本發(fā)明涉及光纖傳感，特別是一種多諧振頻率fp傳感器及其制備方法。

背景技術：

1、伴隨著光纖傳感技術的不斷發(fā)展，fabry-perot（fp）傳感器在聲信號檢測、振動監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)控中得到了廣泛應用。fp傳感器具有高靈敏度、低功耗和遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢，廣泛用于結構健康監(jiān)測、噪聲檢測及聲學信號分析等領域。然而，傳統(tǒng)的fp傳感器通常依賴單一的諧振頻率工作，這使得它們在復雜或多頻率聲信號的環(huán)境中面臨明顯的性能瓶頸。由于只對特定頻率范圍的信號敏感，單一頻率響應的fp傳感器在處理多頻段聲波時容易失去精度和靈敏度，限制了其在多變環(huán)境中的應用效果。

2、現(xiàn)有的研究主要集中在如何改善fp傳感器的頻率響應范圍，但仍然存在一些不足。首先，許多研究通過改變膜片的形狀或材料來擴展其頻率響應范圍，然而這些方法往往難以同時實現(xiàn)多個諧振峰的穩(wěn)定性和靈敏度的平衡。其次，由于現(xiàn)有設計中多個諧振峰之間的相互影響和調(diào)節(jié)難度較大，頻率響應的不均勻性依然是影響傳感器性能的主要問題之一。此外，雖然多頻段設計可以擴展使用范圍，但現(xiàn)有研究在精確控制諧振頻率分布以及保證各頻段獨立響應方面仍存在很大的挑戰(zhàn)。因此，如何有效地拓寬頻率響應范圍，并確保每個頻段具有足夠的信號靈敏度和穩(wěn)定性，仍是當前研究中的關鍵難題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種多諧振頻率fp傳感器及其制備方法，在實現(xiàn)多諧振頻率的基礎上，克服多諧振光纖傳感器在靈敏度與頻率調(diào)節(jié)方面的局限性，實現(xiàn)更高效的信號探測與響應。本發(fā)明采用的技術方案如下。

2、一方面，本發(fā)明提供一種多諧振頻率fp傳感器，包括膜片、第一毛細管、第二毛細管和光纖；

3、所述膜片包括器件層，所述器件層的一端為輸入端，另一端為反射端；器件層的反射端端面為一平面，并設有反射層；器件層的輸入端中部設有凸臺，繞所述凸臺的外周設置有多個諧振區(qū)，多個諧振區(qū)之間兩兩相鄰接，相鄰諧振區(qū)部位的器件層厚度不同，且所述凸臺部位的器件層厚度大于所有諧振區(qū)部位的器件層厚度；

4、所述膜片周部固定于所述第一毛細管的一端，且所述反射層朝向第一毛細管內(nèi)部；

5、所述第二毛細管一端插入所述第一毛細管，并固定連接于所述膜片的反射端；

6、所述光纖一端插入所述第二毛細管并固定于第二毛細管中，光纖的軸向投影位于所述凸臺部位對應的反射層區(qū)域，光纖端部與所述反射層之間具有光傳輸間隔。

7、以上技術方案中，膜片上設置的厚度不同的多個諧振區(qū)和中部凸臺，構成了傳感器的多諧振結構，光纖與膜片反射層之間形成法布里-珀羅干涉腔。光纖向反射層發(fā)出入射光，并接收由法布里珀羅干涉腔反射的反射光。當聲壓作用于膜片表面時，膜片會發(fā)生形變，而與毛細管固連的光纖不會發(fā)生位移，因此fp腔的腔長會發(fā)生改變，進而可以利用法布里珀羅干涉腔的腔長變化引起的反射光的光程差來計算超聲波聲壓值。在此過程中，由于本發(fā)明中膜片各諧振區(qū)區(qū)域厚度不同，因此其各自的最大形變量也發(fā)生在不同的頻率處，在形變時會帶動中心凸臺也發(fā)生形變，因此膜片的頻率響應會出現(xiàn)多個諧振峰。諧振區(qū)域發(fā)生形變時可以間接地反映在膜片中心凸臺處的形變量，也即在多個頻率下膜片中心都具有較大的形變即有較大的靈敏度，使得本發(fā)明實現(xiàn)了多諧振頻率響應下的靈敏度提升。

8、可選的，所述凸臺為圓柱形，所述諧振區(qū)的形狀為繞所述凸臺設置的扇環(huán)形，所有諧振區(qū)拼接為一個包圍所述凸臺的圓環(huán)形狀。也即，這種實施方式下，膜片的敏感區(qū)域為一圓形，除此以外，也可設置為方形等其他形狀。

9、可選的，各扇環(huán)形的諧振區(qū)的中心角相等，輸入面面積相等。可便于傳感器設計時的仿真，以及實際應用時的計算。

10、可選的，所述多個諧振區(qū)中，任意兩者的厚度均不同。

11、作為一種諧振區(qū)不同厚度等級的實施方式：多個諧振區(qū)中，從其中一個諧振區(qū)起，諧振區(qū)的厚度依次遞增或遞減。

12、優(yōu)選的，多個諧振區(qū)中，從其中一個諧振區(qū)起，諧振區(qū)的厚度依次遞增或遞減相同的高度值。

13、作為另一種諧振區(qū)不同厚度等級的實施方式：所有諧振區(qū)根據(jù)表面高度呈高低間隔排列于凸臺外周。

14、優(yōu)選的，按照諧振區(qū)厚度值由大到小的順序，厚度值大小相鄰的任意兩諧振區(qū)之間的厚度差值均相等。此設置可簡化傳感器實際應用于檢測時的邏輯運算。

15、可選的，所述膜片還包括支撐層和連接層，支撐層和連接層為環(huán)形，連接于器件層反射端的周部，且投影于多個諧振區(qū)外周，其中所述連接層上下兩面分別固定連接所述支撐層和器件層；

16、所述第一毛細管一端的端面固定連接支撐層，所述第二毛細管外徑與所述支撐層以及第一毛細管的內(nèi)徑相適應，使得第二毛細管外壁分別與支撐層內(nèi)壁和第一毛細管內(nèi)壁相貼合，同時可在第二毛細管外壁涂膠使其粘合于支撐層內(nèi)壁。

17、可選的，所述光纖采用單模光纖，所述反射層為附著于膜片反射端表面的金材料，可采用真空離子濺射技術形成。反射層的材料也可采用其它具有高反射性能的金屬材料。

18、以上技術方案中，支撐層的設置可實現(xiàn)對第一毛細管和毛細管對膜片和光纖的機械支撐作用，保障傳感器整體的結構穩(wěn)定性。

19、可選的，凸臺區(qū)域面積與凸臺和諧振區(qū)面積之和的比值小于1/4。由于凸臺面積越大，多個諧振區(qū)中最低的諧振峰就越高，使得多個諧振區(qū)對應的諧振頻率范圍變小，多峰現(xiàn)象會變得不明顯，因此合理的凸臺與諧振區(qū)面積配合能夠保證fp傳感器具有更寬的頻率響應范圍，且在各諧振區(qū)對應的頻率響應范圍內(nèi)，fp傳感器具有較高的靈敏度。

20、優(yōu)選的，所述第一毛細管內(nèi)徑與第二毛細管外徑相等，第一毛細外徑略大于其內(nèi)徑，第二毛細管外徑遠大于其內(nèi)徑。作為一種可行的實施方式，所述第一毛細管外徑為4mm，內(nèi)徑為3mm；毛細管外徑為3mm，內(nèi)徑為0.135mm；光纖位于毛細管外的長度為2mm-3mm。

21、第二方面，本發(fā)明提供一種第一方面所述多諧振頻率fp傳感器的制備方法，包括制備所述膜片，膜片的制備流程包括：

22、對soi晶片涂覆光刻膠層并進行烘烤處理；

23、將涂覆光刻膠層并烘烤后的soi晶片與掩膜板對準后置入曝光機，進行曝光顯影處理，再對于曝光顯影后的soi晶片進行后烘烤處理；其中，所述掩膜板包括上掩膜板和下掩膜板，分別刻蝕soi晶片的硅襯底層和硅基底層，且上掩膜板上的圖形與所述膜片輸入端表面形狀相對應，下掩膜板上的圖形與所述膜片反射端表面的形狀相對應；

24、對于soi晶片的硅基底層的曝光區(qū)域，采用反應離子刻蝕方式進行刻蝕，直至暴露出氧化硅層，繼續(xù)對氧化硅層進行刻蝕清理，對氧化硅層清理完畢后露出區(qū)域進行金屬鍍膜處理，得到所述反射層；對于soi晶片的硅襯底層，采用多次深反應離子刻蝕工藝進行刻蝕，按照多個諧振區(qū)以及凸臺的厚度，逐層刻蝕至得到所述多個諧振區(qū)與凸臺，完成所述膜片的制備。

25、上述逐層刻蝕可為由淺至深逐層刻蝕，即首先刻蝕出凸臺，或者由深至淺逐層刻蝕，即最后刻蝕出凸臺。

26、作為一種刻蝕操作實施方式，可選的，所述上掩膜板的數(shù)量為多個，分別根據(jù)凸臺和多個諧振區(qū)的不同厚度和形狀制得；

27、所述對于soi晶片的硅襯底層，采用多次深反應離子刻蝕工藝進行刻蝕，按照多個諧振區(qū)以及凸臺的厚度，逐層刻蝕至得到所述多個諧振區(qū)與凸臺，包括：

28、根據(jù)凸臺和多個諧振區(qū)的厚度不同，將硅襯底層的刻蝕工序分為多個高度等級的刻蝕操作流程；

29、按照由深至淺的順序，依次利用相應的掩膜板，對soi晶體的硅襯底層執(zhí)行各高度等級的刻蝕操作流程，依次得到多個諧振區(qū)和凸臺；

30、其中，對于每個高度等級，所述刻蝕操作流程包括：對當前硅襯底層表面涂覆光刻膠，利用與當前高度等級對應的掩膜板將待刻蝕的圖形轉移至光刻膠層，根據(jù)待刻蝕諧振區(qū)與相鄰表面高度諧振區(qū)之間的表面高度差，或根據(jù)待刻蝕諧振區(qū)與相鄰的凸臺的表面高度差，或根據(jù)凸臺的表面高度，控制刻蝕深度，完成當前高度等級的刻蝕，得到對應的諧振區(qū)或凸臺。

31、作為另一種刻蝕操作實施方式，可選的，所述上掩膜板的數(shù)量為多個，分別根據(jù)凸臺和多個諧振區(qū)的不同厚度和形狀制得；

32、所述對于soi晶片的硅襯底層，采用多次深反應離子刻蝕工藝進行刻蝕，按照多個諧振區(qū)以及凸臺的厚度，逐層刻蝕至得到所述多個諧振區(qū)與凸臺，包括：

33、根據(jù)凸臺和多個諧振區(qū)的厚度不同，將硅襯底層的刻蝕工序分為多個高度等級的刻蝕操作流程；

34、按照由淺至深的順序，依次利用相應的掩膜板，對soi晶體的硅襯底層執(zhí)行各高度等級的刻蝕操作流程，依次得到凸臺和多個諧振區(qū)；

35、其中，對于每個高度等級，所述刻蝕操作流程包括：對當前硅襯底層表面涂覆光刻膠，將相應高度等級的掩膜板上的圖形轉移至光刻膠層，根據(jù)待刻蝕凸臺或諧振區(qū)的表面高度，控制刻蝕深度，完成當前高度等級的刻蝕，得到對應的凸臺或諧振區(qū)。

36、可選的，所述制備方法還包括，進行傳感器的組裝，具體包括：

37、將第一毛細管固定于支架上，在其端面涂抹uv膠，將膜片反射端對準并貼合至第一毛細管端面，利用紫外燈照射使膜片與第一毛細管之間固定連接；

38、切割出所需長度的光纖，去除光纖的涂覆層并清潔裸纖；

39、將裸纖穿入毛細管內(nèi)孔，在第二毛細管兩端涂抹uv膠，并通過紫外燈照射使光纖與第二毛細管之間相對固定；

40、使光纖與膜片凸臺中心對齊，將穿設光纖的第二毛細管置入第一毛細管內(nèi)并固定于膜片反射端表面，得到所述多諧振fp光纖傳感器。

41、有益效果

42、本發(fā)明的多諧振頻率fp傳感器，通過凸臺與外圍分級厚度的多諧振區(qū)組合設計，確保多個諧振頻率的響應區(qū)域能夠覆蓋多個不同頻段信號，以顯著拓寬傳感器的工作頻率范圍，提升fp傳感器在多頻帶測量中的應用性能，避免了傳統(tǒng)傳感器僅依賴單一諧振頻率的限制，且傳感器能夠同時響應多個頻段的信號，大大提高了傳感器的靈活性、準確性、響應速度以及在復雜環(huán)境中的應用能力。特別是在需要捕捉復雜和廣泛頻率范圍的聲學信號時，該結構可以有效地提升傳感器的整體性能，推動光纖傳感器技術在更為多樣化的應用場景中的發(fā)展。

43、本發(fā)明的制備方法根據(jù)膜片的結構特點進行刻蝕操作流程的設計，通過配合不同的掩膜板實現(xiàn)多級厚度諧振區(qū)和凸臺的逐層刻蝕，能夠確保傳感器高靈敏度和寬頻率響應范圍特性的實現(xiàn)。同時，光纖與毛細管的嵌套式防護設計等，使得本發(fā)明能夠確保傳感器膜片的中心定位精度及組裝牢固度，使光纖能夠穩(wěn)定嵌入而不損傷膜片，進一步提升了結構的穩(wěn)定性。