示出光纖布拉格光柵(FBG)的原理；
[0017] 圖化示出空忍波導(dǎo)中的布拉格光柵的原理；
[0018] 圖Ic示出布拉格波長由于圖化中的波導(dǎo)核忍的尺寸變化的移位；
[0019] 圖Id是在空忍中容納布拉格光柵的平板波導(dǎo)的透視圖；
[0020] 圖2a-d示出僅具有一個膜的現(xiàn)有技術(shù)的MEMS光學(xué)麥克風(fēng)；
[0021] 圖3a是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)麥克風(fēng)的實施例的橫截面?zhèn)纫晥D；
[0022] 圖3b是圖3a中的光學(xué)麥克風(fēng)的橫截面透視圖；
[0023] 圖3c是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)麥克風(fēng)的示例的照片；
[0024] 圖4a到圖4b分別示出正常和倒置的光柵設(shè)計；
[0025] 圖4c示出波紋狀偏轉(zhuǎn)元件的示例；
[0026]圖4d示出來自圖5e的波導(dǎo)的橫截面圖；
[0027 ]圖5a到圖5d示出不同的示例性光柵設(shè)計；
[0028] 圖6示出具有光柵和偏轉(zhuǎn)元件的簡單平板波導(dǎo)的透視圖；
[0029] 圖7a到圖7b示出多個光學(xué)傳感器的復(fù)用；
[0030] 圖8a示出在合并有布拉格光柵的波導(dǎo)中傳播的基模和高階模的空間限制的示例；
[0031] 圖8b示出多模光學(xué)傳感器波導(dǎo)的反射光譜的示例；
[0032] 圖9a示出來自圖3c的原型光學(xué)麥克風(fēng)的靈敏度；
[0033] 圖9b示出來自圖3c的原型麥克風(fēng)的功率譜密度；
[0034]圖10a到圖10b示出借助于波導(dǎo)的彎曲底面獲得的切趾(apodized)光柵；
[0035] 圖11是波導(dǎo)忍片的透視圖，其中借助于折射率引導(dǎo)實忍波導(dǎo)提供與核忍的禪合；
[0036] 圖12是波導(dǎo)忍片的透視圖，其中借助于實忍導(dǎo)光層提供與核忍的禪合；
[0037] 圖13a到圖13b是具有在光的傳播方向上延伸的布拉格光柵和中屯、實忍脊的波導(dǎo) 核忍的透視圖，其中脊位于與布拉格光柵相同的平面或相對的平面（膜）上方或者兩者上 方；
[0038] 圖14到圖16是具有布拉格光柵和實忍脊的波導(dǎo)核忍的各實施例的示例性特寫例 示圖；
[0039] 圖17示出本文公開的包括待合并到殼體中的波導(dǎo)忍片的壓力傳感器的一個實施 例的可能組件，其中外膜被合并到殼體的蓋中；
[0040] 圖到圖18d示出待附接至例如合并有外膜的殼體的頂面的波導(dǎo)忍片的示例性 透視圖；
[0041] 圖19a到圖19c示出本文公開的壓力傳感器的各實施例的橫截面圖，其中波導(dǎo)忍片 被附接至殼體的頂部內(nèi)表面且外膜被合并到頂面中；
[0042] 圖20a到圖20c與圖19類似，具有外膜及在內(nèi)膜與外膜之間的連接的不同實施例；
[0043] 圖21a到圖21c與圖19和圖20類似，但具有減小的外膜厚度及后室的不同設(shè)置，從 而使壓力傳感器(即麥克風(fēng))適用于聲壓測量；
[0044] 圖22a與圖20c類似，但具有稍微減小的在內(nèi)膜與外膜之間的塔梁(pylon)連接的 高度；
[004引圖22b與圖19和圖20類似，具有在內(nèi)膜與外膜之間的連接的不同實施例，在運種情 況下由不可壓縮流體提供連接；W及
[0046] 圖22c與圖22b類似，其中借助于不可壓縮流體提供在內(nèi)膜與外膜之間的連接，然 而與圖22b相比不可壓縮流體的體積更大。
【具體實施方式】
[0047] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，壓力傳感器是全光學(xué)的，即，光是檢測壓力所需的唯一 物理參數(shù)(例如壓力變化，例如聲音），因此，不需要電線、磁場、或者其它檢測或信號讀取裝 置。微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)可用于制造本全光壓力傳感器的波導(dǎo)，從而提供基于MEMS的光 學(xué)壓力傳感器。在大多數(shù)光學(xué)波導(dǎo)中，光被限制核忍內(nèi)，所述核忍具有比稱作包層的周圍介 質(zhì)高的折射率。運種限制光的方法表示全內(nèi)反射。如果核忍具有比包層低的折射率，例如空 忍波導(dǎo)的情況，則該波導(dǎo)稱作"漏（leaky r波導(dǎo)。
[0048] 優(yōu)選地，本光學(xué)壓力傳感器的感測原理是基于感測有效折射率的變化，而不是感 測布拉格周期的變化，所述布拉格周期的變化在常規(guī)FBG傳感器中用于調(diào)制布拉格波長。由 于有效折射率的變化，基本感測機制的靈敏度可定義為布拉格波長中的變化。通過理論證 明，靈敏度僅取決于布拉格波長、波導(dǎo)核忍的總高度和核忍材料的折射率。
[0049] 當(dāng)連接時，外膜和內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件作為一種變換器一起工作，旨在準(zhǔn)確地相互轉(zhuǎn)換機 械運動和例如由聲音造成的壓力變化。壓力波的變化空氣壓力使外膜振動，然后運些振動 經(jīng)由它們之間的連接傳送到內(nèi)偏轉(zhuǎn)元件，從而調(diào)制波導(dǎo)核忍的尺寸和/或幾何結(jié)構(gòu)。因此， 通過在外膜上產(chǎn)生的振蕩壓力來調(diào)制波導(dǎo)的有效折射率。
[0050] 考慮兩個區(qū)域，一個區(qū)域僅具有核忍材料并且一個區(qū)域具有核忍材料和布拉格反 射器材料二者。在僅具有核忍材料的區(qū)域中，有效折