飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器
0 引言
声波探测技术已应用于光声成像、无损检测、自然灾害监测等民用领域[1-3]和水下通讯、水下导航、声纳定位、目标识别等**安全领域[4-6]。与传统的电容式或压电式声学传感器相比,光纤声学传感器具有独特的优势,如无源、耐高温、耐腐蚀、重量轻、频带响应宽、不受电磁辐射干扰等,光纤声波传感技术可以解决传统电子型声波传感器难以胜任的测量问题。目前,光纤声波传感器应用最广泛、技术最成熟的是非本征法布里-珀罗干涉仪(Extrinsic Fabry-Perot interferometer,EFPI)。EFPI光纤声学传感器通常由光纤端面和声学传感膜片构成,其声学传感特性主要由膜片决定,硅片[7]、壳聚糖[8]、石墨烯[9]、贵重金属[10]以及复合型薄膜[11]等均可用作EFPI传感器的敏感薄膜。2018年,ZHOU Han等[12]使用80 μm厚的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)膜片来检测微弱声波信号,获得了约-136 dB的高动态压力灵敏度。然而,PDMS膜片厚度过大制约了声压灵敏度的进一步提高,同时传感器的封装方式也需要进一步优化以降低整体的制作成本。2020年,HUANG Qiangqiang等[13]制作了厚度约为100 nm的金膜片并用于光纤EFPI声波传感器。该传感器在2.6 kHz的频率下具有1.3 mPa/Hz1/2的噪声等效声学信号水平。2021年,XIANG Zhouwei等[14]将纳米金膜片和光纤准直器封装在玻璃套管内形成EFPI结构,实现了-175.7 dB的灵敏度。金膜片具有良好的延展性且易于加工,但成本较高,制备及转移过程过于复杂。
悬臂梁是一种简单的微机械传感元件,可以检测到微小的位移或作用力,通常表现为一段固定的突出横梁结构。基于微机电系统(Micro-electro Mechanical System,MEMS)技术的微悬臂梁传感器因其结构简单、无标签检测、灵敏度高等独特优势,使其在物理、化学、医疗、环境、材料等领域受到大量关注[15-19]。IANNUZZI D[20]在2006年提出了一种在光纤端面制造微悬臂梁以形成EFPI光纤传感器的结构,这种独特的设计结合了微悬臂梁和光纤传感的共同优势。此后,各种光纤尖端微悬臂结构传感器被广泛设计及应用,与传统的机械式悬臂梁系统相比,光纤悬臂梁传感器具有结构简单、体积紧凑、光路稳定性高等优势。2020年,XIN Fengxin等[21]提出一种基于悬臂梁结构的光纤声波传感器,用于检测二氧化碳浓度。利用悬臂梁的共振模式和谐波检测技术,该传感系统对二氧化碳的检测极限达到0.044×10-6。
飞秒激光作为一种灵活、高效、非接触式的加工工具,在微纳结构制造领域中有着重要的应用。通过激光辐照,能量可以在短时间内注入目标材料,并将能量集中在焦点位置附近,与未受到激光辐照的其他区域相比,目标区域很容易实现表面性能的改变。与纳秒或皮秒激光相比,飞秒激光具有更短的脉冲宽度和更高的峰值功率,与材料相互作用时会产生剧烈的非线性效应。ALBRI F等[22]利用商用皮秒激光系统在光纤顶部制造微悬臂传感单元,通过优化激光参数,补偿烧蚀锥角,减少再沉积碎片等方法,并引入抛光工艺,获得了平行于光纤端面且具有光学质量的微悬臂表面。与化学蚀刻法相比,激光直接加工的方式大大缩短了加工时间,具有较高的加工精度。LAUWERS T等[23]设计并制作了一种带铰链的悬臂梁麦克风,利用激光切割制成不锈钢材质的铰链悬臂梁,并将铰链悬臂梁和光纤装配于金属套筒内,构成了法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)声学换能器,其具有630 mV/Pa的声波灵敏度。因此,制作一种高精细度、结构简单、灵敏度高、稳定性好以及可重复使用的光纤声波传感器具有重要的研究意义和应用价值。
本文对硅橡胶薄膜光纤声波传感器进行优化,利用飞秒激光加工技术制备出具有微悬臂梁结构的光纤声波传感器,对微悬臂梁结构进行理论计算,最后通过实验对微悬臂梁薄膜光纤声波传感器的声压灵敏度、频率响应特征曲线以及信噪比曲线进行分析。
1 悬臂梁光纤传感器原理
1.1 光纤悬臂梁传感器的结构和传感机理
悬臂梁的典型结构为一边固定另外一边悬空的结构,主要的结构形式包括矩形式、三角式、T 形式、U形式、音叉式和桥式等。不同结构的微悬臂梁常用于不同的领域,例如:三角形结构通常用于原子力显微镜探针,这种结构有利于减小微悬臂梁在探测过程中产生横向位移。T形梁是在矩形梁的基础上增加了顶端面积,有利于增加生化分子探测中的反应面积。U形结构使梁顶产生了弯曲,一般应用于加速度的探测,音叉式结构主要用于对角速度的检测,桥式结构一般用于对压力的测量。其中由于矩形结构较为简单,且加工容易,得到了最为广泛的应用,因此本文选择对矩形横梁进行研究。此类光纤悬臂梁传感器结构包括一个矩形横梁和一个固定底座,该底座位于光纤边缘,微悬臂梁固定在金属套筒并与光纤端面平行,其结构示意如
式中,z为悬臂梁自由端的挠度,l为矩形微悬臂的长度,μ和E分别为材料的泊松比和杨氏模量,h为微悬臂的厚度,Δσ为微悬臂表面受到的应力。因此,悬臂梁的灵敏度可以表示为
可以看出,悬臂梁的灵敏度与其长度、厚度、材料的杨氏模量、泊松比有关。为了研究悬臂梁结构参数对其灵敏度的影响,通过MATLAB仿真出了悬臂梁长度、厚度与灵敏度的关系图,如
图 2. 微悬臂梁结构参数与其灵敏度关系
Fig. 2. The relationship of microcantilever structure parameters and sensitivity
图 3. 悬臂梁薄膜表面示意
Fig. 3. Schematic of the structure of the cantilever beam thin film surface
1.2 悬臂梁薄膜光纤传感器的解调原理
悬臂梁薄膜自由端在受到外界声波作用下将产生周期性振动,悬臂梁薄膜表面与光纤端面之间的距离,即FP腔长会随声波的振动而产生周期性变化。由于光纤端面及悬臂梁薄膜表面对光信号的反射率较低,光波在FP腔内的多次反射可忽略,反射回光纤内部的干涉光强度可表示为
式中,Ii表示入射光的强度,γ为干涉条纹能见度,λ为光波波长,d0代表初始FP腔的长度,Δd表示悬臂梁摆动的幅度,ω为声波的角频率,t为时间。根据FP干涉理论,当腔长发生改变时,悬臂梁结构光纤声波传感器的反射光信号将发生变化。利用正交工作点直接测量法就可以实现对外界声音信号的测量,其原理如
图 4. 正交工作点直接测量法示意
Fig. 4. Schematic of the orthogonal working point with direct measurement method
为了检测来自微悬臂梁探头的干涉光信号,需要对获得的光信号进行解调,常见的光纤解调系统如
2 悬臂梁薄膜光纤声波传感器制作
飞秒激光作为一种灵活、高效、非接触式的加工工具,具有更短的脉冲宽度和更高的峰值功率,可实现对材料的高精度加工[26]。飞秒激光微加工实验装置及其外光路示意如
通过旋涂-蘸取的方法制作了固定在不锈钢套筒末端的硅橡胶薄膜[27],其结构如
图 7. 硅橡胶薄膜光纤声波传感器的结构
Fig. 7. The structure of silicone rubber thin film fiber optic acoustic sensor
利用飞秒激光在制备成功的硅橡胶薄膜上刻写微悬臂梁。当飞秒激光的能量密度超过硅橡胶的烧蚀阈值后,飞秒激光在硅橡胶薄膜上产生烧蚀作用,获得微悬臂梁结构。为了在硅橡胶薄膜上刻写出平整的微悬臂梁结构,经过对飞秒激光重复频率与单脉冲能量参数的探究,最终确定了合适的飞秒激光刻写参数:波长520 nm、脉冲宽度250 fs、单脉冲能量1.2 μJ、重复频率800 Hz,扫描速度1 mm/s。在悬臂梁薄膜加工过程中,可预先通过软件程序编写好激光的扫描路径,采用上述参数的飞秒激光加工制作出了三个同样尺寸的悬臂梁薄膜(如
3 实验结果与分析
基于微悬臂梁硅橡胶薄膜光纤声波传感器的反射光谱测量装置如
图 10. 微悬臂梁光纤声波传感的反射光谱测量装置
Fig. 10. Spectrum measurement setup for micro-cantilever fiber optic acoustic sensing
图 11. 微悬臂梁光纤声波传感器反射光光谱
Fig. 11. Interference spectrum of the micro-cantilever fiber optic acoustic sensor
为了测试微悬臂梁结构硅橡胶薄膜光纤声波传感器的性能,采用正交工作点直接测量法探究传感器的频率响应特征曲线、幅度响应特征曲线以及信噪比特征曲线。微悬臂梁结构光纤声波传感器的实验装置与测试硅橡胶薄膜光纤声波传感器系统相同,如
图 13. 微悬臂梁光纤声波传感器频率响应特征曲线
Fig. 13. Frequency response characteristic curve of micro-cantilever cantilever fiber optic acoustic sensor
由于在输出频率为300 Hz时,该悬臂梁光纤传感器具有最大灵敏度,因此将频率处于300 Hz时的悬臂梁传感器用于声压测量,其输出电压与其受到的声压的关系如
图 14. 微悬臂梁光纤声波传感器的声压响应
Fig. 14. Sound pressure response of the micro-cantilever fiber optic acoustic sensor
图 15. 微悬臂梁光纤声波传感器信噪比曲线
Fig. 15. The signal-to-noise ratio curve of micro-cantilever fiber optic acoustic sensor
为了研究悬臂梁厚度对传感器声波响应的影响,使用相同方法制作了长宽为500 μm,厚度为12 μm的悬臂梁结构,并测量了其在100~3 000 Hz范围内的频率响应特征曲线,如
图 16. 厚度为12 μm的悬臂梁频率响应特征曲线
Fig. 16. Frequency response characteristic curve of micro-cantilever cantilever with a thickness of 12 μm
图 17. 厚度为12 μm悬臂梁的声压响应
Fig. 17. Sound pressure response of the micro-cantilever with a thickness of 12 μm
4 结论
本文基于悬臂梁光纤传感器的结构和传感机理,提出采用飞秒激光加工硅橡胶薄膜,制备出具有微悬臂梁结构的光纤声波传感器,获得了长宽均为500 μm,厚为6 μm的悬臂梁结构。获得了对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm的反射光谱,理论计算光纤FP腔长为155.6 μm。实验结果表明,该微悬臂梁光纤声波传感器在不同频率范围内具有不同的灵敏度,在2 200 Hz处对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,能够观察到明显的共振特征峰。在300 Hz处有最大灵敏度为675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比,微悬臂梁结构光纤传感器实现了更高灵敏度的声波传感。通过理论计算微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率,证明与实验中获得的共振频率基本一致。悬臂梁结构光纤声波传感器实现了大于34 dB的平均信噪比,满足光纤声波传感对微弱声音监测的应用需求。
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