[0001] 本发明属于声波测量领域，具体涉及一种双膜结构全石英光纤声压传感器及其制作方法。

[0002] 随着传感器技术的发展，通过膜片作为换能器的声压传感器，麦克风、水听器等声学探测器是重要的信息获取工具，声压传感器被广泛应用到国防军事、生物医疗、国民经济等各个领域。传统的电容式声压传感器尺寸通常比较大，电压灵敏度约为50mV/Pa，且易受电磁干扰的影响，基于法布里珀罗原理的光纤声压传感器已经在声学成像、海洋观测等领域取得显著的应用成果。其制备方法不仅注重传感器的性能提升，更强调在实际应用中的稳定性和可靠性。因此，对传感器制备方法的深入研究和优化将为未来声学传感技术的发展提供重要支持。

[0003] 比如专利文献CN114755535A公开了一种光纤法布里珀罗超声传感器及其制作方法。具体公开了通过单模光纤3与石英膜片1相邻的端面构成法布里珀罗腔的两个反射面。通过光纤端面与圆膜片组成得法布里珀罗腔，通过胶粘的方式实现膜片和光纤的连接和固定。其灵敏度受到圆膜片振动范围的限制，在低频率或小振幅声压信号下，传感器的灵敏度较低，难以实现高精度的声压测量。

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0030] 请参阅图1，图1为本发明双膜结构全石英光纤声压传感器的结构示意图，如图所示，包括单模光纤1、柚子型光纤2、波导膜片3和波纹膜片4构成。基于法布里珀罗原理的双膜结构中，所述波导膜片3、波纹膜片4与所述单模光纤1同轴设置，共同构成双法布里珀罗谐振腔结构，当外界声压作用于波纹膜片4时，波纹膜片的机械振动会迫使波导膜片发生形变，从而使得法布里珀罗干涉仪的第二反射面发生移动，由于波导膜片的弹光效应使干涉仪的折射率也发生变化。

[0031] 本实施例中，单模光纤1的涂覆层外径为242±5μm，包层外径为125±0.7μm，纤芯为10.4±0.5μm。柚子型光纤2的外包层半径为21μm，用作保护波导膜片3，波导膜片3的直径为3μm，其端面为平整的光滑面。波纹膜片4的膜厚通常为微米量级。

[0032] 图2为本发明中所使用单模光纤与柚子型光纤的结构示意图。单模光纤为全实体结构，内部纤芯被包层所包裹；柚子型光纤的纤芯则是通过六根棱与柚子型光纤外包层相连接，使得柚子型光纤的纤芯固定在光纤最中心位置。其中，柚子型光纤的纤芯直径7μm，棱的宽度为3μm，外包层为21μm。

[0033] 图3为本发明中不同形状的波纹示意图。其波纹形状包括但不局限于图3(a)矩形、图3(b)锯齿形、图3(c)正弦等，本发明中以矩形结构作为波纹膜片。图4为本发明中双膜结构全石英光纤声压传感器中的波纹膜片结构示意图。如图所示，所述波纹膜片为飞秒激光在平整圆膜片上通过减材加工工艺制备的一圈一圈的矩形形状结构。其波纹的深度为H，波纹间距为r。其中波纹深度H对波纹膜片的应力释放与传感器的灵敏度有重要的影响，即传感器的灵敏度会随着波纹深度H的增加呈先逐渐增加而后逐渐减小的趋势。而且，对于所述的波纹膜片，在均匀载荷q作用下，其中心挠度ω与波纹膜片各个参数之间的关系为：

[0034]

[0035]

[0036] 式中，h、R、σ、E、v、N、H分别为波纹膜的厚度、半径、预应力、杨氏模量、泊松比、波纹数目和波纹深度。

[0037] 图5为本发明所述波纹膜片和波导膜片实物图。所述波纹膜片为飞秒激光在平整圆膜片上通过减材加工工艺制备的一圈一圈的矩形波纹结构。所述的波导膜片由柚子型光纤的纤芯和空气介质作为包层构成的波导结构，波纹膜片形变引起波导膜片弯曲时，由于弹光效应的存在会导致波导膜片折射率发生变化。

[0038] 图6为本发明通过COMSOL多物理场仿真软件对双膜结构全石英光纤声压传感器频率响应的仿真示意图，通过声‑固多物理场耦合条件，设置波纹膜片的四周边界为固定约束作为仿真条件。

[0039] 图7为本发明所述双膜结构制备完成后干涉光谱图。

[0040] 本发明提供了一种基于法布里珀罗原理的双膜结构全石英光纤声压传感器的制作方法，其由单模光纤1，柚子型光纤2制备的波导膜片3和波纹膜片4构成。单模光纤为标准传输光纤，用于传输入射光和经过法布里珀罗干涉仪的反射光；单模光纤与柚子型光纤的熔接面作为法布里珀罗干涉仪的第一反射面；波导膜片3为柚子型光纤内部的纤芯，波导膜片的两端通过放电熔接，熔接在单模光纤的中间位置，柚子型光纤内部的棱两端连接着纤芯和外包层，使得纤芯能够固定在光纤的最中部；最外层的包层环为保护层；波纹膜片4由两部分组成，一侧为凸起的波纹，另一侧为光滑平面与波导膜片3相连接作为法布里珀罗干涉仪的第二反射面。

[0041] 步骤1：传感器组件选型：选用单模光纤1、柚子型光纤2；

[0042] 步骤2：对所述的单模光纤和柚子型光纤的一端剥去涂覆层，并用光纤切割刀切平；然后，通过调节熔接机的放电功率和放电时间等参数，实现单模光纤与柚子型光纤端面平整熔接；最后，通过显微镜观察单模光纤与柚子型光纤熔接处的平整度；

[0043] 步骤3：将带有尾纤接头的单模光纤的另一端接入三端口环形器的一个端口，并将环形器的另外两个端口分别与宽带光源和光谱分析仪相连；

[0044] 步骤4：首先，将步骤2中所得结构中柚子型光纤2的另一端面剥去涂覆层；然后，将其置于CCD下通过光纤切割刀对柚子型光纤尾纤接头端进行精密切割，以此精密控制剩余单模‑柚子结构中柚子光纤的长度，切割过程中通过观察步骤3所述的光谱分析仪中的干涉光谱，以此获得最佳法布里珀罗干涉腔长；接下来，重复步骤2中的熔接工艺，将柚子型光纤的尾纤接头端熔接单模光纤，形成单模‑柚子‑单模结构。

[0045] 步骤5：波导膜片3制备过程为：首先，将单模光纤、柚子型光纤和单模光纤通过熔接机放电熔接形成单模‑柚子‑单模结构的法布里珀罗干涉仪的传感结构置于飞秒激光微纳加工平台的精密三维移动平台上；其次，经过高输出孔径的物镜聚焦到柚子型光纤上表面和下表面位置，通过飞秒激光的减材加工制备出相同间距的阵列微孔；接下来，将制备好的带有阵列微孔的单模‑柚子‑单模光纤结构水平放置，通过胶头滴管将氢氟酸溶液浸入到柚子型光纤内部进行选择性腐蚀，制备出的柚子型光纤内部悬空的纤芯，内部悬空的纤芯即为波导膜片；最后，将氢氟酸溶液腐蚀后的单模‑柚子‑单模结构置于去离子水中，进行超声清洗处理，以溶解残余的氢氟酸溶液，从而完成波导膜片的制备。

[0046] 步骤6：波纹膜片4制备过程为：首先，将所述步骤5中制备好的结构，一端单模光纤切平作为尾纤，通过光纤端面研磨机对切平的单模光纤进行研磨，经过光纤端面研磨工艺制成的平整圆膜片；其次，通过飞秒激光微纳加工工艺，在平整圆膜片上制作相同参数(宽度和深度)的波纹结构，用于释放平整圆膜片的内应力；最后，将所制备的单模‑柚子‑波纹膜片结构转移到去离子水中，进行超声清洗处理，并在室温下自然干燥，从而完成基于膜片作为换能器的波纹膜片制备。

[0047] 本发明所制备为全石英材质无胶一体化的光纤传感器，可稳定高效应用高温等恶劣环境。双膜结构在实现高灵敏度的同时还能拓宽声压传感器的频响范围，可适用于不同频率下的声学应用场景。